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

22 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

77518. Предмет изучения курса ХОК. Коммуникация в живой природе 120 KB
  Понятие об общеорганизменной регуляторной химической коммуникации Предмет изучения курса ХОК. Что составляет предмет нашего изучения Сравните: Химические основы коммуникации Основы химической коммуникации Интуитивно понятно что химические основы коммуникации ≠ основы химической коммуникации. Действительно в обоих случаях речь идет о коммуникации. Но в первом мы говорим о химических основах =принципах коммуникации в то время как во втором – о химической коммуникации и только на базовом уровне.
77519. Колониальная организация и межклеточная коммуникация у микроорганизмов: общие представления о структуре микробных колоний и факторах межклеточной коммуникации 285.5 KB
  Колониальная организация и межклеточная коммуникация у микроорганизмов: общие представления о структуре микробных колоний и факторах межклеточной коммуникации. Общее представление о колониальной организации у микроорганизмов. Общее представление о колониальной организации у микроорганизмов. Эволюцию взглядов на колониальную организацию микроорганизмов можно схематично представить следующей чередой тезисов: прямолинейное уподобление микробной колонии многоклеточному организму; представление о микробной колонии как надорганизменной...
77520. Коммуникативные сигналы бактерий 238 KB
  Коммуникативные сигналы бактерий. Коммуникация у бактерий и в бактериальных образованиях. К числу описанных процессов протекающих лишь при достаточно высокой плотности популяции относятся следующие явления: биолюминесценция у морских бактерий Vibrio fisheri и V.hrveyi; агрегация клеток миксобактерий и последующее формирование плодовых тел со спорами; споруляция у бацилл и актиномицетов; стимуляция роста у стрептококков и ряда других микроорганизмов; конъюгация с переносом плазмид у Enterococcus feclis и родственных видов а также у...
77521. Коммуникация на органно-тканевом и организменном уровне 318.5 KB
  Регуляция процессов пролиферации и апоптоза клеток ткани. Гормоны как и другие сигнальные молекулы обладают некоторыми общими свойствами: выделяются из вырабатывающих их клеток во внеклеточное пространство; не являются структурными компонентами клеток и не используются как источник энергии; способны специфически взаимодействовать с клетками имеющими рецепторы для данного гормона; обладают очень высокой биологической активностью эффективно действуют на клетки в очень низких концентрациях около 1061011 моль л. Признаки по которым...
77522. РЕБРИСТЫЕ МОНОЛИТНЫЕ ПЛОСКИЕ ПЕРЕКРЫТИЯ С ПЛИТАМИ БАЛОЧНОГО ТИПА 1.43 MB
  Ребристое перекрытие с плитами балочного типа состоит из плиты, работающей по короткому направлению как неразрезная балка, второстепенных и главных балок (ригелей). Нагрузка через плиту передается на второстепенные балки. Последние передают ее на главные балки, которые опираются на колонны.
77523. Классификация бетонов 1.04 MB
  К прочностным свойствам относятся нормативные и расчетные характеристики бетона при сжатии и растяжении сцеплении бетона с арматурой; к физическим – водонепроницаемость морозо-жаростойкость коррозионная стойкость огнестойкость; к деформативным – сжимаемость и растяжимость бетона под нагрузкой ползучесть и усадка набухание и температурные деформации. Физико-механические свойства зависят от способа изготовления бетона и материалов и определяются структурой бетона и условиями твердения. Классификация бетона: Бетоны классифицируются по...
77524. Классификация нагрузок и сопротивлений бетона и арматуры в МПС 19.01 KB
  Расчетные факторы нагрузки и механические характеристики бетона и арматуры временное сопротивление предел текучести обладают статистической изменчивостью разбросом значений. Нагрузки и воздействия могут отличаться от заданной вероятности превышения средних значений а механические характеристики материалов от заданной вероятности снижения средних значений. Нагрузки а также механические характеристики материалов и расчетные коэффициенты нормируют. Нагрузки в зависимости от продолжительности действия делят на постоянные и временные...
77525. ИЗГИБАЕМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ПО НОРМАЛЬНЫМ СЕЧЕНИЯМ 1.73 MB
  По конструктивной схеме железобетонные перекрытия разделяют на две основные группы: балочные перекрытия безбалочные перекрытия. Балочные перекрытия содержат балки идущие в одном или двух направлениях и опирающиеся на них плиты или панели рис. Монолитное ребристое перекрытие с балочными плитами а – внешний вид перекрытия с главными балками...
77526. Уход за больными с разными формами недержания мочи 58.5 KB
  Само по себе недержание мочи казалось бы не такая опасная и грозная болезнь как например инфаркт инсульт онкологические заболевания и т. Что же представляет собой нормальный отток мочи Моча образуется в почках которые фильтруют жидкую часть крови захватывая ненужные организму вещества или шлаки а иногда и нужные но избыточные. Объем выделяемой мочи и частота мочеиспусканий у каждого человека индивидуальны и очень тонко регулируются нервной системой и железами внутренней секреции щитовидная железа надпочечники и др.