Цифровые комплексные фильтры на идентичных звеньях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Акар Мьо

• Акар Мьо
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Акар Мьо

Введение.

1. Проектирование цифровых БИХ-фильтров на идентичных звеньях.

1.1. Общая методика.

1.2. Последовательная структурная схема.

1.3. Параллельная структурная схема.

1.4. Каноническая структурная схема.

1.5. Использование звеньев специального вида.

2. Цифровые комплексные БИХ фильтры на идентичных звеньях.

2.1. Общие сведения о комплексных фильтрах.

2.2. Метод смещения частотной характеристики дискретного ФНЧ

2.3. Комплексные полосовые цифровые фильтры на идентичных звеньях.

2.4. Комплексные режекторные цифровые фильтры на идентичных звеньях.

2.5. Методика проектирования комплексных фильтров на базе звеньев специального вида.

3. Цифровые комплексные КИХ фильтры.

3.1. Метод разложения частотной характеристики в ряд Фурье.

3.1.1. Полосовой комплексный фильтр с симметричной АЧХ.

3.1.2. Полосовой комплексный фильтр с несимметричной АЧХ.

3.1.3. Режекторные комплексные КИХ фильтры с симметричной АЧХ.

3.1.4. Режекторные комплексные КИХ фильтры с несимметричной АЧХ.

3.2. Метод комплексной задержки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цифровые комплексные фильтры на идентичных звеньях»

Актуальность темы диссертации обусловлена следующим:

• широким применением алгоритмов фильтрации комплексных сигналов и необходимостью разработки методов синтеза и реализации комплексных цифровых фильтров на идентичных звеньях;

• необходимостью создания единых формализованных процедур расчета комплексных цифровых фильтров на идентичных звеньях, пригодных для перехода к автоматизированному проектированию;

• развитием микроэлектронной элементной базы с высоким уровнем интеграции, что требует разработки методов расчета параллельных структурных схем комплексных цифровых фильтров на идентичных звеньях;

• развитием методов адаптивной фильтрации, при которых может потребоваться перестройка параметров цифрового комплексного фильтра при сохранении формы АЧХ.

Объектами исследования являются: структурные схемы НЧ-прототипов (структурированные НЧ-прототипы) и структурные схемы комплексных цифровых фильтров.

Целью диссертационной работы является разработка методик расчета и реализации комплексных цифровых фильтров на идентичных звеньях. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Разработка методики проектирования цифровых БИХ-фильтров на идентичных звеньях с использованием последовательных, параллельных и канонических структурированных НЧ-прототипов.

2. Разработка набора НЧ-прототипов базовых звеньев специального вида, параметры которых не зависят от значения полосы пропускания цифрового фильтра высокого порядка.

3. Разработка методики расчета полосовых и режекторных цифровых БИХ-фильтров путем смещения частотных б характеристик базовых звеньев фильтров нижних и верхних частот.

4. Проверка работоспособности предложенных методик путем схемотехнического моделирования.

Методы исследования. Применительно к объектам исследования для решения поставленных задач используются методы теории функций комплексного переменного, метолы теории графов, методы линейной алгебры, методы теории чувствительности, методы математического и схемотехнического моделирования.

Научная новизна работы. В диссертации рассмотрена и в значительной степени решена задача, имеющая существенное значение для радиотехники - синтез и анализ новых структурных схем полосовых и режекторных комплексных цифровых фильтров на идентичных звеньях. Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработаны методики и получены формулы для расчета цифровых фильтров с последовательной, параллельной и канонической и структурными схемами.

2. Разработана методика синтеза структурной схемы комплексного полосового цифрового фильтра на идентичных звеньях с использованием метода смешения частотных характеристик базовых звеньев фильтра нижних частот.

3. Разработана методика синтеза структурной схемы комплексного режекторного цифрового фильтра на идентичных звеньях с использованием метода смещения частотных характеристик базовых звеньев фильтра верхних частот.

4. Предложены новые НЧ-прототипы идентичных базовых звеньев, позволяющие обеспечить отсутствие влияния полосы пропускания на параметры схемы цифрового базового звена.

