Цифровые фильтры

14.1. Понятие о цифровой обработке сигналов. Области применения цифровых фильтров

Цифровую обработку сигналов проводят с целью оценки их пара­метров или преобразования в другую форму средствами вычислительной техники. Достигнутый в настоящее время уровень технологии поз­воляет создавать устройства цифровой обработки сигналов с высокими быстродействием и надежностью, малыми габаритными размерами и низкой стоимостью. Это способствует расширению областей примене­ния цифровой обработки сигналов, которую используют при автомати­ческом регулировании процессов в промышленности и на транспорте. Устройства, осуществляющие линейную фильтрацию сигналов цифро­выми методами (т. е. с использованием средств цифровой вычислитель­ной техники), получили название цифровых фильтров.

Если определена функция передачи F(z) цифрового фильтра, свой­ства которого повторяют свойства аналогового фильтра-прототипа с функцией передачи F (p), то по ней просто строится каноническая схема, которую можно рассматривать как алгоритм обработки сигнала. Цифровую фильтрацию сигналов осуществляют на основе выполнения операций только трех типов: задержки, сложения и умножения. По­этому алгоритм цифровой обработки может быть реализован двумя способами: универсальной ЭВМ, выполняющей цифровую обработку по специальной программе, или специализированным вычислительным устройством, выполняющим только три указанные выше операции. Первый способ реализации алгоритма цифровой фильтрации называют программным, второй — аппаратурным.

Программный способ реализации эффективен при модели­ровании различных систем цифровой обработки сигналов, так как поз­воляет легко изменять алгоритм фильтрации. Цифровые фильтры, предназначенные для работы в системах автоматики, телемеханики и связи, должны обрабатывать сигналы в реальном масштабе времени, т. е. за время, не большее периода дискретизации входных сигналов, что является их особенностью. Использование универсальных ЭВМ для этих целей практически невозможно из-за их сравнительно низ­кого быстродействия и значительной стоимости. Аппаратур­ная реализация цифровых фильтров основана на использовании циф­ровых интегральных схем, представляющих собой регистры сдвига, сумматоры, умножители и т. п. Она стала возможной в связи с появле­нием в последние годы больших интегральных схем, имеющих большие функциональные возможности и высокое быстродействие.

По сравнению с аналоговыми цифровые фильтры имеют ряд досто­инств, к которым относят высокую стабильность параметров, простоту изменения характеристик, хорошую их повторяемость в процессе про­изводства. При использовании цифровых фильтров не возникает задачи согласования нагрузок, они могут работать в диапазоне от сверхниз­ких частот до частот, измеряемых мегагерцами. Вместе с тем цифровым фильтрам присущи и некоторые специфические особенности, обуслов­ленные цифровым характером обработки сигналов, о Цифровые фильтры используют в системах управления различными объектами и процессами, где алгоритмы обработки могут быть настоль­ко сложными, что аналоговыми устройствами реализованы быть не могут. Другая важная область применения цифровых фильтров — это обработка низко- и инфранизкочастотных сигналов, когда использо­вание аналоговых устройств затруднено из-за больших габаритных размеров катушек индуктивностей и конденсаторов. Области приме­нения цифровых фильтров будут непрерывно расширяться в связи с по­явлением и широким распространением микропроцессоров, специали­зированных БИС ит. п., уменьшением их стоимости и повышением быс­тродействия.

На железнодорожном транспорте цифровые методы обработки сигна­лов, и в частности цифровые фильтры, смогут найти применение в пер­спективных системах связи, например в устройствах сопряжения систем передачи с частотным и временным разделениями каналов (транс­мультиплексорах), во вновь разрабатываемых устройствах железнодо­рожной автоматики.