Радиотехнические цепи и сигналы. Часть 2 Дискретная обработка сигналов и цифровая фильтрация
.pdf
Н.А.Каратаева
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕЦЕП ИСИ ГНАЛЫ
Часть2
Дискретнаяобработкасигналов цифроваяфильтрация
|
Учебнпособие |
|
|
xn |
a0 |
|
yn |
|
Σ |
|
|
z–1 |
a1 |
b1 |
z–1 |
z–1 |
aM |
bN z–1 |
ТОМСК − 2012
Министерствообр |
азования инауки |
РоссийскойФедерации |
|
Федеральноего |
сударственбюджетноеобразовательноеучр ждение |
|
|
|
высшегопрофессиональногообразования |
|
|
ТОМСКИЙГОСУДАРУНИВЕРСИТЕТТВЕННЫЙ |
СТЕМ |
||
УПРАВЛЕНИЯРАДИОЭЛЕКТРОНИКИТУСУР( ) |
|
||
Н.А. Каратаева
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕЦЕП ИСИ ГНАЛЫ
Часть2
Дискретнаяо бработкасигналов цифроваяфильтрация
Учебноепособие
2012
Рецензент: |
|
А.В.Пуговкин |
|
|
|
ПрофессоркафедрыТОРТУСУР,.т.н. |
|
|
|
||
Корректор: |
|
|
|
|
|
КаратаеваН.А. |
|
|
|
|
|
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕЦЕП |
ИСИГНАЛЫ |
.Дискобрсиетнаяаботка |
|
г- |
|
наловицифировая |
льтрация:Учебноепособие. |
– Томск: гоский |
у- |
||
дарственныйуниверссистемуправлениярадиоэлектроникитетТ( |
|
|
|
У- |
|
СУР), 2012. – 257с. |
|
|
|
|
|
Изложеныосновныеопределениякомментариидискретнойобработкесигналов |
|
|
|
,ан а- |
|
лисинтезуцифровыхильтров.Приведе |
|
нывариантызадач,рассмотрены |
примерырасчета |
. |
|
Пособие предназначено длястудвсехфнтовбученрм,изучающихдисциплинуяР« |
|
|
а- |
||
диотехническиецеписигналы». |
|
|
|
|
|
Разрабоэлеквет:рчикисионной |
|
|
|
|
|
АлексееваМ.Я.Архипов, П..Б, рашков.Ю., |
|
|
|
|
|
ПлатоновА.В., |
ФилипповК.Н. |
|
|
|
|
КаратаеваН.А., |
2012 |
4
1 |
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................ |
9 |
2 ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КОММЕНТАРИИ К |
|
|
ДИСКРЕТНОЙ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ ................................................... |
11 |
|
2.1 |
Дискретизация сигналов ......................................................................... |
11 |
2.2 |
Дискретизация сигналов по частоте ..................................................... |
12 |
2.3 |
Дискретизация сигналов по времени.................................................... |
15 |
2.4 |
Ряд и теорема Котельникова .................................................................. |
20 |
2.5 |
Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) .......................................... |
21 |
2.6 |
Прямое и обратное Z-преобразования .................................................. |
25 |
3 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ К ДИСКРЕТНОЙ ОБРАБОТКЕ |
||
СИГНАЛОВ ........................................................................................................... |
30 |
|
3.1 |
Расчет спектральной плотности аналогового сигнала ..................... |
30 |
3.2 |
Дискретизация аналогового сигнала по времени .............................. |
32 |
3.3 |
Расчет спектральной плотности дискретизированного сигнала .... |
33 |
3.4 |
Расчет коэффициентов ДПФ................................................................... |
34 |
3.5 |
Восстановление исходного сигнала по ДПФ ....................................... |
37 |
3.6 |
Z-преобразование дискретной последовательности .......................... |
38 |
3.7Восстановление аналогового сигнала использованием ряда
Котельникова ........................................................................................................ |
40 |
3.8 Задачи для самостоятельного решения ................................................ |
41 |
4 ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ И |
|
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК .................................................. |
44 |
4.1Описание алгоритмов работы трансверсальных (ТЦФ) и
рекурсивных (РЦФ) фильтров |
...........................................................................44 |
4.2Определение системных функций и построение структурных схем
ТЦФ и РЦФ ............................................................................................................ |
45 |
4.3 Расчет частотных характеристик цифровых фильтров ................... |
48 |
|
5 |
|
4.4 Расчет временных характеристик цифровых фильтров .................. |
49 |
|
4.4.1 |
Расчет импульсной характеристики ЦФ .......................................... |
49 |
4.4.2 |
Расчет переходной характеристики ЦФ............................................ |
50 |
4.5Расчет дискретной последовательности на выходе цифрового
фильтра................................................................................................................... |
51 |
|
4.6 |
Устойчивость цифровых фильтров ...................................................... |
52 |
4.7 |
Соединение цифровых фильтров........................................................... |
53 |
4.8 |
Задачи для самостоятельного решения ................................................ |
54 |
5 |
СИНТЕЗ ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ .......................................................... |
64 |
5.1Синтез ЦФ методом билинейного Z-преобразования передаточной
функции известного аналогового фильтрапрототипа................................ |
64 |
|
5.2 |
Синтез ЦФ по импульсной характеристике известного аналогового |
|
фильтра-прототипа (метод инвариантности импульсной |
|
|
