99118

Расчет цифрового фильтра

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Фильтр - это система или отдельное устройство избирательно меняющее форму сигнала. Основными целями фильтрации является улучшение качества сигнала (например, устранение или снижение помех), извлечение из сигналов информации. Цифровой фильтр является математическим алгоритмом, обозначающим определенную аппаратную или программную процедуру для фильтрации дискретных сигналов.

Русский

2016-07-31

524.39 KB

11 чел.

Министерство транспорта Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Кафедра «АТС»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«РАСЧЕТ ЦИФРОВОГО ФИЛЬТРА»

КР 21 0700.62     12     239

Выполнил:  

Проверил: Стафеев А.В.

Хабаровск

2014

Оглавление

Введение 3

Вариант задания 4

1. расчет нерекурсивного цифрового фильтра 4

1.1. Теоретические сведения 4

1.2. Расчёт коэффициентов фильтра 5

1.3. Построение АЧХ фильтра 6

1.4. Разностное уравнение фильтрации 6

5. Построение структурной схемы фильтра 8

1.6. Расчёт коэффициентов фильтра с использованием оконной функции 9

1.7. Построение АЧХ фильтра при использовании оконной функции 10

1.8. Проверка расчётов при помощи подпрограммы fdatool 11

2. расчет рекурсивного цифрового фильтра 12

2.1 Теоретические сведения 12

2.2 Построение коридора допусков АЧХ фильтра 13

2.3 Расчёт коэффициентов фильтра, АЧХ и импульсной характеристики в программе fdatool 14

2.4 Структурная схема фильтра 16

3. Моделирование работы рекурсивного ЦФ 16

3.1 Выбор частот генераторов 17

Вывод 19


Введение

Фильтр - это система или отдельное устройство избирательно меняющее форму сигнала. Основными целями фильтрации является улучшение качества сигнала (например, устранение или снижение помех), извлечение из сигналов информации.

Цифровой фильтр является математическим алгоритмом, обозначающим определенную аппаратную или программную процедуру для фильтрации дискретных сигналов.

В данной курсовой работе рассматриваются работа цифровых рекурсивного и не рекурсивного фильтров, расчёт и проектирование производится при помощи программы MatLab и её подпрограмм: fdatool, wintool и Simulink.


Вариант задания

Вариант 12

Параметры нерекурсивного фильтра:

Тип фильтра

Fср, кГц

Fд, кГц

Вид оконной функции

Порядок фильтра

ФВЧ

6

48

Блэкмана

14

Параметры рекурсивного фильтра:

Тип фильтра

Вид фильтра

Неравномерность в ПП

Затухание Astop

Частота wstop

Частота wpass 

ФНЧ

Эллиптический

5

40

0,45

0,35

1. расчет нерекурсивного цифрового фильтра

1.1. Теоретические сведения

Нерекурсивные фильтры  описываются разностным уравнением, в котором выходная величина y[k] выражается только через конечное число значений входного сигнала x[k]. Нерекурсивный цифровой фильтр сохраняет информацию о входном сигнале за конечное число шагов — его импульсная характеристика конечна, а передаточная функция имеет вид ряда по степеням z (который включает и отрицательные показатели).

Нерекурсивный цифровой фильтр второго порядка описывается разностным уравнением y[k] = b0x[k] + b1x[k – 1] + b2x[k – 2]…, его передаточная функция H(z) = b0 + b1z–1 + b2z–2…, а импульсная характеристика определяется коэффициентами, b[m] = b0b1b2...

По известным значениям коэффициентов разностного уравнения ak и bk цифровой фильтр 2-го порядка может быть реализован с помощью умножителей, сумматоров и блоков задержки.

