- •2. Цифровые фильтры
- •2.1. Свойства z-преобразования
- •В виде последовательного соединения двух фильтров
- •2.5. Частотная характеристика цифрового фильтра
- •2.6. Цифровой резонатор
- •2.7. Однородный фильтр
- •Определим ачх и фчх фильтра
- •2.8. Триангулярный фильтр
- •Системная функция фильтра определяется соотношением
- •Системная функция и комплексный коэффициент передачи этого фильтра определяются соотношениями:
- •2.9. Нерекурсивный фильтр с линейной фчх
- •Выходной сигнал фильтра определяется следующим соотношением
- •2.10. Устойчивость цифровых фильтров
В виде последовательного соединения двух фильтров
Из рисунка видно, что для хранения одних и тех же переменных используются две линии задержки, поэтому одну из них можно удалить. При этом схема фильтра преобразуется к виду, представленному на рисунке 2.8. Это и есть каноническая форма программной реализации фильтра.
Рисунок 2.8 – Каноническая форма программной реализации фильтра
Достоинством канонической формы является в два раза меньшее количество элементов задержки, следовательно, ячеек памяти вычислительного устройства.
На рисунке 2.8 показана каноническая форма фильтра N-го порядка на одной линии задержки, состоящей из N элементов. Однако обычно вместо структуры, изображенной на рисунке 2.8, используется параллельное или последовательное соединение звеньев второго порядка. Такое представление фильтра связано с возможностью представления системной функции (2.7) в виде произведения или суммы системных функций с полиномами второго порядка в числителе и знаменателе
, (2.9)
, (2.10)
где L – порядковый номер звена, Lmax – максимальное значение номера звена
При четном N фильтр состоит из N/2 звеньев второго порядка, при нечетном N фильтр состоит из одного звена первого порядка и (N-1)/2 звеньев второго порядка.
Системная функция звена первого порядка отличается от системной функции звена второго порядка тем, что коэффициенты B2 и A2 равны нулю.
Соотношению (2.9) соответствует схема рисунка 2.9а, а соотношению (2.10) – схема рисунка 2.9б.
Рисунок 2.9- Последовательное (а) и параллельное (б) соединение
звеньев фильтра
Типовая схема звена второго порядка приведена на рисунке 2.10. На входе звена показан масштабный коэффициент ML (как правило, меньше единицы), предотвращающий появление в процессе вычислений значений сигналов фильтра, выходящих за пределы разрядной сетки вычислительного устройства.
Рисунок 2.10 – Типовое звено второго порядка
2.5. Частотная характеристика цифрового фильтра
Комплексным коэффициентом передачи фильтра является отношение комплексной амплитуды выходного сигнала фильтра к комплексной амплитуде входного синусоидального сигнала
.
Коэффициентом передачи фильтра К называется модуль комплексного коэффициента передачи
Частотной характеристикой цифрового фильтра называется зависимость комплексного коэффициента передачи фильтра от частоты.
Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называется зависимость модуля комплексного коэффициента передачи от частоты
.
Фазочастотной характеристикой (ФЧХ) называется зависимость аргумента комплексного коэффициента передачи фильтра от частоты.
.
Для определения комплексного коэффициента передачи фильтра подадим на вход фильтра с прямой формой реализации (рисунок 2.5) комплексный сигнал с единичной амплитудой
.
Согласно определению комплексного коэффициента передачи комплексный выходной сигнал должен быть равен
.
Из схемы рисунка 2.5 следует, что выходной комплексный сигнал фильтра определяется следующим соотношением
.
Из последнего соотношения получим
(2.11)
Сравнивая последнее соотношение с выражением для системной функции цифрового фильтра (2.7), можно сформулировать правило определения комплексного коэффициента передачи при известной системной функции фильтра: для нахождения комплексного коэффициента передачи нужно в выражении для системной функции заменить z на :
, (2.12)
где - нормированная частота – отношение текущей частоты f к частоте дискретизации FД.
Лекция №6