Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Цифровые сигналы и фильтры

..pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
6.35 Mб
Скачать

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И РАДИОТЕХНИКА

А.Н. Денисенко

ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЫ И ФИЛЬТРЫ

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ

МЕДПРАКТИКА-М Москва 2008

УДК 621.37 ББК 32.811 Д 332

Денисенко А.Н.

Цифровые сигналы и фильтры.

- М.: ИД «МЕДПРАКТИКА-М», 2008,188 с.

Издание осуществлено при финансовой поддержке

Российского фонда фундаментальных исследований по проекту № 08-08-07020.

Дается обобщение методов анализа дискретных (цифровых) сигналов, методов анализа и синтеза цифровых фильтров. Известные методы допол­ нены оригинальными. Рассматриваются практические аспекты примене­ ния цифровых фильтров.

Монография рассчитана на инженеров и исследователей в области ра­ диотехники, может быть полезна преподавателям и студентам старших курсов радиотехнических специальностей.

© Денисенко А.Н., 2008 © Оформление: ИД «МЕДПРАКТИКА-М», 2008

ISBN 978-5-98803-131-4

СОДЕРЖАНИЕ

 

Предисловие.................................................................................................................

5

1. Цифровые и дискретные сигналы ......................................................................

9

1.1. Аналоговые сигналы.......................................................................................

9

1.2. Дискретные и цифровые сигналы

13

1.3. Спектр дискретного сигнала. Интервал дискретизации.........................

15

1.4. Дискретное преобразование Фурье, его свойства....................................

20

1.5. Z-преобразование, его свойства...................................................................

22

2. Интерполяция дискретных сигналов...............................................................

29

2.1. Общий подход к решению задачи интерполяции.....................................

29

2.2. Степенные многочлены, многочлены Лагранжа......................................

32

2.3. Ряд Котельникова...........................................................................................

36

3. Сплайновая интерполяция.................................................................................

38

3.1. Кубические сплайны первой степени гладкости......................................

39

3.2. Кубические сплайны второй степени гладкости......................................

40

3.3. Локальные сплайны.......................................................................................

41

4. Цифровые фильтры .............................................................................................

49

4.1. Аналоговые линейные цепи и их характеристики...................................

49

4.2. Основные характеристики цифровых фильтров.......................................

53

4.3. Алгоритмы и методы анализа цифровых фильтров.................................

59

4.4. Схемы реализации цифровых фильтров....................................................

63

5. Синтез цифровых фильтров...............................................................................

71

5.1. Синтез цифрового фильтра, соответствующего аналоговой цепи

71

5.2. Прямой синтез цифровых фильтров..........................................................

82

6. Эвристический метод синтеза цифровых фильтров....................................

92

6.1. Простейшие схемы цифровых фильтров...................................................

92

6.2. Цифровые фильтры с идеальными характеристиками

114

7. Оптимальная цифровая фильтрация.............................................................

119

7.1. Постановка и содержание задачи оптимизации цепей

119

7.2. Оптимальные цифровые фильтры.............................................................

123

7.3. Квазиоптимальные цифровые фильтры....................................................

133

8. Аппроксимация сигналов на основе алгоритмов цифровой

 

фильтрации

139

8.1. Содержание метода

139

8.2. Аппроксимация с использованием цифровых фильтров........................

142

8.3. Выбор полосы пропускания фильтра........................................................

147

8.4. Описание тренда..........................................................................................

153

9.Численный метод решения линейных дифференциальных

уравнений

160

9.1. Решение линейных дифференциальных уравнений

 

с использованием алгоритмов ЦФ....................................................................

160

9.2. Практика применения метода

169

Приложение 1

172

Приложение 2

176

Приложение 3

181

Приложение 4

184

Список литературы...................................................................................................

186

ПРЕДИСЛОВИЕ

В условиях интенсивного развития информационных и компьютерных технологий особое место занимает цифровая обработка сигналов. Она пре­ доставляет широкие возможности по передаче, приему и преобразованию сигналов, содержащих информацию, в том числе и такие, какие не могут быть реализованы с помощью аналоговой техники. Тенденции совершен­ ствования вычислительной техники дают все основания полагать, что эти возможности будут постоянно расширяться. Указанное обстоятельство делает исключительно актуальным развитие теоретической базы цифро­ вой обработки сигналов с выводами, позволяющими использовать достиг­ нутые и потенциальные возможности вычислительной техники в практи­ ческой сфере.

Предлагаемая книга посвящена обобщению результатов в области ана­ лиза цифровых сигналов, анализа и синтеза цифровых фильтров, резуль­ татов, известных, описанных в литературе, и оригинальных. На базе тео­ ретических обобщений проводится рассмотрение основных направлений реализации цифровых фильтров и практические приложения цифровой фильтрации в различных областях науки и техники. В известной литерату­ ре это наименее освещенная тема.

Книга содержит 9 разделов. В разд. 1 дается описание и спектральный анализ дискретных сигналов. Анализ спектра дискретного сигнала позво­ ляет определить условия выбора интервала дискретизации исходного сиг­ нала - дается обоснование условия Найквиста-Котельникова.

