Лекция №
«Цифровые
фильтры с бесконечной импульсной характеристикой»
Передаточная функция физически реализуемого цифрового фильтра с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтра) может быть представлена в виде
(11.1).
Вид дискретной передаточной
функции БИХ-фильтра аналогичен виду непрерывной
передаточной функции аналоговых фильтров. Поэтому можно использовать структуры
цифровых БИХ-фильтров для для получения частотных характеристик,
соответствующих классическим видам аппроксимации (фильтры Баттерворта,
Чебышева, Бесселя и пр.). Однако, реализовать цифровой
фильтр с частотной характеристикой, точно совпадающей с частотной
характеристикой аналогового фильтра невозможно. Причиной этого является тот
факт, что, в отличие от аналогового фильтра в диапазоне частот
цифровой фильтр обладает периодической частотной
характеристикой с периодом, равным частоте дискретизации fs. Однако используемая полоса частот у цифровых фильтров ограничивается
диапазоном
. Поэтому поставленную задачу можно видоизменить таким
образом, чтобы частотная характеристика цифрового фильтра совпадала с требуемой
частотной характеристикой аналогового фильтра лишь в диапазоне частот
.
Для этого нужно
модифицировать передаточную функцию аналогового фильтра посредством
преобразования оси частот таким образом, чтобы диапазон
отображался в диапазон
и на высоких частотах
периодически повторялся. Для этого введем
(11.2).
При
,
как и требуется,
.
При
имеем
.
Искажение частотной оси, вносимое таким преобразованием, тем меньше, чем больше
частота дискретизации по сравнению с интересующим нас диапазоном частот.
Свойства цифрового фильтра
на определенной частоте определяется отношением этой частоты к частоте
дискретизации. Поэтому введем нормированные частот
(11.3),
где
- частота среза
фильтра.
При этом из (11.2) получим
(11.4).
В качестве примера
преобразования частотной оси на рис.11.1. приведена
АЧХ аналогового фильтра и соответствующая АЧХ преобразованного фильтра.

Рис.11.1
Видно, что преобразованная
характеристика приблизительно совпадает с исходной на начальном участке оси
частот, а в дальнейшем представляет из себя
периодическую функцию частоты, что соответствует цифровому фильтру. Из рисунка
видно, что произошел сдвиг частоты среза фильтра.
Для того,
чтобы в процессе преобразования не смещалась частота среза фильтра необходимо,
чтобы при
выполнялось равенство
. Для этого необходимо модифицировать формулу преобразования
(11.5),
где
(11.6).
Преобразованная частотная характеристика
представлена на рис.11.2.

Рис.11.2
Очевидно, что полученная
характеристика подобна характеристике аналогового фильтра в диапазоне частот
.
Благодаря
описанным операциям преобразования преобразованная частотная характеристика
имеет вид, позволяющий реализовать ее с помощью цифрового фильтра. Для расчета
передаточной функции цифрового фильтра H(z) необходимо иметь уравнение
преобразования переменной p в переменную z. Изначально аналоговые фильтры задаются в
нормированном виде, т.е. с частотой среза 1 рад/сек. Поэтому введем
нормированную комплексную переменную p
(11.7),
где
(11.8).
При подстановке в выражение (11.7) выражения (11.5) получим
(11.9).
Из формулы Эйлера
(11.10)
вытекают следующие соотношения
(11.11).
Используя эти соотношения в (11.9) получим
(11.12).
С учетом того, что
(11.13),
получим
(11.14).
Однако
. Поэтому
(11.15),
при
(11.16).
Это соотношение называется билинейным преобразованием.
Таким
образом, аналоговый фильтр можно преобразовать в
цифровой следующим образом. В выражение для передаточной функции H(p)
нормированного аналогового фильтра вместо переменой p подставляется переменная
и получаем
передаточную функцию H(z) цифрового фильтра с
аналогичной частотной характеристикой в диапазоне частот
.
Фазо-частотная характеристика при билинейном преобразовании
изменяется сильнее. По этой причине не имеет смысла применять билинейное
преобразование к фильтрам Бесселя, поскольку линейность ФЧХ в этом случае
нарушается.
При
построении цифровых фильтров, как и для аналоговых фильтров, наиболее просто
соединять блоки первого и второго порядка. Поэтому произведем пересчет
коэффициентов передаточной функции аналогового фильтра H(p) в коэффициенты
передаточной функции цифрового фильтра H(z) для звеньев первого и
второго порядка. Используя билинейное преобразование, из выражения для
аналоговой передаточной функции
(11.17)
найдем дискретную передаточную функцию
(11.18).
