Реферат: Краткие сведения о принципах действия дискретных и цифровых фильтров

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

"Краткие сведения о принципах действия дискретных и цифровых фильтров"

МИНСК, 2008

Недостатки аналоговых фильтров.

Аналоговые фильтры обладают рядом недостатков, в том числе: 1) трудности обеспечения высокой стабильности частоты настройки и 2) формы частотных характеристик в связи с тем, что параметры элементов фильтров (конденсаторов, катушек индуктивности, резисторов и т.п.) изменяются под воздействием температуры, влаги, механических нагрузок и во времени; 3) резко выраженная зависимость габаритов, массы и стоимости от частоты (при низких частотах); 4) необходимость точной механической обработки (электромеханические и кварцевые фильтры); 5) трудность получения высокой добротности (LC-фильтры и активные RC-фильтры); 6) существенные ограничения в области высоких частот.

Эти недостатки обуславливаются трудностями обеспечения: 1) требуемого резонансного сопротивления при малых индуктивностях в LC-фильтрах, 2) ограничением по высшей частоте операционных усилителей в RC-фильтрах, 3) сложностью создания электромеханических и кварцевых резонаторов малых размеров. Поэтому аналоговые фильтры не могли решить многие задачи фильтрации в РЭА и необходимо было создать фильтры на новых принципах. Такими фильтрами являются дискретные и цифровые.

Для объяснения свойств и возможностей дискретных и цифровых фильтров удобно использовать отображение сигнала и его смеси с помехой в выборке отсчетов (значений), взятых через дискретные интервалы времени tвб, а также квантование отсчетов. В основу цифровой передачи и записи аналоговых сигналов положена импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Она обеспечивает дискретизацию (квантование) и кодирование.

???????? ??????. ???.1. ????? ?????????-??????? ????????? (???) ??????????? ??????? ? ??? ?????????????? ?? ??? ? ???????:

а – исходный аналоговый сигнал u(t) с выделенными дискретными значениями (отсчетами), – интервал дискретизации;

б – последовательность отсчетов, округленных до ближайшего из уровней квантования ±хn; ∆х – шаг квантования; 0000, 0001, 0010, 0011 – четырехзначные кодовые слова, соответствующие выбранным уровням квантования;

в – ИКМ - сигнал;

? ? ?????????????? ?? ??? ? ??????? ??????? ? ?????????? ??????.

Рис.1.

Рис.2. Структурная схема и временные диаграммы цифрового фильтра: УД – устройство дискретизации, преобразующее аналоговый сигнал x(t) в последовательность импульсов (решетчатую функцию) x*(t); АЦП – аналого-цифровой преобразователь, с помощью которого мгновенные значения аналогового сигнала заменяются ближайшими дискретными уровнями X(nT), где n=0, 1, 2…, T – период следования импульсов, ВУ – вычислительное устройство, преобразующее последовательность чисел (уровней) X(nT) в выходную функцию Y(nT); ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, в котором Y(nT) преобразуется в выходной аналоговый сигнал y(t).

Если оперировать с выборкой, то можно осуществлять фильтрацию, обрабатывая отсчеты выборки, т.е. построить фильтр так, чтобы он действовал не непрерывно, а в моменты времени через tвб. Это позволило создать дискретные (по времени) фильтры, техническая реализация которых основывается на принципах, отличающихся от используемых в аналоговых.

От дискретных фильтров можно перейти к цифровым.

Напомним, что для анализа и расчета аналоговых фильтров обычно используется частотная область, т.е. спектры сигналов и частотные характеристики фильтров. Для дискретных и цифровых фильтров также могут использоваться дискретные характеристики, но для понимания их принципа действия удобнее пользоваться временной областью, т.е. рассматривать их работу во времени.

Рис.3. Рис.4.

Рис.3. Оптимальный фильтр для прямоугольного видеоимпульса – аналоговый и линейный 1 – интегратор; 2 – задержка; 3 – устройство вычитания.

Рис.4. а – прямоугольный сигнал на входе и его отклик на выходе (б), т. к. сигнал проходит…

Помеха при интегрировании частично компенсируется (значения помехи имеют разные знаки).

Сущность фильтрации: накопление отклика на сигнал, чем длительнее накопление, тем больше отношение сигнал/помеха на выходе фильтра.

Так работают аналоговые фильтры.

Принцип действия дискретного фильтра. Поскольку в устройствах фильтрации осуществляется накопление информации, то для получения эффекта фильтрации можно использовать не только явление резонанса. Дискретный фильтр действует не непрерывно, а дискретно обрабатывает отсчеты значений сигнала, взятые через интервал времени. Для накопления или суммирования таких сигналов можно применить дискретный накопитель с сумматором. Простейшим видом такого устройства является линия задержки на элементах LC с отводами, напряжения с которых подаются на сумматор.

Принцип построения такой линии иллюстрируется рис.4, где 1 – линии задержки (показан простейший вариант из элементов L и C); 2 – отводы; 3 – резисторы (подбирая их сопротивления, можно изменять “вклад” отвода в сумму); 4 – сумматор в виде общего сопротивления R∑, обеспечивающий совместное использование сигналов, накапливаемых в линии задержки.

Для простоты полагаем, что сопротивления в отводах одинаковые, и посмотрим, как сигнал в виде прямоугольного импульса пройдет через такой дискретный фильтр (рис.5).

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--