5. Предложен универсальный метод проектирования комплексных полосовых и режекторных цифровых фильтров, названный методом комплексной задержки, позволяющий практически без расчетов находить структурные схемы комплексных фильтров путем соответствующего преобразования структурной схемы вещественного цифрового ФНЧ или ФВЧ.

6. Показана возможность реализации комплексных полосовых и режекторных цифровых фильтров с перестройкой центральной частоты без изменения формы частотных характеристик.

Достоверность разработанных в диссертационной работе методик синтеза подтверждается результатами схемотехнического моделирования, апробацией основных результатов на научно-технических конференциях, публикацией основных результатов в научно-технических журналах и сборниках.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Цифровые фильтры с последовательной, параллельной и канонической структурной схемами можно разрабатывать на базе комплексных идентичных звеньев, используя представленные в диссертационной работе методики.

2. Существуют НЧ-прототипы базовых цифровых звеньев, позволяющие обеспечить отсутствие влияния полосы пропускания фильтра на параметры базовых звеньев.

3. Комплексные цифровые полосовые и режекторные фильтры целесообразно разрабатывать, используя метод смещения частотных характеристик базовых звеньев.

4. Наиболее простые структурные схемы комплексных цифровых БИХ и КИХ фильтров получаются при использовании метода комплексной задержки.

5. Комплексные полосовые и режекторные цифровые фильтры на идентичных звеньях удобно перестраивать по частоте без искажения формы частотных характеристик путем изменения двух параметров в базовых звеньях.

6. Комплексные цифровые КИХ фильтры можно разрабатывать методом разложения частотной характеристики в ряд Фурье.

Практическая значимость работы обусловлена разработкой удобных для использования в инженерной практике методик проектирования комплексных полосовых и режекторных цифровых фильтров на идентичных звеньях. Рекомендации по выбору структурных схем носят конкретный характер, позволяют существенно сократить количество альтернативных вариантов. Результаты работы используются в курсе лекций по дисциплине «Методы и устройства цифровой обработки сигналов», а также при курсовом и дипломном проектировании на радиотехническом факультете МЭИ.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Акар Мьо

Заключение

Приведем основные результаты, полученные в диссертации.

1. Предложены два варианта НЧ-прототипов базовых звеньев, использование которых позволяет получить структурные схемы базовых звеньев с коэффициентами, не зависящими от полосы пропускания разрабатываемого фильтра.

2. Используя базовые звенья специального вида, можно реализовать перестраиваемые по частоте ППФ и ПЗФ с неизменной полосой пропускания.

3. Комплексные полосовые и режекторные фильтры целесообразно разрабатывать, используя идентичные звенья. В этом случае метод смещения частотных характеристик применяется к передаточной функции базовых звеньев.

4. Выделен самостоятельный вариант базового звена, названный комплексной задержкой, позволяющий без дополнительных расчетов преобразовывать различные структурные схемы вещественных ФНЧ и ФВЧ в структурные схемы комплексных полосовых и режекторных фильтров.

5. Комплексные КИХ-фильтры, в том числе и с несимметричной АЧХ, можно рассчитывать, используя метод разложения частотной характеристики в ряд Фурье,

6. Комплексные полосовые и режекторные КИХ фильтры можно рассчитывать, используя метод комплексной задержки. В этом случае появляется дополнительная возможность перестраивать центральную частоту без изменения формы АЧХ, путем изменения двух коэффициентов в комплексных задержках.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Акар Мьо, 2010 год

1. Гребенко Ю.А. Методы цифровой обработки сигналов в радиопремных устройствах М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 48 с.

2. Ю.А. Гребенко, Акар Мьо. Проектирование цифровых комплексных фильтров методом комплексной задержки / Ю.А. Гребенко, Акар Мьо // Вестник МЭИ.2009. № 1. -С.70.

