Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Теоретичні відомості. Лінійні цифрові фільтри (ЛЦФ) - це лінійні дискретні схеми, призначені для обробки дискретних сигналів в дискретній формі
Лінійні цифрові фільтри (ЛЦФ) - це лінійні дискретні схеми, призначені для обробки дискретних сигналів в дискретній формі. Модель ЛЦФ може бути представлена у вигляді різністного рівняння або у графічній формі у вигляді структурної схеми. Властивості ЛЦФ можуть бути описані за допомогою передавальної функції, а також за допомогою імпульсної або перехідної характеристик. Різністні рівняння - це аналог диференціальних рівнянь, які є математичними моделями аналогових схем, складених з LCR-елементів. Різницеве рівняння зазвичай отримують шляхом алгебраїзації| диференціального рівняння аналогового прототипу цифрового фільтру. Алгебраїзация - це перетворення диференціального рівняння в рівняння алгебри (різницеве) в результаті застосування того або іншого чисельного методу рішення диференціальних рівнянь. Наприклад, для RC-кола на рис.2.3, що є простим фільтром низьких частот, диференціальне рівняння має наступний вигляд: , (6.1) де - вхідний сигнал, - постійна часу кола. Перетворимо це диференціальне рівняння в різністне, наприклад, за допомогою явного методу Ейлера. Відповідно до цього методу диференціальне рівняння вигляду (6.2) приблизно замінюється різницевим рівнянням . (6.3) Тут використана проста апроксимація похідної кінцевими різницями: , (6.4) де , – дискретні значення функції для моментів часу і - крок дискретизації. Права частина диференціального рівняння (6.2) береться для моменту часу . Перетворивши (6.1) на підставі (6.3), отримаємо різністне рівняння ЛЦФ, відповідне даному RC-колу: . (6.5) Тут використано позначення: . Явний метод Ейлера має обмеження на величину кроку . Для даного RC-кола крок вибирається з умови . Різністне рівняння повинне бути доповнене початковими умовами. Для рівняння (6.5) початкова умова при нульових початкових умов задається у вигляді . Рішення різністних рівнянь виконується рекурсивно, крок за кроком. Наприклад, рішення рівняння (6.5) за нульових початкових умов представляється у вигляді послідовності наступних кроків: (6.6) По різницевому рівнянню ЛЦФ можна скласти його структурну схему і, навпаки, по структурній схемі фільтру можна отримати різністне рівняння. При побудові структурних схем ЛЦФ зазвичай використовуються наступні базові елементи:
- суматор ;
- підсилювач (α > 1) або ослаблювач (α < 1) ; - ланка запізнювання .
З використанням даних базових елементів структурна схема ЛЦФ, складена по різністному рівнянню (6.5), має вигляд, показаний на рис. 6.1.
Рисунок 6.1
Для складання передавальних функцій ЛЦФ використовується z-перетворення, що є різновидом дискретного перетворення Лапласа. Передавальна функція ЛЦФ – це відношення z-зображення вихідного сигналу фільтру до z-зображення вхідного сигналу : . (6.6) Для отримання z-зображення до дискретного сигналу (6.7) застосовують перетворення Лапласа: . (6.8) Тут - дельта - функція Дирака. Потім оператора замінюють оператором z і отримують формулу прямого z-перетворення: . (6.9) Відзначимо, що заміна в перетворенні Лапласа комплексної частоти p змінної z, здійснює відображення лівої напівплощини комплексної площини за змінною p у середину круга одиничного радіусу, розташованого в центрі на комплексній площині за змінною z. Ряд (6.7) є ряд Лорана, тому по теоремі Коші формула зворотного z-перетворення набуває наступного вигляду: . (6.10) Інтеграція тут проводиться по контуру ξ, що охоплює все p полюсів функції . Алгоритм аналізу ЛЦФ за допомогою z-перетворення включає наступні етапи.
. (6.11)
. (6.12)
. (6.13) Тут Z, Z-1 – оператори прямого і зворотного z-перетворення. При складанні передавальної функції ЛЦФ по передавальній функції аналогового прототипу використовуються різні апроксимації оператора p оператором . При лінійному перетворенні має місце наступна апроксимація: . (6.14) При білінійному перетворенні: . (6.15) Ці співвідношення отримані в результаті розкладання експоненти у степінний ряд, представлений першими двома членами: . (6.16) Наприклад, RC-коло на рис. 2.3 з передавальною функцією (6.17) у разі лінійного перетворення (6.14) відповідатиме ЛЦФ з передавальною функцією , (6.18) де , . По передавальній функції і зображенню вхідного сигналу можна скласти z-зображення різністного рівняння. Наприклад, для передавальної функції (6.18) в результаті множення лівої і правої частин виразу (6.12) на знаменник можна отримати: . (6.19) Цьому рівнянню алгебри з урахуванням теореми запізнювання: (6.20) відповідатиме різністне рівняння даного ЛЦФ: . (6.21) Імпульсна характеристика ЛЦФ визначається по співвідношенню: . (6.22) Наприклад, імпульсна характеристика ЛЦФ з передавальної функції (6.18) може бути отримана з рішення наступного різністного рівняння: , (6.23) де По відомій імпульсній характеристиці за допомогою інтеграла згортки обчислюється реакція ЛЦФ на вхідний сигнал : . (6.24) Перехідна характеристика ЛЦФ визначається по співвідношенню: . (6.25) Тут - зображення дискретної одиничної ступінчастої функції.
|