19095

Характеристики дискретных (цифровых) фильтров

Практическая работа

Физика

Лекция № 8. Характеристики дискретных цифровых фильтров. Основными характеристиками стационарных линейных дискретных фильтров являются следующие: импульсная характеристика ; комплексная частотная характеристика ; амплитудночастотная и фазочастот...

Русский

2013-07-11

176 KB

32 чел.

Лекция № 8.

Характеристики дискретных (цифровых) фильтров.

Основными характеристиками стационарных линейных дискретных фильтров являются следующие:

  •  импульсная характеристика ;
  •  комплексная частотная характеристика ;
  •  амплитудно-частотная  и фазочастотная  характеристики;
  •  системная функция (передаточная функция) .

Импульсной характеристикой дискретного фильтра называется его реакция на единичный импульс  при нулевых начальных условиях:

или                            (8.1)

где  оператор преобразования дискретного фильтра. Импульсную характеристику фильтра  обычно представляют совокупностью значений , называемых коэффициентами фильтра.

Заметим, что любую дискретную последовательность  можно представить в виде линейной комбинации единичных отсчетов:

                                                                            (8.2)

Тогда выходной сигнал, исходя из линейности и стационарности рассматриваемой системы, должен представлять собой линейную комбинацию импульсных характеристик:

            (8.3)

Выражение (8.3) представляет собой дискретную свертку входного сигнала и импульсной характеристики фильтра.  Если фильтр физически реализуем (каузален), то его реакция на выходе не может появиться раньше воздействия на его входе (принцип временного детерминизма).  Следовательно, его  импульсная характеристика должна равняться нулю в отсчетных точках, предшествующих моменту подачи входного импульса, т.е.  при .  Поэтому верхний предел суммирования в формуле (8.3) может быть заменен на :

                                                  (8.4)

Смысл этой формулы прост и нагляден –  в момент каждого отсчета дискретный фильтр проводит операцию взвешенного суммирования всех предыдущих значений входного сигнала, причем роль последовательности весовых коэффициентов играют отсчеты импульсной характеристики:

                     (8.5)

Это означает, что система при вычислении очередного отсчета может оперировать только прошлыми значениями входного сигнала и ничего не знает о будущих значениях.

Процедура вычисления дискретной свертки сводится к следующему:

  •  сначала импульсную характеристику  симметрично поворачивают относительно оси ординат, получая ;
  •  затем ее последовательно сдвигают вправо на временной промежуток
  •  далее значения дискретного сигнала  умножают на  соответствующие значения импульсной характеристики ;
  •  суммируя полученные значения в соответствии с (8.4), получают выходную последовательность дискретного сигнала.

Если число отсчетов импульсной характеристики (коэффициентов фильтра) конечно, то такие фильтры называют КИХ-фильтрами (фильтры с конечной импульсной характеристикой). Простота их реализации, а также наглядная связь коэффициентов фильтра с отсчетами его импульсной характеристики и абсолютная устойчивость привели к их широкому использованию на практике. Однако для получения хороших частотных характеристик нужны фильтры высокого порядка – до нескольких сотен и даже тысяч.

Наличие в схеме фильтра обратных связей позволяет получить у него бесконечную импульсную характеристику. Поэтому рекурсивные фильтры называют также фильтрами с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры). Такие фильтры не всегда устойчивы. Под устойчивостью фильтра понимают его способность при любой ограниченной входной последовательности дискретного сигнала обеспечивать ограниченную последовательность выходного дискретного сигнала.

Любой сигнал на выходе линейной стационарной системы представляет собой линейную комбинацию ее задержанных во времени импульсных характеристик. Поэтому для затухания свободных колебаний дискретной системы необходимо, чтобы ее импульсная характеристика была затухающей:    

Определим частотную характеристику дискретного фильтра. Для этого на вход фильтра подадим  дискретизированный гармонический сигнал в виде комплексной дискретной экспоненты:

.                                                                   (8.6)

Если такая последовательность поступает на вход фильтра с импульсной характеристикой , то на выходе появится последовательность:

              (8.7)

Таким образом, согласно формуле (8.7),  выходная последовательность совпадает с входной, умноженной на некоторый комплексный множитель , который выражается через импульсную характеристику системы следующим образом:

.                                                                             (8.8)

Поскольку последовательность вида  функционально эквивалентна дискретизированной синусоиде с частотой , то комплексный множитель  называют частотной характеристикой фильтра, а соотношение (8.8) представляет собой ряд Фурье, в котором роль коэффициентов играют отсчеты импульсной характеристики. Т.к. , то  – периодическая функция частоты с периодом  . Поэтому отсчеты импульсной характеристики (коэффициенты ряда Фурье) связаны с частотной характеристикой фильтра соотношением:

.                                                                      (8.9)

Примечание. Выражения (8.8) и (8.9) записаны в формализованном виде, без учета значения шага дискретизации. Если ввести шаг дискретизации , то частотную характеристику нужно записать в виде:

.                                                                            (8.10)

Таким образом,  является периодической функцией  с периодом, равным частоте дискретизации исходного сигнала: .

