СОДЕРЖАНИЕ

Введение		3
1	Обзор методов цифровой обработки сигналов
1.1	Цели цифровой обработки сигналов	4
1.2	Методы обработки цифровых сигналов	5
1.3	Устройства цифровой обработки сигналов	7
1.4	Применение цифровой обработки сигналов в телекоммуникации	9
2	Анализ методов цифровой фильтрации в обработке сигналов
2.1	Свойства цифровых фильтров	15
2.2	Структура цифровых фильтров	21
		30
2.4	Методы синтеза цифровых фильтров
3	Синтез и моделирование цифрового фильтра в программной среде MATLAB
3.1 3.2 3.3 4 4.1 4.2 4.3 4.4 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5	Применение системы MATLAB для синтеза цифровых фильтров Синтез и моделирование цифровых фильтров в среде MATLAB Синтез и моделирование цифровых фильтров нижних частот в среде MATLAB Экономическая часть Обоснование тем с элементом научно-исследовательского характера Расчет проделанной работы Затраты на материалы Затраты на спецоборудование Охрана труда и промышленная экология Характеристика производственного объекта Анализ опасных и вредных производственных факторов Мероприятия по технике безопасности во время работы Мероприятия по технике безопасности в аварийных ситуациях Расчеты, подтверждающие или обеспечивающие безопасные условия труда	31

ВВЕДЕНИЕ

.

В настоящее время область применения ЦОС расширяется. Кроме традиционных областей таких как связь, радиолокация, радиоуправление, телевидение, автоматика, где обработка сигналов является необходимым условием функционирования системы, ЦОС находит применение во многих новых областях как разведка нефтяных и газовых месторождений, биомедицина, метеорология, гидролокация, биомедицина.

Важное место среди методов ЦОС занимает цифровая фильтрация. В связи с широким использованием микроконтроллеров, цифровая фильтрация стала одним из наиболее мощных инструментальных средств ЦОС.

Основными целями фильтрации является улучшение качества сигнала: устранение или снижение помех, извлечение из сигналов информации или разделение нескольких сигналов, объединенных ранее для эффективного использования доступного канала связи. Цифровую обработку сигналов осуществляют цифровые фильтры.

Проектирование устройств цифровой обработки сигналов может осуществляться при наличие математического и программного обеспечений, а также технических средств. Современные тенденции в проектировании устройств цифровой обработки сигналов связаны с разработкой цифровых устройств и программного продукта: она все больше сводится к компьютерному моделированию. Особенностью устройств цифровой обработки сигналов является то, что программные части данных устройств создаются непосредственно в процессе компьютерного моделирования, поэтому овладение современными технологиями компьютерного моделирования является актуальной задачей. К таким технологиям относится получившая широкое распространение в мире программная среда MATLAB, созданная компанией TheMathWorks, Inc.

На основе программных средств в MATLAB разработаны программы, представляющие собой средства, предназначенные для моделирования путем интерактивного общения без прямого доступа к программным средствам с графическим выводом результатов. Для моделирования цифровых фильтров разработаны две программы GUI -FDAToolи SPTool.

Целью дипломного проекта является синтез и моделирование низкочастотного цифрового фильтра с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ) с помощью пакета программ MATLAB.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

– обзор методов цифровой обработки сигналов;

- анализ методов цифровой фильтрации;

– исследование методов синтеза БИХ фильтров;

– моделирования цифровых фильтров в среде MATLAB .

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ

1. Цели и задачи цифровой обработки сигналов

По своей природе все сигналы являются аналоговыми, будь-то сигнал постоянного или переменного тока, цифровой или импульсный. В природе все измеримые физические величины представляются аналоговыми сигналами. Аналоговые сигналы характеризуются электрическими переменными, скоростью их изменения, энергией или мощностью. Для преобразования других физических величин, например, температуры, давленият в электрические сигналы используются датчики.

В случае цифровой обработки сигналов (ЦОС) аналоговый сигнал преобразуется в двоичную форму устройством, которое называется аналого-цифровым преобразователем(АЦП). На выходе АЦП получается двоичное представление аналогового сигнала, которое затем обрабатывается арифметическим цифровым сигнальным процессором (DSP). После обработки содержащаяся в сигнале информация может быть преобразована обратно в аналоговую форму с использованием цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) [1,2,3].

Ключевой концепцией в определении сигнала является тот факт, что сигнал всегда несет в себе некоторую информацию. Это ведет к ключевой проблеме обработки физических аналоговых сигналов – проблеме извлечения информации.

Главная цель обработки физических сигналов заключается в необходимости получения содержащейся в них информации. Эта информация обычно присутствует в амплитуде сигнала, в частоте или в спектральном составе. Как только желаемая информация будет извлечена из сигнала, она может быть использована различными способами.

Следующая причина обработки сигналов заключается в сжатии полосы частот сигнала с последующим форматированием и передачи информации на пониженных скоростях, что позволяет сузить требуемую полосу пропускания сигнала.

В некоторых случаях в сигнале, содержащем информацию, присутствует шум и основной целью является восстановление сигнала. Такие методы как фильтрация, авкорреляция, свертка часто используются для выполнения этой задачи и в аналоговой , и в цифровой областях.