Приводятся преобразования дискретных сигналов, используемые при их анализе: дискретное преобразование Фурье и z-преобразование. Свой­ ства преобразований дискретных сигналов используются в дальнейшем при анализе сигналов, анализе и синтезе цифровых фильтров.

В разд. 2 и 3 излагаются методы восстановления непрерывных сигна­ лов по их дискретным значениям. В математическом плане этот процесс сводится к интерполяции дискретной функции, описывающей дискретный сигнал во временной области. Вследствие этого при рассмотрении про­ цесса восстановления непрерывного сигнала при графическом его отра­ жении для краткости используется термин “интерполяция сигнала”.

Дается общая постановка задачи интерполяции, рассматривается интер­ поляция на основе классических подходов - с использованием многочле­ нов Лагранжа и ряда Котельникова. Особое внимание уделено наиболее эффективному методу - сплайновой интерполяции. Описывается поста­ новка задачи построения локальных сплайнов, приводятся расчетные вы­ ражения для локальных сплайнов различной степени гладкости [42]. Из­

ложенный материал и иллюстрации его применения позволяют провести сравнительный анализ различных методов интерполяции.

Разд. 4 посвящен анализу цифровых фильтров. Рассматриваются алго­ ритмы и схемы реализации рекурсивных и нерекурсивных фильтров, ме­ тоды их анализа. Приводятся в систему возможные схемы реализации циф­ ровых фильтров и методы их анализа.

В разд. 5 рассматриваются известные методы синтеза цифровых фильт­ ров. Они позволяют провести синтез цифрового фильтра, соответствую­ щего аналоговому фильтру-прототипу. Излагается известный метод пря­ мого синтеза на основе частотной выборки; он дает возможность выбрать схему нерекурсивного цифрового фильтра, имеющего частотную характе­ ристику заданного вида.

Эвристическому методу прямого синтеза посвящен раздел 6. Метод по­ зволяет выбрать цифровой фильтр заданного вида (нижних частот, верх­ них частот, полосового и заградительного фильтров) с использованием общих закономерностей обеспечения требуемой частотной характеристи­ ки линейной цепи. В разделе даются примеры простейших схем цифровых фильтров различных видов с описанием их характеристик и примеры филь­ трации с их применением.

Описывается подход к выбору различных видов цифровых фильтров с идеальными характеристиками (точнее, с характеристиками, аппроксими­ рующими идеальные). Подход основан на использовании цифровых филь­ тров Баттерворта и Чебышева [22].

Оптимальная и квазиоптимальная цифровая фильтрация составляет со­ держание раздела 7. Излагаются подходы к проектированию фильтров, позволяющих наилучшим образом производить обнаружение сигнала на фоне шума. Классическая постановка задачи оптимизации - обеспечение максимального значения отношения сигнал/шум на выходе линейной цепи рассматривается применительно к цифровой фильтрации.

Дается подход к оптимальному выбору полосы пропускания цифрового фильтра при заданном виде частотной характеристики, что определяется как квазиоптимальная цифровая фильтрация.

Практике использования цифровой фильтрации в различных областях посвящены разделы 8 и 9.

Развитие компьютерных технологий расширило понятие сигнала. Сиг­ нал рассматривается как временная функция, непрерывная или дискрет­ ная последовательность, несущая информацию, или которая может содер­ жать информацию. Таким образом, при компьютерной обработке любая информация, вводимая в компьютер, имеет вид дискретного сигнала, пред­ ставляет дискретную временную функцию. В том числе: статистические

данные, результаты экспериментальных исследований (измерений) и др., которые на входе компьютера имеют вид дискретной временной последо­ вательности. Эффективной обработкой такой последовательности являет­ ся цифровая фильтрация.

В 8 разделе рассматривается метод сглаживающей аппроксимации слу­ чайного процесса с использованием алгоритмов цифровой фильтрации. Изложенный метод дает возможность выделить тренд процесса и его слу­ чайную составляющую. Метод прост и имеет ряд других преимуществ по сравнению с известными. Приводятся примеры его применения при обра­ ботке статистического материала и результатов измерений.

Излагается подход к описанию и экстраполяции (прогнозированию) тренда случайного процесса. Такая задача имеет важное практическое значение.

Использованию цифровых фильтров при решении линейных дифферен­ циальных уравнений посвящен раздел 9. Метод, описанный в общей по­ становке, особенно полезен в приложении - при синтезе цифровых филь­ тров, соответствующих аналоговой цепи с известной передаточной функ­ цией, и при анализе прохождения сигналов через линейные аналоговые цепи.

Дополнительный материал, полезный при практической реализации методов анализа и синтеза, но загромождающий их описание, вынесен в приложения.

