Рефетека.ру / Коммуникации и связь

Курсовая работа: Расчет и моделирование цифрового фильтра

Министерство образования РФ

Санкт-Петербургский Государственный Морской Технический Университет

Кафедра 50


Курсовая работа

Расчет и моделирование цифрового фильтра.


Выполнил: Резунов А.Б. гр. 3580

Проверил: Сетин А.И.


Санкт-Петербург 2009


Содержание


Введение

Общие сведения по КИХ-фильтрам

Расчет цифрового фильтра

Модель цифрового фильтра и описание блоков модели

Моделирование работы цифрового фильтра в MatLab


Введение


С физической точки зрения цифровая фильтрация – это выделение в определенном частотном диапазоне с помощью цифровых методов полезного сигнала на фоне мешающих помех (рис. 1).


Расчет и моделирование цифрового фильтра


Рис. 1 Фильтрация помех с помощью цифрового ПФ.


По своим частотным свойствам фильтры делятся на:

– фильтры нижних частот (ФНЧ) – Low pass – рис.2а;

– фильтры верхних частот (ФВЧ) – High pass – рис.2б;

– полосовые фильтры (ПФ) – Band pass – рис.2в;

– режекторные фильтры (РФ) – Band stop – рис.2г.


Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 2 Идеальные частотные характеристики фильтров.


На рис. 2 приняты следующие обозначения:

ПП – полоса пропускания – частотная область, внутри которой сигналы проходят через фильтр практически без затухания;

ПЗ – полоса задерживания – выбирается разработчиком такой, чтобы обеспечить затухание сигнала не хуже заданного;

Переходная полоса – частотная область между ПП и ПЗ (характеризуется скоростью спада, обычно выражается в дБ/декаду);

fп - частота среза полосы пропускания – точка на уровне 3дБ;

fз - частота среза полосы задерживания – определяется уровнем пульсаций ЧХ в ПЗ;

fнп , fвп – нижняя и верхняя частоты среза полосы пропускания;

fнз , fвз – нижняя и верхняя частоты среза полосы задерживания.

Частота среза в этом случае является условной границей между частотой среза полосы пропускания и частотой среза полосы задерживания.

АЧХ реальных фильтров (рис. 3, на примере ФНЧ) имеют пульсации в полосе пропускания δп и задерживания δз (нестабильность ЧХ в ПП и ПЗ). Часто в литературе они имеют другое название:

Rз – максимальное подавление в полосе задерживания, дБ;

Rп – минимальное подавление в полосе пропускания, дБ.

Пульсации ЧХ в ПП вносят определенные искажения в сигнал, поэтому они более значимы при определении параметров цифровых фильтров.


Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 3 Реальная АЧХ цифрового фильтра (на примере ФНЧ).


Математически работа цифрового фильтра во временной области описывается разностным уравнением:


Расчет и моделирование цифрового фильтра, (1)


где Расчет и моделирование цифрового фильтра и Расчет и моделирование цифрового фильтра - Расчет и моделирование цифрового фильтра- тые отсчеты входного и выходного сигналов фильтра, взятые через интервал Расчет и моделирование цифрового фильтра Расчет и моделирование цифрового фильтра; Расчет и моделирование цифрового фильтра и Расчет и моделирование цифрового фильтра – постоянные коэффициенты цифрового фильтра.

Цифровые фильтры принято делить на два класса:

− нерекурсивные фильтры;

− рекурсивные фильтры.

Нерекурсивные фильтры называют еще фильтрами с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры), а рекурсивные фильтры - фильтрами с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры). В иностранной литературе их называют:

− FIR (Finite Impulse Response) – фильтр с конечной импульсной характеристикой;

− IIR (Infinite Impulse Response) – фильтр с бесконечной импульсной характеристикой.