Рис. 1. Пример цифрового нерекурсивного фильтра 2-го порядка

1.2. Расчёт коэффициентов фильтра

>> m=(-7:7)’;   % Преобразование строки матрицы коэффициентов в столбец

>> b=(sinc(m/4))/4;   

b =

  - 0.0322    -0.0531    -0.0450         0   0.0750   0.1592   0.2251    0.2500   0.2251   0.1592   0.0750         0    -0.0450    -0.0531    -0.0322

Полученные коэффициенты соответствуют ФНЧ, для получения коэффициентов ФВЧ знаки меняем на противоположные, а центральный коэффициент равен           1-0.25=0.75

b =

   0.0322    0.0531    0.0450         0   -0.0750   -0.1592   -0.2251    0.7500   -0.2251   -0.1592   -0.0750         0    0.0450    0.0531    0.0322

>> impz(b) % Вывод графика коэффициентов b, совпадающих с импульсной характеристикой

Рис. 2. График коэффициентов b

1.3. Построение АЧХ фильтра

>> figure

>> [h,f]=freqz(b,1,[],2);

>> plot(f,20*log10(abs(h)));

>> ylim([-50 10])

>> grid on

Рис. 3. График АЧХ

1.4. Разностное уравнение фильтрации

Уравнение передаточной функции нерекурсивного фильтра имеет вид:

В нашем случае:

Уравнение фильтрации:

 

С учётом полученных значений коэффициентов:

Разностное уравнение:

1.5. Построение структурной схемы фильтра

Рис. 4. Структурная схема фильтра

1.6. Расчёт коэффициентов фильтра с использованием оконной функции

>> wintool

Initializing Window Design & Analysis Tool ..... done.

b1=b.*blackman(15)’

b1 =

 Columns 1 through 7

        0    0.0010    0.0041         0   -0.0344   -0.1137   -0.2072

 Columns 8 through 14

   0.2500   -0.2072   -0.1137   -0.0344         0    0.0041    0.0010

 Column 15

        0

>> impz(b1)

Рис. 5. График коэффициентов b1

Рис. 6. Временная и частотная область оконной функции Блэкмана

1.7. Построение АЧХ фильтра при использовании оконной функции

figure

[h1,f]=freqz(b1,1,[],2);               % Расчёт АЧХ, а=1 и нормирование от 10 до 1(2π)

plot(f,20*log10(abs(h1)))           % Построение графика модуля АЧХ

ylim([-130 10])

Рис. 7. АЧХ нерекурсивного цифрового фильтра при использовании оконной функции Блэкмана

1.8. Проверка расчётов при помощи подпрограммы fdatool

Рис. 8. Коэффициенты нерекурсивного фильтра,полученные в программе Fdatool 

Рис. 9. АЧХ нерекурсивного цифрового фильтра,

полученная в программе Fdatool

2. расчет рекурсивного цифрового фильтра

2.1 Теоретические сведения

Рекурсивные фильтры — описываются уравнением, в котором выходная переменная y[k] выражается не только через значения входного сигнала x[n], но и через предшествующие значения выходного сигнала y[k – m]. Сюда, например, относится разностное уравнение u2[k + 1] = u2[k ] e-T/u1[k ][h(T) – h(– Tи)], описывающее преобразование прямоугольных сигналов -цепью, а также дискретные модели любых других аналоговых динамических систем (в частности, электрических цепей).

Информация, поступившая на вход рекурсивного фильтра, сохраняется в нем бесконечно долго; он имеет бесконечную по длительности импульсную характеристику и описывается передаточной функцией в виде рациональной дроби. Максимальная разность индексов переменных в разностном уравнении, который отвечает разность степеней z в числителе и знаменателе передаточной функции, определяет порядок цифрового фильтра.

Рекурсивный цифровой фильтр второго порядка описывается разностным уравнением f2[n] = a0f1[n] + a1f1[n – 1] + a2f1[n – 2] + b1f2[n – 1] + b2f2[n – 2],

а его передаточная функция — .

Рис. 10. Блок-схема цифрового рекурсивного фильтра 2-го порядка

2.2 Построение коридора допусков АЧХ фильтра

Для построения коридора допусков используем подпрограмму fdatool

Рис. 11. Коридор допусков АЧХ фильтра

2.3 Расчёт коэффициентов фильтра, АЧХ и импульсной характеристики в программе fdatool

Рис.12 АЧХ фильтра

Рис. 13. Импульсная характеристика фильтра


Коэффициенты передаточной функции цифрового рекурсивного фильтра нижних частот:

Уравнение передаточной функции рекурсивного фильтра имеет вид:

С учётом полученных значений коэффициентов уравнение примет вид:

Разностное уравнение:

 0,0349*(x(k)+0,547x(k-1)+1,619x(k-2)+0,547x(k-3)+x(k-4))+2,285x(k-1)-2,882x(k-2)+1,893x(k-3)-0,638x(k-4)

2.4 Структурная схема фильтра

3. Моделирование работы рекурсивного ЦФ

Рис. 16. Свойства модели рекурсивного фильтра

Рис. 17. Модель работы цифрового рекурсивного фильтра

3.1 Выбор частот генераторов

Используем три генератора sin сигналов. Один с частотой пропускания фильтра, два других с частотами, попадающими в полосу непропускания цифрового фильтра. Для задания частот генераторов примем частоту дискретизации равной 40 КГц.