Одно только перечисление разделов свидетельствует об актуальности рассматриваемых тем и их практической направленности. Основные рас­ сматриваемые задачи заканчиваются расчетными выражениями, по кото­ рым получены алгоритмы и соответствующие программы расчета на ПК (автор В.Н.Исаков). К ним в первую очередь относятся:

-программа спектрального анализа дискретных сигналов;

-программы интерполяции с использованием различных подходов: с использованием многочленов Лагранжа, ряда Котельникова и локаль­ ных сплайнов 1-4-ой степеней гладкости;

-программы простейших цифровых фильтров (фильтра нижних и вер­ хних частот, полосового и заградительного фильтров);

-программы фильтров с идеальными характеристиками;

-программа расчета прохождения сигналов через цифровые фильтры, при задании сигнала на входе фильтра выборочными значениями или в виде графика, отображающего сигнал на экране дисплея и получа­ емый с помощью мыши;

-программа сглаживающей аппроксимации осциллирующих сигналов и случайных процессов (сигналы задаются дискретными значениями или графиками на экране дисплея);

-программа аппроксимации и экстраполяции сигналов с использова­ нием ортогональных систем функций на основе степенных много­ членов и др.

Разработанные программы позволили достаточно полно иллюстриро­ вать выводы теоретической части примерами и графиками.

Особенностью монографии является широкий круг задач, связанных с цифровой фильтрацией, и конспективный стиль изложения материала. К особенностям можно отнести и практическую направленность содержа­ ния книги.

Список литературы в конце книги включает только основные работы по выбранному направлению, изданные на русском языке. В условиях доста­ точно развитой информационной системы такой список представляется достаточным и не перегружает читателя второстепенной информацией.

Книга рассчитана на исследователей и инженеров-практиков - выпуск­ ников вузов, работающих в области радиотехники, электроники и связи. Может быть полезной преподавателям, аспирантам и студентам старших курсов вузов радиотехнических специальностей. Содержание соответствует программе учебной дисциплины, читаемой автором студентам радиотех­ нических специальностей, в ряде разделов, естественно, выходит за ее пределы.

В книге использованы материалы кандидатской диссертации В.Н.Иса­ кова (руководитель А.Н.Денисенко). Автор выражает признательность В.Н.Исакову за разработку программ, полезных при компьютерном офор­ млении иллюстрационного материала, и Н.Денисенко за помощь в оформ­ лении книги.

1. ЦИФРОВЫЕ И ДИСКРЕТНЫЕ СИГНАЛЫ

Цифровая обработка сигналов, обработка с использованием компьюте­ ра, занимает все большее место в системах различного назначения, что определяется очевидными достоинствами вычислительной техники. Ее универсальность способствует все большему расширению областей при­ менения цифровой техники. В разделе проводится анализ дискретных (циф­ ровых) сигналов, формируемых для использования при цифровой обра­ ботке, рассматриваются преобразования дискретных сигналов: дискрет­ ное преобразование Фурье и z-преобразование - основа анализа таких сиг­ налов. Дается обоснование выбора интервала дискретизации сигналов.

1.1. А нал оговы е сигналы

Сигнал представляет физический процесс, несущий информацию, или предназначенный для ее передачи; в аналоговых цепях - это колебание, несущее информацию. Детерминированный сигнал описывается времен­ ной функцией, в ряде случаев известно только правило его получения. Обычно понятия сигнал и временная функция, описывающая его, исполь­ зуются как идентичные, хотя не исключены и другие формы представле­ ния сигнала [19].

Анализ сигнала чаще всего проводится во временной или частотной областях. Основным преобразованием, позволяющим переводить анализ сигнала s(t) из временной области в частотную, является преобразование Фурье

( 1.1)

где со - параметр преобразования, частота.

Величина S(co) представляет спектральную плотность (спектр) сигнала.

Условием существования преобразования Фурье является абсолютная интегрируемость функции s(t)

В практических приложениях более удобным является условие интег­ рируемости квадрата этой функции

J s2(t)dt<oo

Оно обуславливает применение преобразования Фурье только для сигна­ лов с ограниченной энергией.

Прямому преобразованию Фурье соответствует обратное преобразование

=

( 1.2)

позволяющее перейти от спектральной плотности сигнала к его временной функции. Интеграл Фурье (1.2) дает описание сигнала в виде суммы гармони­ ческих составляющих с непрерывной последовательностью частот (О.

В общем случае спектральная плотность S(œ) является комплексной величиной. Как комплексная величина она записывается в виде

з д = | з д | е* (“\

(1.3)

где |5(б))|, (р(со) - модуль и фаза комплексной величины, амплитудный и

фазовый спектры сигнала.

Примером служит преобразование Фурье временной функции, описы­ вающей сигнал, экспоненциального вида

s(t) = Ve-a',t> 0.

Преобразование Фурье s(t) имеет вид:

V S(co) = -----

a + ico

Амплитудный и фазовый спектры сигнала описываются выражениями

у

|S(û>)| = —2---- îTïTT ><P(Û)) = -arctg(cû / а ) .

{a +(û у

Графики амплитудного и фазового спектров сигнала представлены на рис. 1.1. Они дают представление о плотности распределения амплитуд и