Сигналы могут быть обработаны с использованием аналоговых методов (аналоговой обработки сигналов), цифровых методов (цифровой обработки сигналов) или комбинации аналоговых и цифровых методов (комбинированной обработки сигналов).

Главное отличие цифровой обработки сигналов заключается в высокой скорости и эффективности выполнения сложных функций цифровой обработки, таких как фильтрация, сжатие данных.

Комбинированная обработка сигналов подразумевает, что выполняется и аналоговая и цифровая обработка. Такая система может быть реализована в виде печатной платы, гибридной интегральной схемы (ИС) или отдельного кристала с интегрированными элементами. АЦП и ЦАП рассмариваются как устройства комбинированной обработки сигналов, так как в каждом из них реализованы и аналоговые, и цифровые функции. Оздание микросхем с очень выокой степенью интеграции позволяют осуществлять комплексную обработку на одном кристале.

Невозможно обработать физические аналоговые сигналы, используя только цифровые методы, так как датчики,являются аналоговыми устройствами. Поэтотму некоторые виды сигналов требуют наличия цепей нормализации для дальнейшей обработки сигналов аналоговым и цифровым методом.

Цепи нормализации сигнала – это аналоговые схемы, выполняющие такие функции, как усиление, накопление, обнаружениесигнала на фонеи шума, динамическое сжатие диапазона и фильтрация.

1.2 Методы цифровой обработки сигналов

В современной жизни электронное оборудование часто используется в различных областях, таких как связь, транспорт, развлечения и т.д. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) являются очень важными компонентами электронного оборудования. Поскольку большинство сигналов реального мира являются аналоговыми, эти два преобразующих интерфейса необходимы для того, чтобы цифровое электронное оборудование могло обрабатывать аналоговые сигналы. В качестве примера рассмотрим обработку аудиосигнала на рисунке 1.2, АЦП преобразует аналоговый сигнал, собранный аудиовходом, например микрофоном, в цифровой сигнал, который может обрабатываться компьютером. Компьютер может добавить звуковые эффекты, такие как эхо, и отрегулировать темп и высоту музыки. ЦАП преобразует обработанный цифровой сигнал обратно в аналоговый сигнал, который используется оборудованием вывода звука, таким как динамик.

Рисунок 1.1- Обработка аудиосигналов

ЦАП можно построить, используя в качестве входов сумматорный усилитель и набор резисторов R, 2R, 4R и 8R, рисунке 1.2. Резисторы масштабируются для представления весов для разных входных битов.

Рисунок 1.2- Усилитель суммирования, функционирующий как простой ЦАП

В электронике аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство для преобразования аналогового сигнала (тока, напряжения и т. д.) В цифровой код, обычно двоичный. В реальном мире большинство сигналов, воспринимаемых и обрабатываемых людьми, являются аналоговыми сигналами. Аналого-цифровое преобразование является основным средством, с помощью которого аналоговый сигнал преобразуется в цифровые данные, которые могут обрабатываться компьютерами для различных целей.

Существует много типов АЦП для различных приложений. Самым недорогим типом АЦП является АЦП последовательной аппроксимации. На рисунке 4 показана кривая передачи 4-разрядного АЦП. Внутри АЦП с последовательной аппроксимацией серия цифровых кодов, каждая из которых соответствует фиксированному аналоговому уровню, последовательно генерируются внутренним счетчиком для сравнения с аналоговым сигналом при преобразовании. Генерация останавливается, когда аналоговый уровень становится просто больше аналогового сигнала. Цифровой код соответствует аналоговому уровню - желаемое цифровое представление аналогового сигнала.

Производительность АЦП и ЦАП в основном зависит от их разрешения и скорости. Скорость преобразователя выражается частотой выборки. Это количество раз, когда преобразователь производит выборку аналогового сигнала, его единица измерения - Герц (Гц). При обработке аудиосигналов в основном используются частоты дискретизации 44 кГц, 22 кГц и 11 кГц. Частота дискретизации 44 кГц означает, что преобразователь осуществляет выборку аналогового аудиосигнала и выполняет аналого-цифровое преобразование со скоростью 44000 раз в секунду. Чем выше частота дискретизации, тем ниже искажение и тем лучше качество звука.

АЦП используются практически везде, всякий раз, когда необходимо передать аналоговый сигнал, он обрабатывается и хранится в цифровой форме. Они всегда используются вместе с различными преобразователями для преобразования физического смысла и измерения, таких как температура, давление, влажность, скорость, вибрация, звук, изображение и т. Д. В цифровой сигнал для дальнейшей обработки микропроцессором.

Большинство сигналов, непосредственно встречающихся в науке и технике, являются непрерывными: интенсивность света, которая изменяется с расстоянием; напряжение, которое изменяется со временем; Скорость химической реакции, которая зависит от температуры и т. д. Аналого-цифровое преобразование (АЦП) и цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) - это процессы, которые позволяют цифровым компьютерам взаимодействовать с этими повседневными сигналами. Цифровая информация отличается от ее непрерывного аналога в двух важных аспектах: она дискретизируется и квантуется. Оба эти параметра ограничивают объем информации, которую может содержать цифровой сигнал.