Практикум по курсу "Цифровая обработка сигналов"

M
Σ


K(ω) = b_i exp (−jiω) (5.5)

i=0

Предположим, сначала, что M = 2k - четное число. Тогда в сумме (5.5) будет нечет- ное число (2k + 1) слагаемых. Вынесем общий множитель exp( jkω) и сгруппируем члены суммы:

−


K(ω) = [{b₀ exp (jkω) + b_2k exp (−jkω)} + {b₁ exp (j(k − 1)ω) + b_2k−1 exp (−j(k − 1)ω)} +
+ ... + {b_k−1 exp (jω) + b_k+1 exp (−jω)} + b_k] exp(−jkω) (5.6)
Из выражения (5.6) видно, для того чтобы ФЧХ была линейной, достаточно, чтобы сумма в квадратных скобках была либо чисто вещественной: K(ω) = D(ω) exp( jkω), либо - чисто мнимой: K(ω) = jD(ω) exp( jkω), где D - вещественнозначная функ- ция. В первом случае, достаточно выбрать коэффициенты b_i симметричными:
−

−

b₀ = b_2k, b₁ = b_2k−1, ..., b_k−1 = b_k+1 (5.7)
а во втором - антисимметричными:


b₀ = −b_2k, b₁ = −b_2k−1, ..., b_k−1 = −b_k+1, b_k = 0 (5.8)
Рассмотри сначала симметричный выбор коэффициентов. Используя формулы Эй- лера, запишем:


D(ω) = 2 [b₀ cos (kω) + b₁ cos ((k − 1)ω) + ... + b_k−1 cos (ω) + b_k/2] , (5.9)
Обозначим: c₀ = b_k, c₁ = 2b_k−1,..., c_k = 2b₀, тогда выражение (5.9) запишется более компактно:

Σ

k

D(ω) = c_i cos (iω) (5.10)

i=0
КИХ-фильтр с четным M и симметричным выбором коэффициентов называет- ся фильтром 1-го рода. Рассмотрим его свойства. Для того чтобы получить АЧХ, нужно взять модуль от D(ω):

k
_..Σ


|K(ω)| =

i=0

c_i cos (iω)_. (5.11)

^{На нулевой частоте |K(ω)| =} .^{Σk ci}.^{, на верхней частоте |K(ω)| =} .^{Σk ci(−1)i}.^-
для обоих случаев вполне возможно подобрать соответствующие коэффициенты

i=0

i=0


c_k, а значит, фильтр с симметричным выбором коэффициентов может быть как фильтром как нижних, так и верхних частот. Рассмотрим теперь подробнее свой- ства ФЧХ. В полосе пропускания фильтра, там где K(ω) = D(ω) фазо-частотная характеристика будет линейной:
| |

θ(ω) = −kω,

Такая ФЧХ будет соответствовать задержке выходного сигнала относительно вход- ного на k шагов. В полосе подавления K(ω) 1, а значит в ряде точек при пе- реходе через ноль D(ω) может менять знак. Каждая смена знака функцией D(ω)

| |

соответствует изменению фазы на π, поэтому в этом диапазоне ФЧХ будет кусочно- линейна: линейные участки прерываются скачками фазы на π при тех значениях частоты, при которых АЧХ обращается в ноль. Возможный вид АЧХ, ФЧХ и функ- ции D(ω) КИХ-фильтра нижних частот с симметричным выбором коэффициентов приведен на рис.5.3. Вернемся теперь к антисимметричному выбору коэффициен- тов (5.8). В этом случае использование формулы Эйлера позхволяет перейти от комплексных экспонент к функциям синуса: K(ω) = jD(ω), где

D(ω) = −2 {b₀ sin (kω) + b₁ sin ((k − 1)ω) + ... + b_k−1 sin (ω)} (5.12)
- вещественно-значная функция. Наличие мнимой единицы в качестве сомножи- теля означает, что фаза выходного сигнала отличается от фазы входного на ну- левой частоте на π/2. Такой характер фазо-частотной характеристики не соответ- ствует ФЧХ идеального частотно-селективного фильтра. Поэтому КИХ-фильтры с данным выбором коэффициентом молгут быть использованы как специальные фильтры-преобразователи. Пример такого фильтра будет рассмотрен позднее.
При нечетном порядке фильтра M = 2k 1 Итак, мы определили, что при опреде- ленных условиях КИХ фильтр может иметь ФЧХ, линейную в полосе пропускания и кусочно-линейную в полосе подавления. Нелинейность ФЧХ в полосе подавления не является существенной, так как в этом частотном диапазоне коэффициент пере- дачи фильтра все равно близок к нулю и фазовые свойства больше не играют роли. Чтобы сформировать нужную АЧХ, коэффициенты b_i должны быть подобраны со- ответствующим образом. Задача подбора этих коэффициентов называется задачей синтеза КИХ-фильтра.
−

1. Оптимальные фильтры - фильтры Чебышева

Как уже было показано выше идеальные цифровые фильтры не могут быть по- строены. Однако, можно создать фильтр с идеальной ФЧХ, АЧХ которого будет сколь угодно близко приближаться к АЧХ идеального фильтра. При синтезе циф- ровых фильтров всегда возникает вопрос: насколько полученный фильтр является оптимальным. Иными словами, можно ли при данном уровне сложности фильтра (данном порядке фильтра) построить фильтр, который по своим характеристикам будет лучше подходить к характеристике идеального фильтра.

Для того, чтобы ответить на вопрос об оптимальности фильтра, необходимо сна- чала выбрать критерий “близости” АЧХ реального фильтра к АЧХ идеального. Таким критерием может быть равномерная норма разности двух функций, извест- ная из функционального анализа. Пусть x(α) и y(α) две функции определенные на множестве ∆α, представляющем собой набор отрезков. Тогда равномерной нор- мой разности этих функций на указанном множестве будет максимальное значение модуля их разности, достигаемое на множестве ∆α:


ǁx − yǁ = max (|x(α) − y(α)|) при α ∈ ∆α
В нашем случае функция x(α) - АЧХ идеального фильтра, y(α) - АЧХ синтези- руемого КИХ-фильтра с линейной ФЧХ, ∆α - объединение полосы пропускания и


0  
 