Исходя из полученных значений, выбираем частоты генераторов:

После запуска модели получаем изображения спектров, показанные на Рис. 18,19.

Рис. 18. Спектр сигнала до цифрового фильтра

Рис. 19. Спектр сигнала после прохождения цифрового фильтра

Таким образом, частоты первого и второго генераторов не исчезли, но их амплитуды значительно уменьшились. Из этого следует, что работа фильтра подтверждена, сигналы с частотой менее fstop отфильтровываются.

Вывод

В данной курсовой работе были изучены принципы работы цифровых фильтров (рекурсивного и нерекурсивного), рассчитаны коэффициенты их передаточных функций и составлены разностные уравнения по которым были построены структурные схемы.

Для нерекурсивного фильтра в программе MatLab были построены АЧХ и спектральная характеристика, после чего были получены коэффициенты и АЧХ при помощи оконной функции. Подтвердилась целесообразность применения оконной функции для улучшения АЧХ фильтров.

Расчёт и моделирование рекурсивного фильтра были произведены при помощи подпрограмм fdatool и Simulink. По полученным коэффициентам составлено разностное уравнение и построен рекурсивный фильтр 6-ого порядка, структурная схема которого представленна на Рис. 15. По результатам моделирования было подтверждено, что фильтр действительно работает и уменьшает амплитуду сигналов с частотой ниже частоты непропускания.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71706. Модуляция 602 KB
  Определить зависимость качества модуляции сигнала от уровня шума. Исходные данные На рисунке 1 представлена Sмодель: Модуляция гармонических колебаний которая позволяет изменять тип модуляции ее параметры например частоту а также параметры канала связи...
71707. Доступ к базам данных из программ на языке Java 378 KB
  Операции с данными в SQL Операции с данными позволяют получить значения одно нескольких или всех полей базы данных а также добавлять или удалять записи строки из таблицы либо изменять значения полей таблицы.
71708. Редактирование новости 50.5 KB
  Состоялся благотворительный аукцион в пользу Анисимовского детского дома Около 150 тысяч рублей которые удалось выручить организаторам аукциона администрация Анисимовского детского дома Детский дом Анисимовский МОУ Детский дом для детей оставшихся без попечения родителей...
71709. Команды изменения данных 60.5 KB
  При создании и дальнейшем сопровождении базы данных обычно возникает задача добавления новых и удаления ненужных записей а также изменения содержимого ячеек таблицы. Запросы начинающиеся с этих ключевых слов не возвращают данные в виде виртуальной таблицы...
71710. Определение данных 85 KB
  Для создания таблицы необходимо указать ее имя и определить столбцы. Определение столбца включает его имя и тип. Если указывается длина столбца, то она заключается в круглые скобки после типа. Кроме того, можно указать ограничения для столбца.
71711. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ОТВЕРЖДЕНИЯ ЛАКОКРАСОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ 465.5 KB
  Метод основан на способности лакокрасочных покрытий в зависимости от степени отвержения удерживать на своей поверхности стеклянные шарики или бумагу при заданной нагрузке и заключается в определении времени в течение которого жидкий лакокрасочный слой превращается пленку с требуемой степенью высыхания.
71713. Программирование линейных алгоритмов. Работа с отладчиком 1.58 MB
  Линейная программа Если в программе все операторы выполняются последовательно, один за другим, такая программа называется линейной. Рассмотрим в качестве примера программу, вычисляющую результат по заданной формуле.
71714. Предварительная обработка статистических данных 111 KB
  Предварительная обработка статистических данный включает в себя: Сортировку данных по величине представление их в виде вариационного ряда; Вычисление основных числовых характеристик выборки: выборочного среднего выборочной дисперсии исправленной выборочной дисперсии и дополнительных...