75614

Цифровая фильтрация

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

согласованные фильтры; фильтры для борьбы с шумами при нелинейных и нестационарных процессах фильтр ГильбертаХуанга Выбор способа борьбы с шумами должен производится с учетом свойств и особенностей информативного сигнала и помехи. Чем в большей степени свойства сигнала и шума априори известны тем может быть получен больший эффект от цифровой обработки. Кроме того несмотря на обилие стандартных доведенных до уровня готовых программ цифровой обработки с учетом конкретных априори известных свойствах информативного сигнала и шума может...

Русский

2015-01-15

152 KB

12 чел.

ОС. Лекция 8

Цифровая фильтрация

Цифровая обработка сигналов решает задачи обнаружения и определения параметров информативных сигналов и изображений, искаженных шумами и помехами. Для этой цели используются различные средства:

  •  накопление (временная фильтрация);
  •  сглаживание (фильтры скользящего среднего и медианные фильтры);
  •  цифровые частотные фильтры (высокой частоты, низкой частоты, полосовые фильтры);
  •  оптимальные фильтры (фильтр Колмогорова-Винера, LMS и RLS-фильтры);
  •  адаптивные фильтры (функцию адаптивных фильтров могут выполнять фильтр Колмогорова-Винера, LMS и RLS-фильтры).
  •  согласованные фильтры;
  •  фильтры для борьбы с шумами при нелинейных и нестационарных процессах (фильтр Гильберта-Хуанга)

Выбор способа борьбы с шумами должен производится с учетом свойств и особенностей информативного сигнала и помехи. Чем в большей степени свойства сигнала и шума априори известны, тем может быть получен больший эффект от цифровой обработки. Кроме того, несмотря на обилие стандартных, доведенных до уровня готовых программ цифровой обработки, с учетом конкретных априори известных свойствах информативного сигнала и шума может оказаться полезным разработка новых методов и алгоритмов для борьбы с шумами.

Фильтр скользящего среднего

Пусть мы имеем массив N значений измеренного сигнала, представленный в цифровой форме:

                                      {f1, f2, …fN}, i=1, 2, 3, …N

Для нахождения скользящего среднего в окрестности точки fi берем среднее арифметическое от K предыдущих и K последующих точек, включая и fi  . Таким же образом производим обработку для всех значений i. В результате вычисляем новый массив gi:

или

Точки из интервала 2К+1, используемые при вычислении скользящего среднего,  могут суммироваться с различными весовыми коэффициентами.

Целесообразность весового суммирования может быть вызвана тем, что, чем ближе суммируемая точка к точке с номером i, тем выше ее значимость, а с ее отдалением влияние ее на точку с номером i yменьшается.

Чтобы не исказить масштаб усредняемой функции, весовые коэффициенты нужно выбирать так, чтобы они удовлетворяли условию:

В качестве весовой функции обычно используется функция Гаусса, приведенная на рис. 1.7.

                        Рис. 1.1. Пример весовой функции

Цифровой низкочастотный фильтр

Для фильтрации высокочастотного шума может быть применен фильтр низких частот (ФНЧ). Частотная характеристика  ФНЧ первого порядка выражается как

          

Для фильтрации сигнала нужно вычислить частотный спектр сигнала с помощью преобразования Фурье, затем перемножить частотный спектр сигнала и частотную функцию фильтра и выполнить обратное преобразование Фурье. Второй способ – вычислить импульсную переходную характеристику фильтра (реакцию на единичный импульс), затем выполнить операцию свертки входного сигнала с импульсной переходной характеристикой фильтра.

В программах обработки дискретизированных сигналов, представленных в форме числовых массивов, цикл

for k=1:N

x(k) = A*sin(2*pi*KP1*k/N);

end

создает KP1 периодов дискретизированного синусоидального сигнала в числовом массиве, содержащем N значений. Понятие частоты в этом случае отсутствует и появляется только в том случае, если задать шаг дискретности по времени.

Аналогично этому, в результате выполнения быстрого преобразования Фурье

I=1:N;

X1=fft(x,N);

мы получаем числовой массив X1, который будет содержать N элементов, причем информативной будет только первая половина массива, вторая будет зеркально отображать первую половину. В первой половине массива X1, содержащей N/2 элементов, будет представлен «частотный» спектр. Спектр будет отражать не частоту сигнала, установить которую по числовому массиву, представляющему сигнал во временной области, невозможно, а количество периодов. Т.е. в приведенном выше примере «всплеск» в массиве частотной области будет в элементе с номером KP1. Таким образом, массив частотной области укажет на количество периодов сигнала во временной области.

