19104

Проектирование фильтров с импульсной характеристикой бесконечной длины

Практическая работа

Физика

Лекция № 16. Проектирование фильтров с импульсной характеристикой бесконечной длины. Фильтры с бесконечной импульсной характеристикой БИХфильтры коренным образом отличаются от КИХфильтров изза наличия обратной связи. Во первых они требуют проверки на устойчив

Русский

2013-07-11

174 KB

18 чел.

Лекция № 16.

Проектирование фильтров с импульсной характеристикой бесконечной длины.

Фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры) коренным образом отличаются от КИХ-фильтров из-за наличия обратной связи. Во- первых, они требуют проверки на  устойчивость, как и все системы с обратной связью. Во-вторых, они имеют более сложную структуру, их труднее проектировать и анализировать. Кроме того, их фазочастотная  характеристика принципиально не линейна. Почему же их используют? Потому, что они очень эффективны. БИХ-фильтры требуют намного меньше умножений на один выходной отсчет, чтобы реализовать требуемую частотную характеристику. Они позволяют строить фильтры реального времени, которые работают на значительно более высоких частотах дискретизации, чем КИХ-фильтры. Второе принципиальное достоинство состоит в том, что БИХ-фильтры могут аппроксимировать заданные аналоговые фильтры. КИХ-фильтры такой возможности не предоставляют.

Стандартные методы проектирования (синтеза) БИХ-фильтров делятся на три базовых класса:

  •  метод инвариантного преобразования импульсной характеристики;
  •  метод билинейного z-преобразования;
  •  оптимизационные методы, основанные на алгоритмах итерационного моделирования коэффициентов фильтра.

Рассмотрим метод инвариантного преобразования импульсной характеристики, основанный на дискретизации импульсной характеристики аналогового прототипа. Для этого используем общую форму записи Z-преобразования импульсной характеристики БИХ-фильтров, которая  имеет вид:

.                                                                       (16.1)

Существуют два варианта метода инвариантного преобразования.

 Вариант 1 требует применения как обратного преобразования Лапласа, так и Z-преобразования. Его основные этапы (шаги) заключаются в следующем:

  1.  Получить передаточную функцию  аналогового фильтра-прототипа с   требуемой частотной характеристикой.

2.   По передаточной функции  определить непрерывную импульсную  характеристику , используя обратное преобразование Лапласа.

3.   Определить частоту дискретизации  и шаг дискретизации . Частоту  дискретизации выбирают в зависимости от абсолютной частоты аналогового фильтра-прототипа. Из-за проблем наложения спектральных характеристик, свойственных этому методу, должна намного превосходить ширину спектра фильтруемых сигналов.

4.   Подставить значение (не переменную!) шага дискретизации  вместо непрерывной переменной  в выражении импульсной характеристики. Этим обеспечивается равенство отсчетов дискретной импульсной характеристики  значениям непрерывной импульсной характеристики в моменты времени .

5.   Найти Z-преобразование функции  и получить системную (передаточную) функцию БИХ-фильтра  в форме отношения полиномов от переменной .

Примечание. Поскольку  при дискретизации непрерывной импульсной характеристики частотная характеристика цифрового фильтра оказывается умноженной на коэффициент , многие разработчики фильтров считают необходимым включить множитель  в выражение для .  Это позволяет  сделать коэффициент передачи цифрового фильтра равным коэффициенту передачи прототипа. Некоторые авторы предпочитают вводить множитель  в дискретную импульсную характеристику, то есть записать

            Окончательно для получаем:

,          (16.2)

и разностное уравнение в общей форме записывается как:

                                                      (16.3)

Вариант 2 метода инвариантного преобразования импульсной характеристики использует другой подход. Он разбивает математически аналоговый фильтр-прототип на несколько фильтров с одним полюсом, а затем аппроксимирует каждый из этих фильтров однополюсным цифровым фильтром. Набор из  однополюсных фильтров затем аналитически объединяется в БИХ-фильтр  порядка, имеющий  полюсов.

При расчете фильтра этим методом необходимо выполнить следующие шаги:

  1.  Получить передаточную функцию  аналогового фильтра-прототипа в форме:

.                                                               (16.4)

  1.  Выбрать подходящую частоту дискретизации  и вычислить период (шаг) дискретизации  .
  2.  Выразить передаточную функцию  в виде суммы однополюсных передаточных функций. Это требует использования разложения (16.4) на простейшие дроби вида:

             (16.5)

где коэффициенты  представляют собой константы; а  -й полюс в точке

на -плоскости. Обозначим -ю однополюсную передаточную функцию как :

.                                                                                              (16.6)

4.   Определить импульсную характеристику аналогового фильтра с передаточной функцией вида (16.5) и записать ее в форме:

                                                                       (16.7)

где  единичная функция.