3. Акар Мьо. Шаблоны для расчета цифровых фильтров на идентичных звеньях // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. XIII МНТК студентов и аспирантов: в 3-х т. -М.: Издательский дом МЭИ,2007. Т. 1. С. 49.

4. Акар Мьо. Комплексные цифровые фильтры на идентичных звеньях // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. XIV МНТК студентов и аспирантов: в 3-х т. -М.: Издательский дом МЭИ,2008. Т. 1. С. 63.

5. Акар Мьо. // Расчет цифровых комплексных- фильтров на идентичных звеньях методом комплексной задержки. Тез. МНТК К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ В.А.КОТЕЛЬНИКОВА: Москва,2123 октября 2008: Тезисы докладов. -М.: Издательский дом МЭИ, 2008г., С.8.

6. Акар Мьо. Цифровые комплексные режекторные фильтры на идентичных звеньях // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. XV МНТК студентов и аспирантов: в 3-х т. -М.: Издательский дом МЭИ,2009. Т. 1. С. 54.

7. Акар Мьо. Цифровые фильтры с параллельной структурой // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. XVI МНТК студентов и аспирантов: в 3-х т. -М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Т. 1. С. 60.

8. Гребенко Ю.А. Однародные устройства обработки сигналов / -М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 184 с.

9. Ричард Лайонс. Цифровая обработка сигналов:Второе издание. Пер. англ. -М.:000 «Бином-Пресс»,2006г. 656с.

10. Айфичер.,Эмманул С.,Джервис., Барри У. Цифровая обработка сигналов:практический подход,2-е издание.: Пер.с англ. -М.: Издательский дом "Вильяме", 2004. 992 с.

11. Верешкин А.Е., Катковник В.Я. Линейные цифровые фильтры и методы их реализации. М.: Сов. Радио, 1973. - 152 с.

12. Гадзиковский В.И,Калмыков A.A. Теория и проектирование устройств цифровой фильтрации:учебное пособие/ В.И Гадзиковский, А.А Калмыков.-Екатеринбург: ГОУ ВПО«УГТУ-УПЧ» ,2006.-433 с.

13. Голд Б., Рейдер И. Цифровая обработка сигналов. М.: Сов. Радио, 1973.-367 с.

14. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер с англ. М.: Мир,1976. - 848 с.

15. Введение в цифровую фильтрацию / Под ред. Р. Богнера' и А. Константинидиса -Пер. с англ. М.: Мир, 1976. - 216 с.

16. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры : Пер. с англ. -М.: Сов. Радио, 1980. 224 с.

17. Витязев В. В., Степашкин А. И. Метод синтеза цифровых узкополосных фильтров с усеченной импульсной характеристикой// Изв. вузов. Приборостроение. — 1977. — Т. 20, № 6. — С. 25—29.

18. Витязев В. В., Степашкин А. И. Синтез цифровых полосовых фильтров// Радиотехника.— 1978.—Т. 33, № 3.—С. 75—77.

19. Мизин И.А., Матвеев A.A. Цифровые фильтры. М.: Связь, 1979. -240 с.

20. Оппенгейм A.B., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов: Пер с англ. М.: Связь, 1979.- 416 с.

21. Витязев В. В., Колядко Д. И., Степашкин А. И. Вопросы реализации нерекурсивных узкополосных цифровых фильтров.// Радиотехника.—1980.— Т. 35, № 5. — С. 47—50.

22. Тарасов В.П., Тимонтеев В.Н. Квадратурные фильтры на интегральных схемах аналоговых перемножителей сигналов. — Изв. вузов Радиоэлектроника, 1980. - Т.23, № 8. - С.25- 31.

23. Применение цифровой обработки сигналов / Под ред. A.B. Оппенгейма Пер с англ. - М.: Мир, 1980.- 532 с.

24. Рабинер JL, Шафер Р. Цифровая обработка речевых сигналов. М.: Радио и связь, 1981, - 496 с.

25. Баскаков С.И.Радиотехнические цепи и сигналы:Учеб.для вузов по спец.«Радиотехника».-2-е изд.,-М.:Высш.шк. 1988.-448 с.