характеристики).................................................................................................... |
67 |
|
5.3 |
Пример анализа линейной электрической цепи (ЛЭЦ) .................... |
70 |
5.3.1 Расчет передаточной функции ЛЭЦ................................................... |
70 |
|
5.3.2 Расчет и построение частотных характеристик .............................. |
70 |
|
5.3.3 Расчет и построение временных характеристик ЛЭЦ ................... |
72 |
|
5.4Пример синтеза цифрового фильтра методом инвариантности
импульсных характеристик ............................................................................... |
74 |
|
5.4.1 |
Дискретизация импульсной характеристики ЛЭЦ......................... |
74 |
5.4.2 |
Расчет системных функций трансверсального и рекурсивного |
|
ЦФ |
75 |
|
5.4.3 |
Расчет АЧХ трансверсального и рекурсивного ЦФ ....................... |
77 |
5.5Пример синтеза ЦФ методом билинейного Z-преобразования по
заданной ЛЭЦ ........................................................................................................ |
79 |
|
5.5.1 |
Расчет системной функции цифрового фильтра ............................. |
79 |
5.5.2 |
Расчет АЧХ ЦФ канонического вида................................................. |
81 |
6 |
|
5.5.3 Расчет импульсной характеристики ЦФ .......................................... |
83 |
5.5.4 Обсуждение полученных результатов ............................................... |
84 |
5.5.5 Прохождение дискретного сигнала через цифровые фильтры .... |
85 |
6 СИНТЕЗ РЕКУРСИВНЫХ ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ ПО |
|
КЛАССИЧЕСКОМУ НИЗКОЧАСТОТНОМУ (НЧ-) ПРОТОТИПУ ....... |
88 |
6.1Технические характеристики идеальных фильтров-прототипов...88
6.2Классические НЧ-прототипы Баттерворта и их характеристики..90
6.3Классические НЧ-прототипы Чебышева 1-го типа и их
характеристики |
.....................................................................................................92 |
6.4Синтез РЦФ различного назначения по классическому НЧ-
прототипу методом билинейного Z-преобразования..................................... |
96 |
6.4.1 Деформация аналоговой частоты НЧ-прототипа ........................... |
96 |
6.4.2Частотные преобразования НЧ-прототипов при синтезе РЦФ
различного назчения............................................................................................ |
97 |
6.4.3 Синтез РЦФ методом обобщенного билинейного.......................... |
103 |
Z-преобразования................................................................................................ |
103 |
6.5Синтез РЦФ методом инвариантной импульсной характеристики
107
6.5.1 Расчет цифрового НЧ-прототипа...................................................... |
107 |
6.5.2Частотные преобразования НЧ-прототипа с помощью
преобразований Константинидиса.................................................................. |
109 |
6.5.3 Порядок расчета РЦФ методом ИИХ............................................... |
114 |
7 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ К СИНТЕЗУ РЕКУРСИВНЫХ |
|
ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ .................... |
115 |
7.1Синтез цифрового ФНЧ Баттерворта методом обобщённого
билинейного Z-преобразования |
.......................................................................115 |
7.2Синтез цифрового ФНЧ Баттерворта методом обобщённого
билинейного Z-преобразования |
.......................................................................116 |
7
7.3Синтез цифрового ФВЧ Баттерворта методом обобщенного
билинейного Z-преобразования |
.......................................................................120 |
7.4Синтез цифрового ФВЧ Баттерворта методом обобщенного
билинейного Z-преобразования |
.......................................................................121 |
7.5Синтез цифрового ПФ Чебышева методом обобщённого
билинейного Z-преобразования |
.......................................................................125 |
7.6Синтез цифрового ПФ Чебышева методом обобщённого
билинейного Z-преобразования |
.......................................................................127 |
7.7Синтез цифрового РФ Баттерворта методом обобщенного
билинейного Z-преобразования |
.......................................................................129 |
7.8Синтез цифрового РФ Баттерворта методом обобщенного
билинейного Z-преобразования |
.......................................................................133 |
7.9Синтез цифрового ФНЧ Баттерворта методом инвариантной
импульсной характеристики............................................................................ |
137 |
|
7.10 |
Синтез цифрового ФНЧ Баттерворта методом инвариантной |
|
импульсной характеристики............................................................................ |
138 |
|
7.11 |
Синтез цифрового ПФ Баттерворта методом инвариантной |
|
импульсной характеристики............................................................................ |
141 |
|
7.12 |
Синтез цифрового ПФ Баттерворта методом инвариантной |
|
импульсной характеристики............................................................................ |
144 |
|
8 СИНТЕЗ ТРАНСВЕРСАЛЬНЫХ ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ............ |
149 |
|
8.1 |
Метод частотной выборки..................................................................... |