В общем случае частотная характеристика комплексна. Ее модуль  называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) фильтра, а аргумент  – фазочастотной характеристикой (ФЧХ). Важным параметром частотной характеристики является также групповое время задержки , определяемое как .

Следует отметить, что модуль  частотной характеристики симметричен, а аргумент  – антисимметричен на интервале   (или на интервале  при соответствующем задании частотного интервала). Поэтому для физически реализуемых фильтров интервал частот, на котором задают частотную характеристику, обычно сокращают до .

Пара преобразований (8.8) и (8.9) справедлива для любой последовательности с конечной суммой, поэтому произвольную входную последовательность также можно представить в виде:

,                                                                           (8.11)

где .                                                                            (8.12)

Т.к. отклик на последовательность  согласно (8.7) равен , откликом на входную последовательность (8.11) будет:

.                                                                  (8.13)

Из равенства

                                                                                     (8.14)

следует, что (8.13) представляет собой обратное преобразование Фурье для последовательности . Таким образом, и для дискретных систем свертка во временной области соответствует умножению в частотной области.

Пример.  Пусть дискретная система первого порядка задана разностным уравнением:   с начальным условием , где . Легко установить, что импульсная характеристика такого фильтра  равна: .  Определить частотную характеристику, АЧХ и ФЧХ такого фильтра.

Решение. В соответствии с (8.8) получим:

.                 (8.15)

Т.к.  то после преобразований имеем:

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67864. Християнство: витоки, еволюція і сучасний стан 90.5 KB
  Засновник: ІCУС ХРИСТОС. Священні книги: Біблія, Священний переказ. Географічне поширення: країни Європи, Північно-Східної Євразії, Північної та Південної Америки, Австралії, Африки на південь від Сахари. Виникнення християнства звичайно пов’язується із початком нашої ери.
67865. Іслам – наймолодша світова релігія 45 KB
  Особливості релігійно – культурних традицій ісламу: злиття духовного і світського початків, політичної адміністрації і релігійної влади; в жодній мусульманській державі не існувало організованої церкви, яка б до того ж протистояла державі; це сприяло абсолютизації релігійного...
67866. Basic formulas of combinatorial analysis 50.91 KB
  A reliable (universal) event is an event that necessarily will happen if a certain set of conditions S holds. For example, if a vessel contains water with a normal atmospheric pressure and temperature 20 degrees, the event «water in a vessel is in a liquid state» is reliable.
67867. О ГРАЖДАНСКО-ПРАВОВОМ СОДЕРЖАНИИ ПОНЯТИЯ «МЕДИЦИНСКАЯ УСЛУГА» 97.5 KB
  Понятие услуги имеет принципиальное значение для определения существенного условия гражданских правоотношений складывающихся в сфере медицинского обслуживания их предмета. Услуги по определению К. Маркса представляют собой особую потребительскую стоимость поскольку...
67868. ФОРМЫ (ВИДЫ) ОГРАНИЧЕНИЙ ОСНОВНЫХ ПРАВ И СВОБОД И ИХ КОНСТИТУЦИОННО-ПРАВОВОЕ ЗАКРЕПЛЕНИЕ 95.5 KB
  Малько применимая к характеристике видов общеправовых ограничений не годится для анализа видов конституционно-правовых ограничений или может быть использована частично. Виды ограничений он классифицирует по следующим основаниям признакам: по способу формулирования в законе на прямые...
67869. МЕСТО ПРАВА НА ЛИЧНУЮ НЕПРИКОСНОВЕННОСТЬ В СИСТЕМЕ ОСНОВНЫХ ПРАВ И СВОБОД ЧЕЛОВЕКА И ГРАЖДАНИНА В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 167 KB
  Право на личную неприкосновенность занимает одно из ведущих мест в системе личных конституционных прав и свобод человека. Личные права и свободы составляют первооснову правового статуса человека и гражданина являются важнейшим элементом всей системы прав и свобод и во многом характеризуют...
67870. СОДЕРЖАНИЕ ПРИНЦИПОВ НОРМАТИВНО-ПРАВОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАЛОГОВЫХ ОТНОШЕНИЙ 106 KB
  Принципы регулирования налоговых правоотношений это основополагающие и руководящие идеи ведущие положения определяющие начала правового регулирования налогообложения. Поэтому основные принципы налоговых правоотношений одновременно выступают принципами налогового права.
67871. ФОРМИРОВАНИЕ ЗАКОНОДАТЕЛЬНОГО ОРГАНА ЯПОНИИ 65.5 KB
  По Конституции обе палаты обладали одинаковыми правами. Однако на практике палата пэров играла большую роль, т.к. она состояла из членов императорской фамилии, титулованной аристократии и финансовой знати. Влиятельность ее была гораздо выше...
67872. ПРАВОВОЙ СТАТУС И МЕСТО В СИСТЕМЕ ТАМОЖЕННЫХ ОРГАНОВ СЛУЖБЫ КОНТРОЛЯ СОБЛЮДЕНИЯ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВА В ТАМОЖЕННОМ ДЕЛЕ ФТС 114.5 KB
  В общем виде систему таможенных органов можно представить как обусловленную функциональной общностью единством целей и задач непосредственное осуществление таможенного дела совокупность таможенных органов. Она объединена функциональным единством органов...