Цифровая обработка сигналов

1.4. Алгоритмы функционирования и формы реализации линейных цифровых фильтров

Линейный цифровой фильтр (ЛЦФ) – устройство, в котором выходные отсчеты сигнала представлены в виде линейной комбинации предыдущих отсчетов входного и выходного сигналов и текущего отсчета входного сигнала.

Основное разностное уравнение для ЛЦФ имеет вид

где T – период (интервал) дискретизации; n – текущий номер отсчета сигнала, включая нулевой отсчет (n = 0, 1, ...); j – параметр, который начинается с 1, чтобы уравнение было приведенным.

Первая сумма описывает нерекурсивную часть фильтра, вторая – рекурсивную часть фильтра.

Если ai и bj const, то имеем ЛЦФ с постоянными параметрами,

иначе – ЛЦФ с переменными параметрами.

Большее из чисел M и N является порядком фильтра.

Если bj 0, то получаем нерекурсивные фильтры, или фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры).

30

aM

z–1

bN

Если M>N, то подключаются дополнительные ячейки

Рис. 1.13. Каноническая форма реализации ЛЦФ (с минимальным количеством элементов задержки)

Рис. 1.14. Последовательная (каскадная) форма реализации ЛЦФ

32

Существуют и другие формы реализации ЛЦФ (например, лестничная). Для дискретных фильтров, т.е. когда отсутствует операция квантования сигналов по уровню, выходной сигнал не зависит от формы реализации ЛЦФ.

H1(z)

Hk(z)

Рис. 1.15. Параллельная форма реализации ЛЦФ

Для цифровых фильтров, когда входные и промежуточные сигналы представлены квантованными по уровню дискретными последовательностями, различные формы реализации приводят к разным выходным сигналам.

Таким образом, погрешности фильтрации цифровых данных зависят как от разрядности представления входного и выходного массивов чисел, так и от последовательности выполнения операций над ними.

1.5.Характеристики линейных цифровых фильтров

спостоянными параметрами

К характеристикам ЛЦФ с постоянными параметрами относятся:

–системная (передаточная) функция (СФ) в Z-форме;

–импульсная и переходная характеристики (ИХ и ПХ соответственно);

–комплексно-частотная, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики (КЧХ, АЧХ и ФЧХ соответственно);

–групповое время запаздывания (ГВЗ);

–точностные характеристики (ТХ).

33

1.5.1. Системная (передаточная) функция фильтра в Z-форме

Системной (передаточной) функцией H(z) фильтра называют отношение Z-образа выходного сигнала Y(z) к Z-образу входного сигнала фильтра X(z) при нулевых начальных условиях:

H(z) Y(z) при y(–T) = y(–2T) = ... = y(–NT) ≡ 0;

X(z) x(nT) ≡ 0 при n < 0.

Применяя прямое Z-преобразование к левой и правой частям разностного уравнения, получим:

x(nT) X(z); x(nT–T) X(z) z–1; x(nT–iT) X(z) z–i;

y(nT) Y(z); y(nT–T) Y(z)z–1;

M N

Y(z) ai X(z) z i bj Y(z) z j;

i 0 j 1

1 bj z j

j1

Вразностном уравнении и системной функции используются одни и те же коэффициенты, поэтому весьма просто выполнить переход от разностного уравнения к передаточной функции и структуре фильтра.

Разностное уравнение позволяет рассчитывать выходной сигнал фильтра лишь рекуррентно, т.е. для вычисления y(nT) предварительно необходимо рассчитать y(nT–T), ..., y(nT–NT).

Зная системную функцию фильтра и входной сигнал (его Z-образ) при нулевых начальных условиях, можно получить в явном виде выражение для y(nT) и его величину для любого наперед заданного

34

1.5.2. Импульсная и переходная характеристики

Импульсной характеристикой h(nT) называют реакцию фильтра при нулевых начальных условиях на входное воздействие в виде единичного импульса (nT). При x(nT) (nT) y(nT) h(nT). В отличие от импульсной характеристики аналоговой цепи, функция h(nT) является безразмерной.

Связь импульсной характеристики и системной функции имеет

вид

X(z) x(nT) (nT)

H(z) Y(z) Z (nT) , т.е. Z-образ импульсной характеристики

совпадает с системной функцией системы.

Дискретная свертка входного сигнала и импульсной характеристики фильтра записывается следующим образом:

n n

y(nT) x(nT)*h(nT) x(kT) h(nT kT) x(nT kT) h(kT),

k 0 k 0

где n 0.

Дискретная свертка позволяет в явном виде получить выходной сигнал, зная входной сигнал x(nT) и импульсную характеристику h(nT).

Иллюстрация формирования выходного сигнала в процессе свертки входного сигнала и импульсной характеристики фильтра показана на рис. 1.16. Здесь сигнал x(nT) «стоит на месте», а импульс h(nT) «пробегает». При этом выходной сигнал можно найти как

35

Связь изображения переходной характеристики G(z) и системной функции H(z):

X(z) U(z) Z u(nT) z , z 1

G(z) Y(z) X(z)H(z) H(z) z . z 1

Таким образом:

Связь импульсной и переходной характеристик во временной области:

Анализ цифрового фильтра по переходной характеристике подобен анализу аналогового фильтра, т.е. по ПХ определяют время задержки фронта, время установления фронта, амплитуду первого выброса (перерегулирование), колебательность ПХ, спад вершины импульса и т.д.

1.5.3. Частотные характеристики цифровых фильтров

довательностей x(nT) и y(nT), т.е.

X ej T Ф x(nT) x(nT)e j nT ,

n 0

Y ej T Ф y(nT) y(nT)e j nT .

n 0

Тогда комплексной частотной характеристикой называют отно-

Y ej T

шение H ej T X ej T . КЧХ совпадает с системной функцией

37

H(z) на единичной окружности в z-плоскости, то есть при z ej T :

H ej T H(z) z ej T .

ω < 0

ω = –π/2T

Рис. 1.17. Периодичность КЧХ, АЧХ, ФЧХ ЦФ

Модуль КЧХ называют амплитудно-частотной характеристикой,

т.е. A( ) H ej T , а аргумент КЧХ есть фазочастотная харак-

теристика, т.е. ( ) arg H ej T .

Поясним физический смысл КЧХ.

Для входного комплексного гармонического сигнала x(nT) ej T выходной сигнал в установившемся режиме (n ) имеет вид

y(nT) H ej T ej nT .

Иногда H ej T называют собственным значением (собственным

числом), а ej nT – собственной функцией.

Таким образом, если на вход фильтра подан дискретный сигнал в виде дискретизированной синусоиды, то A( ) характеризует амплитуду выходного сигнала, а ( ) – его фазу, т.е. подавая на вход линейного цифрового фильтра гармонический сигнал, на его выходе в установившемся режиме (n ) получим гармонический сигнал той же частоты, но с другой амплитудой и фазой, так как в линейных системах новых частот не возникает.

38

Для вещественных коэффициентов ai, bj АЧХ и ФЧХ можно вычислить по формулам:

39