26. Корнг Г., Корнг Т.Справочник по математке.6-е изд .,стер.-СПб:Издательство «Лань»,2003 .-832с.

27. Витязев В. В., Муравьев С. И., Степашкин А. И. Метод синтеза цифровых узкополосных КИХ-фильтров// Изв. вузов. Радиоэлектроника.—1981.— Т. 24, № 7. С. 55—59.

28. Тимонтеев В.Н., Величко JI.M., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Радио и связь, 1982.-248 с.

29. Каппелини В., Константпнидис А.Дж., Эмилиани П. Цифровые фильтры и их применение: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360 с.

30. Антоныо А. Цифровые фильтры: Анализ и проектирование. М.: Радио и связь, 1983. - 320 с.

31. Христич B.B. N канальные фильтры с межканальными связями // Радиотехника. - 1983. - № 7 - С. 9-14

32. Цифровые фильтры в электросвязи и радиотехнике / A.B. Брунченко, Ю.Т. Бутыльский, JI.M. Гольденберг и др.; Под ред. JIM. Гольденберга. М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

33. Витязев В. В., Муравьев С. И. Модификации метода частотной выборки на основе структуры с квадратурной модуляцией.// Радиотехника.—1984.—№ 2—С. 19—23.

34. Витязев В. В., Муравьев С. И., Степашкин А. И. Метод проектирования цифровых полосовых фильтров с бесконечной памятью// Радиотехника.— 1984,—№2.—С. 19—23.

35. Цифровая обработка сигналов: Справочник, J1.M. Гольденберг, Б.Д.Матюшкин, М.П. Поляк М.: Радио и связь, 1985. - 312 с.

36. Валуев A.A. Комплексные цифровые фильтры // Радиотехника. 1985. - №8. - С. 19-22.

37. Петровский A.A., Ганушкин Ю.А. Метод синтеза каскадной структуры цифровых полосовых фильтров из однотипных звеньев« // Радиотехника и электроника . 1986. - №15. - С.26-31.

38. Христич В.В. Обобщенный квадратурный фильтр // Электросвязь. -1986.-№ 1.-С. 60-62.

39. Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. М.: Радио и связь, 1987. - 183 с.

40. Иванова В.Г. Алгоритм цифрового частотного детектирования // Радиотехника. 1987. - № 3. - С. 49-53.

41. Рекурсивные фильтры на микропроцессорах /А.Г. Остапенко, А.Б. Сушков, В.В. Бутенко и др.; Под ред. А.Г. Остапенко. М.: Радио и связь, 1988.- 128 с.

42. Первачев C.B., Сила-Новицкий С.Ю., Чиликин В.М. Цифровые системы поиска сигнала по частоте. М.: Изд-во МЭИ, 1992 - 80 с.

43. Витязев B.B. Цифровая частотная селекция сигналов. М.: Радио и связь, 1993.-240 с. .

44. Цифровые процессоры обработки сигналов: Справочник. / А.Г. Остапенко, С.И. Лавлинский, А.Б. Сушков и др. ; Под ред. А.Г. Остапенко. -М.: Радио и связь, 1994. 264 с.

45. Тамбовцев A.B. Цифровая коррекция частотной характеристики рекурсивного полосового фильтра. // Радиотехника. 2001, № 12.- С. 16-18.46.; Гребенко Ю:А. Стабильный усилитель // Тр. Моск.энерг.ин-та. 1975, -Вып.261, - С. 103-106.

46. Гребенко Ю.А., Савков Н;Ы. Некаскадный синтез полосовых активных фильтров на базе звеньев второго порядка // Тр. Моск.энерг.ин-та. 1978; -Вып. 355.- С. 105-108.

47. Гребенко Ю.А. Синтез; структурных схем масштабных преобразователей: // Тр; Моск. инерг. ин-та. 1979; - Вып. 4181 - С.130-134.

48. Гребенко Ю.А. Исследование методов синтеза высококачественных приемо-усилительных трактов на базе интегральных; схем . Дисс.канд. техн. наук. МЭИ, 1980. 163 с.

