- •Цифровые фильтры
- •14.1. Понятие о цифровой обработке сигналов. Области применения цифровых фильтров
- •14.2. Линейная модель цифрового фильтра. Нерекурсивные и рекурсивные фильтры
- •14.3. Операторные характеристики и канонические схемы цифровых фильтров
- •14.4. Приемы построения цифровых фильтров по заданным характеристикам
- •14.5. Точность цифровых фильтров. Источники погрешностей в цифровых фильтрах и их оценка
Цифровые фильтры
14.1. Понятие о цифровой обработке сигналов. Области применения цифровых фильтров
Цифровую обработку сигналов проводят с целью оценки их параметров или преобразования в другую форму средствами вычислительной техники. Достигнутый в настоящее время уровень технологии позволяет создавать устройства цифровой обработки сигналов с высокими быстродействием и надежностью, малыми габаритными размерами и низкой стоимостью. Это способствует расширению областей применения цифровой обработки сигналов, которую используют при автоматическом регулировании процессов в промышленности и на транспорте. Устройства, осуществляющие линейную фильтрацию сигналов цифровыми методами (т. е. с использованием средств цифровой вычислительной техники), получили название цифровых фильтров.
Если определена функция передачи F(z) цифрового фильтра, свойства которого повторяют свойства аналогового фильтра-прототипа с функцией передачи F (p), то по ней просто строится каноническая схема, которую можно рассматривать как алгоритм обработки сигнала. Цифровую фильтрацию сигналов осуществляют на основе выполнения операций только трех типов: задержки, сложения и умножения. Поэтому алгоритм цифровой обработки может быть реализован двумя способами: универсальной ЭВМ, выполняющей цифровую обработку по специальной программе, или специализированным вычислительным устройством, выполняющим только три указанные выше операции. Первый способ реализации алгоритма цифровой фильтрации называют программным, второй — аппаратурным.
Программный способ реализации эффективен при моделировании различных систем цифровой обработки сигналов, так как позволяет легко изменять алгоритм фильтрации. Цифровые фильтры, предназначенные для работы в системах автоматики, телемеханики и связи, должны обрабатывать сигналы в реальном масштабе времени, т. е. за время, не большее периода дискретизации входных сигналов, что является их особенностью. Использование универсальных ЭВМ для этих целей практически невозможно из-за их сравнительно низкого быстродействия и значительной стоимости. Аппаратурная реализация цифровых фильтров основана на использовании цифровых интегральных схем, представляющих собой регистры сдвига, сумматоры, умножители и т. п. Она стала возможной в связи с появлением в последние годы больших интегральных схем, имеющих большие функциональные возможности и высокое быстродействие.
По сравнению с аналоговыми цифровые фильтры имеют ряд достоинств, к которым относят высокую стабильность параметров, простоту изменения характеристик, хорошую их повторяемость в процессе производства. При использовании цифровых фильтров не возникает задачи согласования нагрузок, они могут работать в диапазоне от сверхнизких частот до частот, измеряемых мегагерцами. Вместе с тем цифровым фильтрам присущи и некоторые специфические особенности, обусловленные цифровым характером обработки сигналов, о Цифровые фильтры используют в системах управления различными объектами и процессами, где алгоритмы обработки могут быть настолько сложными, что аналоговыми устройствами реализованы быть не могут. Другая важная область применения цифровых фильтров — это обработка низко- и инфранизкочастотных сигналов, когда использование аналоговых устройств затруднено из-за больших габаритных размеров катушек индуктивностей и конденсаторов. Области применения цифровых фильтров будут непрерывно расширяться в связи с появлением и широким распространением микропроцессоров, специализированных БИС ит. п., уменьшением их стоимости и повышением быстродействия.
На железнодорожном транспорте цифровые методы обработки сигналов, и в частности цифровые фильтры, смогут найти применение в перспективных системах связи, например в устройствах сопряжения систем передачи с частотным и временным разделениями каналов (трансмультиплексорах), во вновь разрабатываемых устройствах железнодорожной автоматики.