Частотная характеристика линейного фильтра низких частот может быть вычислена следующим образом:

for  i=1:N     

H(i)=1/((1+j*i/NC));  

end

Здесь NC - полоса пропускания фильтра по уровню 0,7 амплитуды выражена в количестве отчетов спектра БПФ, пропускаемых фильтром. Остальные отсчеты в массиве частотного спектра будут ослабляться по амплитуде. Таким образом,  понятие постоянной времени фильтра, равно как и полосы пропускания, при дискретизированном представлении линейного фильтра отсутствует.

Ниже приведена программа фильтрации сигналов..

%Низкочастотный фильтр

A=20; %амплитуда сигнала

Q=5; %амплитуда шума

KP=12;% - количество периодов  сигнала

N=1024;%количество точек расчета

NC=12; %NC - полоса пропускания фильтра по уровню 0,7 амплитуды

% выражена в количестве отчетов спектра БПФ, пропускаемых % фильтром. Остальные отсчеты (в частотном спектре!) будут %ослабляться по амплитуде            

for k=1:N % генерация сигнала и шума

s(k) = A*sin(2*pi*KP1*k/N);

q(k)=Q*(randn(size(N))); %шум

x(k)=s(k)+q(k); % суммирование сигнала и шума

end

for i=1:N    

H(i)=1/((1+j*i/NC)); %передаточная функция простого фильтра

%в частотной области

end

i=1:N;

X1=fft(x,N); %частотный спектр сигнала с шумом

Z=ifft(X1.*H);   %свертка зашумленного сигнала с частотной

%характеристикой фильтра

 

На рис. 1.8 приведен пример зашумленного сигнала, его частотного спектра, частотная характеристика фильтра в полулогарифмическом масштабе и сигнал после фильтра.

                   А                                                                    Б

                   

                         В                                                                 Г

Рис.1.8. Исходный сигнал с шумом (А), его частотный спектр (Б), частотная характеристика фильтра в полулогарифмическом масштабе (В) и сигнал после фильтра (Г).


Низкочастотный фильтр может быть не только первого, но и второго, третьего и т.д. порядка. В общем случае передаточная характеристика фильтра
m-го порядка имеет вид:

Недостатком «простого НЧ-фильтра» является наличие амплитудных, частотных и фазовых искажений сигнала в полосе пропускания.

Более высокое качество фильтрации обеспечивают фильтры Бесселя, Баттерворта, Чебышева.

Фильтр Бесселя сконструирован так, чтобы запаздывание сигнала на всех частотах было одинаковым. Т.о. фильтр Бесселя не искажает форму сигнала, спектр которого лежит в полосе пропускания.

Фильтр Баттерворта

где  - относительная частота среза, - частота среза.

      n – порядок фильтра.

Этим обеспечивается масимально плоская АЧХ в полосе пропускания.

Фильтр Чебышева

- постоянный коэффициент, определяющий степень неравномерности АЧХ в полосе пропускания,

Тn – полином Чебышева 1-го рода n-го порядка.

Этим обеспечивается максимальное подавление шумов вне полосы пропускания (за счет максимальной крутизны спада АЧХ фильтра) при некоторой, задаваемой коэффициентом , неравномерности АЧХ в полосе пропускания.

Фильтрация шумов с использованием прямого и обратного БПФ

В том случае, когда частотные спектры сигнала и шума не перекрываются, фильтрация шума может быть произведена путем выполнения БПФ, обнуления спектральных линий шума и последующего обратного БПФ.

%Программа БПФ. Сигнал содержит две частотные составляющие.

Fs = 1000;                    % Sampling frequency

T = 1/Fs;                     % Sample time

L = 1000;                     % Length of signal

t = (0:L-1)*T;               % Time vector  

N=1024;

              

% Sum of a 50 Hz sinusoid and a 120 Hz sinusoid

x = 0.7*sin(2*pi*50*t) + sin(2*pi*120*t);

y = x + 2*randn(size(t));     % Sinusoids plus noise

Y = fft(y,N)/L;

f = Fs/2*linspace(0,1,N/2);

 

% Plot single-sided amplitude spectrum.

figure

plot(f,2*abs(Y(1:N/2)))

title('Single-Sided Amplitude Spectrum of y(t)')

xlabel('Frequency (Hz)')

ylabel('|Y(f)|')

На рис. 1.11 приведен результат работы программы.

 

Рис. 1.11. Зашумленный сигнал, представляющий сумму двух синусоидальных сигналов разных частот (50Гц и 120 Гц) (А) и частотный спектр, полученный с помощью БПФ.

Если теперь обнулить участки спектра от 0 до 40, от 55 до 110 и от 125 до 500, а затем выполнить обратное преобразование БПФ (ifft), то получим спектр и сигнал, представленные на рис. 1.12.                                  А                                                                     Б

 

Рис. 1.12. Частотный спектр после удаления спектральных составляющих шума (А) и восстановленный с помощью обратного преобразования Фурье сигнал (Б)

Текст программы фильтрации помех с помощью прямого и обратного преобразования Фурье приведен ниже.