49. Гребенко Ю.А., Семкин A.A. К расчету^ цифровых полосовых фильтров //Сб. "Элементы и узлы радиоаппаратуры". М: 1983.-С.7

50. Гребенко Ю.А., Семкин A.A. Цифровые фильтры с перестраиваемыми параметрами. // Сб: "Элементы и узлы радиоаппаратуры". М. 1983. — С. 8

51. Гребенко Ю.А., Савков H.H., Семкин A.A. К расчету аналоговых и цифровых фильтров высокого порядка; с идентичными звеньями // Сб. "Элементы и узлы радиоаппаратуры". М. 1983.- С. 9

52. Гребенко Ю;А., Семкин A.A. Цифровые фильтры высокого порядка с перестраиваемыми параметрами // Сб. "Элементы и узлы радиоаппаратуры". М. 1984.- С. 11.

53. Гребенко Ю.А., Семкин A.A. Цифровые фильтры с перестраиваемыми параметрами // Радиотехника.-1984. № 4. - С. 92-93.

54. Гребенко-Ю.А., Савков H.H., Семкин A.A. Расчет аналоговых и цифровых фильтров с идентичными звеньями // Радиотехника. 1984. - № 5. -С. 87-90.

55. Гребенко Юг А. Расчет цифровых, фильтров на; основе билинейного преобразования // Радиотехника. 1987. - № 3. - С. 21-23.

56. A.c. N 1370726, кл. Н 03 Н 17/04, 1987. Рекурсивный фильтр / Ю.А. Гребенко,-A.A. Семкин

57. Гребенко 10.А. Синтез широкополосных полосовых фильтров // В кн. "Алгоритмы, помехоустойчивого < приема радиотехнических сигналов" М. МИРЭА. 1989.-С. 149-154:

58. Гребенко Ю.А., Семкин: A.A. Обеспечение реализуемости цифровых фильтров нижних частот в идентичном базисе // Радиотехника. -1991. № 7. -С. 87-89. <

59. Гребенко Ю.А., Семкин А.А:. Полосовые цифровые фильтры на идентичных звеньях // Радиотехника. 1993. - № Г. - С. 54-57.

60. Гребенко Ю.А., Сидоров С.А. Синтез цифровых полосно-пропускающих фильтров с комплексными коэффициентами // Радиотехнические тетради. 2000: - №20; - С.26-29.

61. Гребенко Ю.А. Новый метод расчета цифровых рекурсивных фильтров // Вестник МЭИ .- 2000. № - С.77-80.

62. Гребенко Ю.А. Цифровые аналитические фильтры // Международный форум информатизации 2002: Доклады международной конференции «Информационные средства и технологии», 15-18 октября 2002 г., в 3-х т.т. Т1- М.: Янус-К, 2002. - С. 142-144.

63. Гребенко Ю.А. Цифровые фильтрующие преобразователи Гильберта // Международный форум информатизации 2002: Доклады международной конференции «Информационные средства и технологии», 15-18 октября 2002 г., в 3-х т.т. Т1- М.: Янус-К, 2002. - С. 197-198.

64. Гребенко Ю.А., Кудряшов Т.В. Цифровые ФНЧ без операции умножения. // Радиотехнические тетради. 2002. - №.25 -С. 26-28

65. Гребенко Ю.А. Комплексные полосно-пропускающие активные RC-фильтры на базе идентичных комплексных звеньев. // Вестник МЭИ. - 2003. -№ 1. - С.80-83

66. Haflin S. An optimization-method for cascaded filters. — Bell; Syst. Techn. J., 1970, - v. 44, Febr., - P. 185—190.

67. Crooke A. W., Craig J. W. Digital filters for sample rate reduction// IEEE Trans.—1972, Oct. — Vol. AU-20. — P. 308—315.

68. Shafer R. W., Rabiner L. R. A digital signal processing approach to interpolation// Proc. IEEE.—1973, June.—Vol. 61.—P. 692—702.

