1. Цифровые фильтры.
Цифровой фильтр – это вычислительное устройство (физическая система или программа для ПЭВМ), реализующее заданный алгоритм избирательной обработки сигналов в реальном масштабе времени. Классификация фильтров осуществляется по полосе пропускания (ФНЧ, ФВЧ, ПФ, РФ) и по типу фильтра (Баттерворта и Чебышева).
По полосе пропускания:
ФНЧ – аналоговый или электрический фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже частоты среза и уменьшающий частоту спектра сигнала выше этой частоты. Степень подавления зависит от фильтра.
ФВЧ – электрический или другой фильтр, пропускающий высокие частоты спектра входного сигнала, при этом подавляя частоты спектра сигнала меньше, чем частота среза.
Полосовой фильтр – представлен в виде последовательности, состоящей из ФНЧ иФВЧ. ПФ: а) нижняя частота среза; б) верхняя частота среза.
Режекторный фильтр – фильтр, не пропускающий колебания определенной полосы частот.
Рисунок.1 АЧХ и коэффициент затухания
а) ФНЧ. б) ФВЧ. в) ПФ. г) ЗФ.
По типу фильтра:
Фильтр Чебышева – один из типов линейных аналоговых или цифровых фильтров, отличительной особенностью которых является более крутой спад АЧХ и существенная пульсация АЧХ в полосе пропускания.
Фильтр Баттерворта – один из типов электрических фильтров. Фильтры этого класса отличаются от других фильтров методом проектирования. Фильтр Баттерворта проектируется так, чтобы его АЧХ была максимально гладкой на частотах полосы пропускания.
Рисунок 2. Фильтр Баттерворта и фильтр 1-го порядка Чебышева.
Рисунок 3. Ослабление для фильтра
а)Чебышева и б)для фильтра Баттерворта
2. Достоинства и недостатки цифровых фильтров.
Цифровые фильтры имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:
1. Простота реализации и удобство использования (используются одни и те же алгоритмы для проектирования фильтров с различными импульсными характеристиками).
2. Лучшие качественные характеристики (можно получить практически любую заданную точность обработки сигналов).
3. Возможность спроектировать фильтр любой сложности.
4. Для перестройки на другую импульсную характеристику следует лишь задать новое ядро для фильтра.
Однако, цифровые фильтры имеют и ряд недостатков:
1. Невозможность обработки сигналов на СВЧ – это определяется частотой дискретизации современных АЦП, которая в настоящее время не превышает нескольких сотен мегагерц. Например, для спектрального анализа света такой частоты дискретизации явно недостаточно, т.к. частота электромагнитных колебаний света лежит в терагерцевом диапазоне.
2. При использовании сложных цифровых фильтров скорость обработки сигнала может существенно замедлиться, вплоть до того, что будет невозможна обработка сигнала в реальном времени.
3. Для большой точности и высокой скорости обработки сигналов требуется не только мощный процессор, но и дополнительное, возможно дорогостоящее, аппаратное обеспечение в виде высокоточных и быстрых ЦАП и АЦП.
Применение ЦФ:
1. Обработка звукового сигнала – различные звуковые эффекты (например эхо), эмуляция объемного звука, восстановление и редактирование звукозаписей, синтезирование звучания музыкальных инструментов, синтез и распознавание речи.
2. Обработка изображений – различные эффекты (например размытие или повышение резкости), сжатие изображений (формат JPEG, фрактальная компрессия).
3. Исследование и обработка каких-либо экспериментальных данных, например, ультразвуковое исследование в медицине, обработка сигналов, отраженных от цели и т.д.