Для фильтра первого порядка (
) будем иметь
(11.19).
Для фильтра второго порядка (
) будем иметь
(11.20).
Порядок
действий при определении передаточной функции H(z) цифрового ФНЧ по заданным
требованиям к максимально допустимой неравномерности АЧХ в полосе пропускания Ap, минимально допустимому затуханию в полосе задерживания Aa, а также граничным нормированным частотам полосы пропускания wp и полосы задерживания wa должен быть следующим.
Вначале
определяются нормированные частоты полосы пропускания и полосы задерживания
аналогичного аналогового фильтра с помощью нелинейного соотношения (11.7).
После этого, одним из способов синтеза аналоговых фильтров определяется
аналоговая передаточная функция H(p’) фильтра-прототипа,
удовлетворяющего заданным требованиям неравномерности АЧХ в полосе пропускания
и затуханию в полосе задерживания.
В заключение в определенной передаточной функции
аналогового фильтра делается замена переменной p в соответствии с (11.15).
Существует более общее преобразование, разработанное Констандинидисом и позволяющее преобразовывать аналоговый
ФНЧ в избирательный БИХ-фильтр любого типа (ФНЧ, ФВЧ,
ПФ, ЗФ). Не рассматривая вывода соответствующих формул
приведем их в таблице 11.1.
|
Цифровой фильтр |
Граничные цифровые частоты |
Формула замены |
Параметр |
Связь аналоговых частот с
цифровыми частотами |
Граничные аналоговые
частоты |
|
Нижних
частот |
|
|
|
|
|
|
Верхних
частот |
|
|
|
|
|
|
Полосовой |
|
|
|
|
|
|
Режекторный |
|
|
|
|
|
Для обеспечения требуемого качества работы фильтра необходимо не только нейти требуемую передаточную функцию, но и оценить достаточную разрядность входного и выходного сигнала, а также коэффициентов фильтра.
Количество разрядов для представления коэффициентов фильтра определяется с помощью итерационной процедуры из условия удовлетворения передаточной функции фильтра с квантованными коэффициентами, заданных требований по приближению к эталонной передаточной функции с точными значениями коэффициентов.
Абсолютные величины отсчетов входных сигналов фильтра обычно нормированы так, что
(11.21).
Разрядность входного сигнала
и разрядность
сумматоров цифрового фильтра определяются на основе оценок составляющих шума
квантования выходного сигнала, обусловленных квантованием входного сигнала
(входного шума) и квантованием выходных кодов сумматоров фильтра (собственного
шума), а также оценок диапазона изменения сигналов в фильтре. При этом
допустимая величина мощности выходного шума фильтра распеределяется
в определенной пропорции на составляющие выходного шума, обусловленные входными
и собственными шумами фильтра
(11.22),
где
и
- составляющие выходного шума фильтра, обусловленные
соответственно входным шумом и собственными шумами фильтра,
- максимально допустимый уровень мощности выходного шума
фильтра, K – коэффициент
(K=0.8 – 0.9).
Как извесно, дисперсия шума
округления входного сигнала
связана с разрядностью
входного сигнала как
(11.23).
В тоже время, дисперсия выходного шума определяется как
(11.24),
т.е. зависит от дисперсии шума округления входного сигнала и значений отсчетов импульсной характеристики фильтра. Отсюда можно найти требуемое количество разрядов входного сигнала как
(11.25).
Количество разрядов для представления дробной части выходного кода сумматоров зависит от структуры фильтра и определяется по формуле
(11.26),
где
- число умножителей, подключенных к j-му
сумматору, hj(n) – импульсная
характеристика части фильтра от выхода j-го сумматора до выхода фильтра.
Количество разрядов
для представления
целой части переменных фильтра определяется на основне
оценки диапазона изменения сигналов в фильтре. Как известно, диапазон изменения
сигнала на выходе j-го
сумматора фильтра определяется как
(11.27),
где hj(n) – импульсная характеристика части
фильтра от входа до выхода j-го
сумматора. Поэтому величину
можно определить как
(11.28),
где
- коэффициент l-го умножителя,
подключенного к выходу j-го
сумматора.
Расчет
по формуле (11.27) гарантирует отсутствие переполнений при
нулевых начальных условиях.
Общая разрядность s, ячеек памяти фильтра определяется как
(11.29).