Если в выражении (1) положить коэффициенты Расчет и моделирование цифрового фильтра, то фильтр, реализующий этот алгоритм, называется нерекурсивным. Его работа описывается уравнением:


Расчет и моделирование цифрового фильтра, (2)


вычисляющим свертку двух последовательностей: коэффициентов Расчет и моделирование цифрового фильтра и дискретных отсчетов входного сигнала Расчет и моделирование цифрового фильтра.

Если хотя бы один коэффициент Расчет и моделирование цифрового фильтра, то фильтр, реализованный согласно выражения (1), называется рекурсивным. Очевидно, что БИХ-фильтр представляет собой устройство с обратной связью, а КИХ-фильтр - без обратной связи.


Общие сведения по КИХ-фильтрам


Нерекурсивные фильтры работают в соответствии с выражением (2). Раскроем сумму:


Расчет и моделирование цифрового фильтра (3)


КИХ-фильтр производит взвешенное суммирование (с коэффициентами Расчет и моделирование цифрового фильтра) предшествующих отсчетов входного сигнала. Величину Расчет и моделирование цифрового фильтра называют порядком фильтра, Расчет и моделирование цифрового фильтра – шаг дискретизации. Структурная схема КИХ-фильтра представлена на рис. 4.


Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 4 Структурная схема КИХ-фильтра.


В этом фильтре дискретные выборки из сигнала Расчет и моделирование цифрового фильтра, задержанные на интервалы Расчет и моделирование цифрового фильтра, взвешиваются с коэффициентами Расчет и моделирование цифрового фильтра и суммируются с образованием отклика Расчет и моделирование цифрового фильтра. Фильтр, представленный на рис. 4 называют еще трансверсальным фильтром. Основными элементами фильтра являются:

− линия задержки с Расчет и моделирование цифрового фильтра отводами;

Расчет и моделирование цифрового фильтра умножителей;

− многовходовый параллельный сумматор.

КИХ-фильтры всегда устойчивы. Форма частотной характеристики КИХ-фильтров слабо чувствительна к точности коэффициентов. Главным преимуществом КИХ-фильтра является линейность его ФЧХ.

Z - преобразование (3):


Расчет и моделирование цифрового фильтра. (4)


Тогда передаточная характеристика КИХ-фильтра:


Расчет и моделирование цифрового фильтра. (5)


Если в (2.9) произвести замену Расчет и моделирование цифрового фильтра, то ЧХ КИХ- фильтра будет иметь вид:


Расчет и моделирование цифрового фильтра. (6)


Из выражения (6) следует, что при заданном (фиксированном) шаге дискретизации Расчет и моделирование цифрового фильтра можно реализовать самые разнообразные формы ЧХ цифрового фильтра, подбирая (рассчитывая) должным образом весовые коэффициенты Расчет и моделирование цифрового фильтра.


Расчет цифрового фильтра


Расчет цифрового фильтра будем проводить в пакете программ MatLab с помощью инструмента Filter Design & Analysis Tool.

После расчета цифрового фильтра в инструменте Filter Design & Analysis Tool получились значения для порядка фильтра, графики АЧХ и ФЧХ.

Порядок фильтра Расчет и моделирование цифрового фильтра.

Графики АЧХ в линейном и логарифмическом масштабах показаны на рис. 5 и рис 6 соответственно.


Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 5 График АЧХ в линейном масштабе.


Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 6 График АЧХ в логарифмическом масштабе.


Графики АЧХ в логарифмическом масштабе и ФЧХ, где фаза измеряется в радианах, показаны на рис. 7.


Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 7 Графики АЧХ и ФЧХ.


Модель цифрового фильтра и описание блоков модели


Модель цифрового фильтра представлена на рис. 8.


Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 8 Модель цифрового фильтра.


Модель цифрового фильтра состоит из:

86 линий задержки Расчет и моделирование цифрового фильтра, каждая из которых задерживает сигнал со своего входа на величину равную Расчет и моделирование цифрового фильтра;

87 усилителей сигналов Расчет и моделирование цифрового фильтра, которые производят умножение сигналов со своих входов на определенные коэффициенты;

86 сумматоров, которые суммируют выходные сигналы с усилителей;

входа фильтра Расчет и моделирование цифрового фильтра, на который подается фильтруемый входной сигнал;

выхода фильтра Расчет и моделирование цифрового фильтра, на который подается уже отфильтрованный входной сигнал.