149 |
8.2 |
Пример синтеза КИХ-фильтра методом частотной выборки........ |
152 |
8.3 |
Метод взвешивания ................................................................................ |
155 |
8.4 |
Пример синтеза КИХ-фильтров методом взвешивания................. |
156 |
8.5 |
Метод оконных функций ....................................................................... |
160 |
8.6 |
Пример синтеза КИХ-фильтров методом оконных функций........ |
163 |
9 ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................................................ |
167 |
|
9.1 |
Приложение 1 .............................................................................................. |
167 |
|
8 |
|
9.1.1 Описание пакета программ для исследования частотных и |
|
|
временных характеристик цифровых фильтров, синтезированных |
|
|
методом Билинейного z-преобразования....................................................... |
167 |
|
9.1.2 Описание пакета программ для исследования цифровых |
|
|
фильтров, синтезированных методом инвариантности импульсных |
|
|
характеристик ..................................................................................................... |
170 |
|
9.2 |
Приложение 2 ........................................................................................... |
173 |
9.3 |
Приложение 3. .......................................................................................... |
182 |
9.4 |
Приложение 4........................................................................................... |
218 |
10 |
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................. |
254 |
11 |
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ............................................. |
255 |
12 |
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ........................................... |
256 |
9
1 ВВЕДЕНИЕ
Цифровая обработка сигналов как направление развития науки и техники зародилась в 1950-х годах и поначалу представляла собой довольно экзотическую область радиоэлектроники, практическая ценность которой была далеко не очевидной. Однако за прошедшие пятьдесят лет благодаря успехам микроэлектроники системы цифровой обработки сигналов не только воплотились в реальность, но и вошли в нашу повседневную жизнь в виде CD- и DVD-проигрывателей, модемов, сотовых телефонов и многого другого. Более того, в некоторых прикладных областях цифровая обработка сигналов стала вытеснять аналоговую. В значительной мере это произошло в аудиотехнике, интенсивно идёт процесс перехода телевизионного вещания на цифровую основу.
Под термином «цифровая фильтрация» обычно понимают локальную цифровую обработку сигнала скользящим окном или апертурой. В основе такой фильтрации лежит преобразование аналоговых сигналов в последовательность чисел и обработка этой последовательности в цифровом вычислительном устройстве, роль которого может играть как универсальная ЦВМ, так и специализированный цифровой процессор.
Применение в радиоэлектронике цифровой фильтрации открывает дополнительные возможности при обработке сигналов. В частности, могут быть реализованы сложные алгоритмы фильтрации, которые аналоговыми методами в ряде случаев вообще не удается осуществить. С другой стороны, возможен синтез в цифровой форме аналогов известных радиотехнических устройств различного функционального назначения, а именно: фильтров, преобразователей частоты, детекторов и т.п.
Настоящее пособие посвящено курсовой работе «Дискретная обработка сигналов и цифровая фильтрация». Текст пособия разбит на главы, в каждой из которых повествуется о каком-либо аспекте дискретной обработки сигналов и цифровой фильтрации.
Так, вторая глава пособия посвящается основным определениям дискретной обработки сигналов: дискретизации сигналов по частоте и по времени, теореме Котельникова, дискретному преобразованию Фурье и Z- преобразованию. Третья глава является логическим продолжением второй: в ней подробно рассмотрено практическое приложение к дискретной обработке сигналов. В четвёртой главе говорится об описании алгоритмов работы цифровых фильтров и расчёте их основных характеристик (частотных и временных). Кроме того, третья и четвёртая главы пособия дополнены задачами, предназначенными для самостоятельного решения. Пятая глава посвящена синтезу цифровых фильтров методами билинейного Z- преобразования и методом инвариантности импульсной характеристики. В шестой главе рассматривается синтез рекурсивных цифровых фильтров по
10
классическому низкочастотному прототипу. Седьмая глава дополняет шестую практическим приложением к синтезу рекурсивных цифровых фильтров. В восьмой главе ставится вопрос о синтезе трансверсальных цифровых фильтров, основными методами которого являются метод частотной выборки, метод взвешивания и метод оконных функций.
В девятой главе представлены приложения: описание пакета программ для исследования частотных и временных характеристик цифровых фильтров, разработанного студентами кафедры ТОР Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники; пересчётные таблицы преобразования Константинидиса, а также передаточные функции и частотные характеристики низкочастотных прототипов Баттерворта и Чебышева.
При помощи настоящего пособия студент может не только самостоятельно подготовиться к выполнению и защите курсовой работы, но и получить базовые знания для дальнейшей научной работы.