69. Shafer R. W., Rabiner G. R. Design and simulation of a speech analysis— synthesis system, based on short time fourier analysis// IEEE Trans. — 1973, June.—Vol. AU-21.—P. 165—174.

70. Laker K. R., Ghausi M. S. A comparison of active multiple loop feedback techniques for realizing high-order bandpass filters. — IEEE Trans, 1974, v. CAS-21, N° 6, P. 774—783.

71. Laker K. R., Ghausi M. S. Synthesis of a low—sensitivity multiple loop feedback active RC filter. — IEEE Trans., 1974, v. GAS-21, Ns 2, P. 252—259.

72. Laker K .R.r Ghausi M. S., Kelly J. J. Minimum sensitivity active (leapfrog) and passive ladder bandpass filters. — IEEE Trans., 1975, v. CAS-22, №8, P. 672—

73. Lueder E. Optimization of the dynamic range and the noise distance of RC — active filters by dynamic programming. — Int. J. Circuit Theory and Applications, 1975.- v. 3, - P. 365—370.

74. Constantinidis A. G. Wave active filters. — Electron. Letts, 1975.- v. 11, №12, - P. 254—256.

75. Crochiere R. E., Rabiner L. R. Optimum FIR digital filter implementations for decimation, interpolation, and narrow-band filtering// IEEE Trans. — 1975, Oct.—Vol. ASSI-23.—P.444—456.

76. Laker K. R., Ghausi M. S. Minimum sensitivity multiple loop feedback bandpass active filters. — Proc. Int. Symp. Circuits Systems, 1977, P. 458—461.

77. Soderstrand M. A. Active R ladders: high frequency high order low — sensitivity active filters without external capacitors. — IEEE Trans, 1978, - v. CAS-25, № 12, - P. 1032—1038.

78. Bellanger M. G., Bonnerot G. Premaltiplication sheme for digital FIR filters with application to multirate filtering// IEEE Trans.—1978, Feb.—Vol. ASSP-26—P. 50—55.

79. Mintzer F., Liu B. The design of optimal multirate band pass and band-stop filters// IEEE Trans. — 1978, Dec. — Vol. ASSP-26. — P. 534—543.

80. Lawrence V. B., Salazar A. C. Finite precision design of linear—phase FIR— filters// The Bell System Technical Journal.—1980.—Vol. 59, ;№ 9.—P. 1575—1598.

81. Saramaki T. A class of linear-phase FIR filters for decimation, interpolation and narrow-band filtering// IEEE Trans.—1984, Oct.—Vol. ASSP-32.— P. 1023—1036.

82. Jing Z., Fam A. T. A new structure for narrow transition band, lowpass digital filter design// IEEE Trans.—1984, Apr.—Vol. ASSP-32. — P. 362-370.

83. Saramaki T. Design of optimal multistage IIR and FIR filters for sampling rate alteration// Proc. IEEE Int. Symp. Circuits and Systems. —1986, May.—-P. 227—230.

84. Neuvo J., Rajan G., Mitra S. K. Design of narrow—band-FIR bandpass digital filters with reduced arithmetic complexity// IEEE Trans. — 1987, Apr. — Vol. CAS-34.—P. 409—419.

85. Regalia P.A., Mitra S. K., Fadavi-Ardekani J. Implementation of real coefficient digital filters using complex arithmetic // IEEE Trans. 1987. - Vol. C - 34. - № 4. - P.345 - 352.

86. Medlin G. W., Adams J. W., Leondes C. T. Lagrange multiplier approach to the design of FIR filters for multirate applications// IEEE Trans. — 1988, Oct.— Vol. CAS-35.—P. 1210—1219.

87. John G.Proakis.,Dimitris G.Manolakis. 2000.Digital Signal Proce&s/rçgvPrinciples,Algorithms, and Applications, 3rd Ed.Prentice-Hall ,N.J.,U.S.A.

88. Harry Y.F.Lam.Analog and Digital Filters:Design and Realization. 1979. Prentice-Hall ,N.J.,U.S.A.