%Программа фильтрации помех с использованием БПФ-ОБПФ

Fs = 1000;                    % Sampling frequency

T = 1/Fs;                     % Sample time

L = 1000;                     % Length of signal

t = (0:L-1)*T;                % Time vector

% Sum of a 50 Hz sinusoid and a 120 Hz sinusoid

x = 1*sin(2*pi*50*t) + sin(2*pi*120*t);

y = x + 0.2*randn(size(t));     % Синусоиды+шум

%N = 2^nextpow2(L); % Next power of 2 from length of y

N=1024;

Y = fft(y,N)/L;%вычисление спектра сигнала с шумом

for i=1:N %"вырезание" спектральных составляющих шума

if (i>125)|(i<40)|((i>55)&(i<110))

   Y(i)=0;

end 

end

f = Fs/2*linspace(0,1,N/2);

%восстановление исходного сигнала после "вырезания"

%спектральных составляющих шума

z=ifft(Y);

f = Fs/2*linspace(0,1,N);

PAGE  7


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29257. ФУНКЦИИ КУЛЬТУРЫ 33.5 KB
  совокупность ролей которые выполняет культура по отношению к сообществу людей. Четвертый и последующие уровни функций культуры связаны с дифференциацией культуры на специализированные функциональные сегменты: экономическая культура военная культура культура торговли религиозная культура педагогическая культура и т. системы критериев качества осуществления тех или иных социальных функций культура труда и потребления культура быта культура языка культура научного мышления культура худож.
29258. Йохан Хейзинга (1872-1945) 46 KB
  Игра старше культуры игра предшествует культуре игра творит культуру таков лейтмотив концепции Хейзинги. Свой интерес к человеку играющему Хейзинга обосновывает следующим образом: люди оказались не столь разумными как наивно внушал светлый 18 век в своем почитании Разума. Человек играющий выражает такую же существенную функцию жизнедеятельности как и человек созидающий и должен занять свое место рядом с Homo faber.
29259. Христианский тип культуры 31 KB
  Православие как культурноисторический феномен. В целом несмотря на большое влияние Византии русская культура уже с первых шагов своего развития обнаруживает заметные черты своеобразия это проявилось и двоеверии причудливом сплаве который образовало греческое православие и славянское язычество и в многоглавии первых русских соборов и в эпосе и в самом строе повседневной жизни оставшемся неизменным у подавляющего большинства населения. Православие хочет быть полным откровением христианства. По своему внутреннему упованию православие...
29261. Элитарная и массовая культура 36.5 KB
  Когда уровень образования населения растет круг потребителей высокой культуры расширяется. Одни и те же виды искусства могут принадлежать высокой и массовой культуре: классическая музыка высокой а популярная музыка массовой фильмы Феллини высокой а боевики массовой картины Пикассо высокой а лубок массовой. Однако существуют такие жанры литературы в частности фантастика детективы и комиксы которые всегда относят к популярной или массовой культуре но никогда к высокой. Органная месса Баха относится к высокой культуре но...
29262. Немецкий философ Карл Ясперс 40.5 KB
  Он также отвергал и материалистическое толкование истории марксизмом утверждая что в истории культуры значительную роль играют не экономические факторы а духовные. Марксом Ясперс отстаивает приоритет духовной составляющей в истории культуры а в полемике со Шпенглером утверждает ее единство. Таким образом Ясперс возвращается к линейной схеме истории культуры. Рисуя схему мировой истории К.
29263. Ментальность как ядро культурно-исторического типа 31.5 KB
  Культурные картины мира. КАРТИНА МИРА система интуитивных представлений о реальности. Каждому отрезку исторического времени соответствует своя картина мира. Можно выделить универсальную картину мира свойственную всему человечеству.
29264. Межкультурные коммуникации 35.5 KB
  Необходимыми условиями и структурными компонентами социокультурной коммуникации является наличие общего языка у субъектов коммуникации каналов передачи информации правил осуществления коммуникации семиотических этических. Однако собственно коммуникативными являются лишь действия осуществляемые со специальной целью коммуникации т. По его мнению все участники коммуникации ориентируются на обобщенные интерсубъективно понятые нормы коммуникации что в совокупности с коммуникативной компетентностью и наличием рациональных мотивов делает...
29265. Конфуцианско-даосский тип культуры 36.5 KB
  Первая её основа учения Конфуция а вторая даосизм учение даосов а также буддизм но он отличается от индийского. Конфуцианство учение Конфуция китайского мудреца он жил в VIV веках до н. Конфуций создал учение об идеальном человеке учение о благородном муже он должен быть гуманным милосердным почтительным честным и т. Таким образом конфуцианство это скорее этическое учение чем религия но это учение и о государстве .