5.  Аппроксимировать  каждый однополюсный аналоговый фильтр с передаточной  функцией  однополюсным цифровым фильтром с передаточной функцией . Для этого путем дискретизации импульсной характеристики аналогового фильтра получим импульсную характеристику однополюсного цифрового фильтра:

.                                                                                   (16.8)

Найдем Z-преобразование этого однополюсного фильтра:

.                                      (16.9)

Аппроксимация заключается в отображении каждого полюса , расположенного в точке  на -плоскости, в точку  на z-плоскости. Другими словами, аппроксимация осуществляется с помощью отображения, при котором используется замена:

.                                                                                     (16.10)

Результирующая передаточная функция дискретного фильтра является суммой передаточных функций однополюсных дискретных фильтров:

                                                         (16.11)

  1.   Записать  выражение (16.11) в виде отношения двух полиномов от . Поскольку  является суммой простейших дробей, приводя их к общему знаменателю, получим:

.                                                          (16.12)

По аналогии с вариантом 1 из (16.12) вытекает разностное уравнение в обобщенной форме с известными коэффициентами. Разностное уравнение типа (16.3) можно реализовать либо в виде простой формы БИХ-фильтра, либо в виде улучшенных структур, варианты которых рассмотрены в лекции № 14.

Итак, частотная характеристика цифрового фильтра связана с частотной характеристикой аналогового прототипа точно так же, как спектр дискретизированного сигнала связан со спектром аналогового сигнала – периодическим повторением. Отсюда следует, что для того, чтобы частотные характеристики исходного аналогового фильтра и рассчитываемого методом инвариантного преобразования импульсной характеристики цифрового фильтра соответствовали друг другу, необходимо, чтобы полоса пропускания аналогового фильтра находилась в пределах диапазона:  Для выполнения этого условия необходимо до начала преобразования вводить дополнительный фильтр нижних частот, гарантирующий соответствующее ограничение полосы пропускания аналогового фильтра.

Метод билинейного z-преобразования позволяет синтезировать рекурсивный дискретный фильтр по частотной характеристике аналогового прототипа. При его использовании левая половина плоскости всегда отображается внутрь единичной окружности на плоскости, поэтому синтез по устойчивому аналоговому прототипу дает гарантированно устойчивый дискретный фильтр.

При реализации этого метода используют простое конформное отображение плоскости в плоскость, сохраняющее удобную алгебраическую форму преобразования. Оно основано на замене:

.                                                                     (16.13)

Можно показать, что частотные характеристики аналогового  и дискретного  фильтров связаны друг с другом лишь трансформацией частотной оси:

                                                         (16.14)

На низких частотах, когда, тангенс примерно равен своему аргументу и

. Поэтому в области низких частот частотные характеристики аналогового и дискретного фильтров почти совпадают.

           

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81983. Проект з французької мови: Чому Великдень є улюбленим святом дітей? 182.5 KB
  Завдання: Збагатити знання про історію та традиції святкування Пасхи. Дібрати французькі та українські прислів’я та приказки до цього свята та зробити порівняльну характеристику. Скласти вітальні привітання до свята Великодня. Оформити проект до цього свята.
81984. ВЕРНІСАЖ РОКУ 257.5 KB
  Ознайомити учнів із поняттям текст формувати уявлення про текст як форму зв’язного висловлювання його характерні ознаки; розвивати вміння визначати тему тексту добирати заголовок до тексту відповідно до його змісту; збагачувати словниковий запас учнів; розвивати усне і писемне мовлення...
81985. Веселі старти 39 KB
  Мета. Створити атмосферу свята. Виховувати любов до фізкультури та спорту: розвивати руховий апарат, фізичні уміння та навички, зміцнювати здоров’я, виховувати почуття дружби, колективізму. Обладнання. М’ячі, скакалки, кубики, обручі, стрічки, дротики.
81986. ВЕСНА МИЛІША ВСІХ 72 KB
  Добрий день вам, люди добрі, що сидять в нашій господі. Раді з святом вас вітати, щастя і добра бажати. З початком весни, з першою весняною травичкою, ніжними квітами й дзвінким співом пташок приходить до нас і жіноче свято – 8 Березня. Це свято наших мам і бабусь.
81987. Я – перша квіточка весни 91 KB
  Хто ж із них переможе? Цього ми поки що не знаємо... Але, напевно, кожен із нетерпінням чекає на початок конкурсу. Ведуча 2. Насамперед потрібно визначитись, в якому порядку учасниці будуть змагатися, потрібно провести жеребкування.
81988. Сценарій конкурсу «Поетична весна» 311 KB
  Голос за кулісами - Багатий на дива та містерії наш Всесвіт, прекрасний і величний у своїй таїні, щедрий легендами та зоряницями, що ніби разочки намист оповили неймовірним сяйвом його безмежність.
81989. А вже весна, а вже красна… 80 KB
  Показати, як поети і письменники засобами художнього слова розкривають багатство і красу навколишнього світу; розвивати навички виразного читання, формувати уміння робити посильні висновки з прочитаного, побаченого, почутого; збагачувати лексичний словник учнів...
81990. Бринить струною гілочка весни. (Весна у природі) 61.5 KB
  Закріплення елементарних уявлень про найхарактерніші ознаки весни в живій і неживій природі, які можна виявити в процесі спостережень, а саме: з пробудженням рослин, з поведінкою перелітних птахів; показати, як зміни в неживій природі впливають на живу природу; поповнювати знання учнів...
81991. Зігріємо землю своєю любов’ю, для наших нащадків її збережемо 231 KB
  Мета. Поглиблювати знання учнів про природу, її красу та багатства, сприяти розумінню необхідності захищати і берегти навколишнє середовище, виховувати любов і повагу до рідної землі, трепетне ставлення до всього живого на ній.