Так как усилители производят умножение сигналов на коэффициенты, то можем записать их значения, которые получились при расчете фильтра в инструменте Filter Design & Analysis Tool:


Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Расчет и моделирование цифрового фильтра


Моделирование работы цифрового фильтра в MatLab


Для того, чтобы проверить правильность работы модели цифрового фильтра, проводят моделирование работы фильтра с подачей на него сигналов. В нашем случае на цифровой фильтр будет подана сумма 3х сигналов, 2а из которых будут находиться вне полосы пропускания цифрового фильтра. Схема моделирования работы цифрового фильтра показана на рис. 9.


Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 9 Схема для моделирования работы ЦФ.


Схема состоит из:

- 3х генераторов синусоидальных колебаний с частотами и амплитудами:

Sine Wave – Расчет и моделирование цифрового фильтра и Расчет и моделирование цифрового фильтра ,Sine Wave1 – Расчет и моделирование цифрового фильтра и Расчет и моделирование цифрового фильтра, Sine Wave2 – Расчет и моделирование цифрового фильтраи Расчет и моделирование цифрового фильтра;

- сумматора 3х сигналов идущих с генераторов;

- дискретизатора Zero-Order Hold, преобразующий непрерывный сигнал, поступающий с сумматора, в дискретный, шаг дискретизации


Расчет и моделирование цифрового фильтра, при Расчет и моделирование цифрового фильтра;


- квантователь Quantizer, преобразующий дискретный сигнал в цифровой, шаг квантования


Расчет и моделирование цифрового фильтра;


- 3х осциллографов: Scope1 (показывает непрерывный сигнал с вых. сумматора), Scope2 (показывает цифровой сигнал перед фильтрацией), Scope3 (показывает цифровой сигнал после фильтрации);

- 2х спектроскопов: Spectrum Scope1 (показывает спектр цифрового сигнала перед фильтрацией), Spectrum Scope2 (показывает спектр цифрового сигнала после фильтрации).

Показания 3х осциллографов и 2х спектроскопов после поведения моделирования показаны на рис. 10, рис. 11, рис. 12, рис. 13 и рис. 14.


Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 10 Показание осциллографа Scope1.

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 11 Показание осциллографа Scope2.


Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 12 Показание осциллографа Scope3.


Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 13 Показание спектроскопа Spectrum Scope1.

Расчет и моделирование цифрового фильтра

Рис. 14 Показание спектроскопа Spectrum Scope2.

Похожие работы:

  1. • Методы расчета цифровых БИХ-фильтров и вид целевой ...
  2. • Краткие сведения о принципах действия дискретных и цифровых ...
  3. • Расчёт и анализ нерекурсивного цифрового фильтра
  4. • Реализация цифрового фильтра нижних частот
  5. • Синтез частотно-избирательного фильтра
  6. • Разработка микропроцессорного устройства цифрового фильтра
  7. • Синтез частотно-избирательного фильтра
  8. • Реализация и анализ цифрового фильтра с конечной ...
  9. • Цифровой фильтр высокой частоты
  10. • Цифровые частотные дискриминаторы, фильтры и генераторы ...
  11. • Расчет и анализ фильтров лестничной структуры
  12. • Реализация и анализ цифрового фильтра с конечной ...
  13. • Цифровой сглаживающий фильтр
  14. • Расчет электрических фильтров
  15. • Изучение алгоритма функционирования и программы ...
  16. • Цифровые фильтры
  17. • Расчет цифровых фильтров с бесконечными ...
  18. • Методы расчета БИХ-фильтров
  19. • Проектирование цифрового сглаживающего фильтра
Рефетека ру refoteka@gmail.com