Τ.Ε.Ι. Λαμίας Τμήμα Ηλεκτρονικής



Σχετικά έγγραφα
Διάλεξη 10. Σχεδιασμός Φίλτρων. Κεφ Φίλτρο Διαφοροποιεί το φάσμα ενός σήματος Π.χ. αφήνει να περάσουν ή σταματά κάποιες συχνότητες

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Αντίστροφος Μετασχηματισμός Ζ. Υλοποίηση συστημάτων Διακριτού Χρόνου. Σχεδίαση φίλτρων

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών Σημάτων. Διάλεξη 17: Φίλτρα (II)

Α. ΣΚΟΔΡΑΣ ΨΗΦΙΑΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΔΙΑΛΕΞΗ 6 ΔΙΑΦΑΝΕΙΑ 1

Σχήµα 1: Χρήση ψηφιακών φίλτρων για επεξεργασία σηµάτων συνεχούς χρόνου

Kεφάλαιο 7 Σχεδιασμός IIR Φίλτρων

Σχεδιασμός Φίλτρων. Κυριακίδης Ιωάννης 2011

stopband Passband stopband H L H ( e h L (n) = 1 π = 1 h L (n) = sin ω cn

Παρουσίαση του μαθήματος

Filter Design - Part I. Νοέµβριος 2005 ΨΕΣ 1

1) Να σχεδιαστούν στο matlab οι γραφικές παραστάσεις των παρακάτω ακολουθιών στο διάστημα, χρησιμοποιώντας τις συναρτήσεις delta και step.

Μετασχηματισμός αναλογικών φίλτρων σε ψηφιακά

Σχεδιασµός IIR Φίλτρων Φίλτρα «άπειρης» κρουστικής απόκρισης IIR - Infinite impulse response filters

ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΟΣ ΑΣΚΗΣΗ 5

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 10: Γραμμικά Φίλτρα. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών

Ανάλυση ΓΧΑ Συστημάτων

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών

ΑΣΚΗΣΗ 6 Σχεδίαση FIR και IIR φίλτρων στο Matlab

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

10-Μαρτ-2009 ΗΜΥ Παραθύρωση Ψηφιακά φίλτρα

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

Σήματα και Συστήματα ΙΙ

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Ψηφιακή Επεξεργασία Σήματος

4. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ FOURIER

Αναλογικά φίλτρα. Για να επιτύχουµε µια επιθυµητή απόκριση χρειαζόµαστε σηµαντικά λιγότερους συντελεστές γιαένα IIR φίλτροσεσχέσηµετοαντίστοιχο FIR.

3-Απρ-2009 ΗΜΥ Φίλτρα απόκρισης άπειρου παλμού (IIR)

Εξεταστική Ιανουαρίου 2007 Μάθηµα: «Σήµατα και Συστήµατα»

Κεφάλαιο 6 Σχεδιασμός FIR φίλτρων

A k s s k. H c (s) = H(z) = 1 e s kt dz 1

Σχήμα Χαμηλοδιαβατά φίλτρα:

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Σχεδιασµός ΙIR Φίλτρων

Ιατρικά Ηλεκτρονικά. Χρήσιμοι Σύνδεσμοι. ΙΑΤΡΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ - ΔΙΑΛΕΞΗ 5γ. Σημειώσεις μαθήματος: E mail:

6-Μαρτ-2009 ΗΜΥ Μετασχηματισμός z

Ψηφιακός Έλεγχος. 10 η διάλεξη Ασκήσεις. Ψηφιακός Έλεγχος 1

x[n] = e u[n 1] 4 x[n] = u[n 1] 4 X(z) = z 1 H(z) = (1 0.5z 1 )(1 + 4z 2 ) z 2 (βʹ) H(z) = H min (z)h lin (z) 4 z 1 1 z 1 (z 1 4 )(z 1) (1)

Ενδεικτικές Ασκήσεις για το μάθημα: «Μετρήσεις Φυσικών Μεγεθών»

ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ FOURIER

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. Ενότητα : ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Ζ (ΖTransform)

20-Μαρ-2009 ΗΜΥ Φίλτρα απόκρισης πεπερασμένου παλμού (FIR)

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

ΤΕΙ ΗΠΕΙΡΟΥ ΣΧΟΛΗ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΤΗΛΕΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 11: Μετασχηματισμός Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

H ap (z) = z m a 1 az m (1)

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 9: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. Ενότητα : ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΑΚΡΙΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Ο Μετασχηματισμός Ζ. Ανάλυση συστημάτων με το μετασχηματισμό Ζ

Μετασχηµατισµός αναλογικών φίλτρων σε ψηφιακά

Σήματα και Συστήματα ΙΙ

Σχεδιασµός IIR φίλτρων - Λύσεις των Ασκήσεων

Συνέλιξη Κρουστική απόκριση

Διάλεξη 2. Συστήματα Εξισώσεων Διαφορών ΔιακριτάΣήματαστοΧώροτης Συχνότητας

Ολοκληρωµένο Περιβάλλον Σχεδιασµού Και Επίδειξης Φίλτρων

ΘΕΩΡΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. Μετασχηµατισµός Laplace. Εµµανουήλ Ζ. Ψαράκης Πολυτεχνική Σχολή Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

H ap (z) = z m a 1 az m (1)

Διάρκεια εξέτασης 2 ώρες

Εισαγωγή στην Επεξεργασία Σήματος. Νόκας Γιώργος

Τελικό Project Εργαστηρίου Ηλεκτρονικών Φίλτρων Χειµερινό Εξάµηνο

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών Σημάτων. Διάλεξη 20: Διακριτός Μετασχηματισμός Fourier (Discrete Fourier Transform DFT)

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ

Σύνθεση και Σχεδίαση Παθητικών Φίλτρων LC

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών

Σύντομη Αναφορά σε Βασικές Έννοιες Ψηφιακής Επεξεργασίας Σημάτων

3. Δίνεται ψηφιακό σύστημα που περιγράφεται από τη σχέση. y[n] = x[n]-2x[n-1] y[n] = x[n]-2x[1-n]

Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας. Ακαδημαϊκό Έτος Παρουσίαση Νο. 2. Δισδιάστατα Σήματα και Συστήματα #1

Ψηφιακή Επεξεργασία Σήματος Coursework

Γενικές Αρχές Επεξεργασίας Βιολογικών Σημάτων

Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας Ενότητα 2 η : Δισδιάστατα Σήματα & Συστήματα Μέρος 1

ΛΥΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗΣ ΠΕΡΙΟ ΟΥ ΙΟΥΝΙΟΥ 2004., η οποία όµως µπορεί να γραφεί µε την παρακάτω µορφή: 1 e

Αναλογικά φίλτρα. Τα IIR φίλτρα μπορούν εύκολα να σχεδιασθούν αρχίζοντας από ένα αναλογικό φίλτρο και

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ

Σχεδιασµός IIR φίλτρων

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

6. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ LAPLACE

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών

Κεφάλαιο 6 Σχεδιασμός FIR φίλτρων

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες. Δομή της παρουσίασης

Κεφάλαιο 5 Μετασχηματισμός z και Συνάρτηση μεταφοράς

x[n] x(nt s ) y c x c Discrete Time System D /C Conversion C/D Conversion Conv. From continous to discrete and from discrete to continous x trne

HMY 220: Σήματα και Συστήματα Ι

27/4/2009. Για την υλοποίηση τέτοιων αλγορίθμων επεξεργασίας απαιτείται η χρήση μνήμης. T η περίοδος δειγματοληψίας. Επίκ. Καθηγητής.

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Ι ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ BODE ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΟ ΤΕΥΧΟΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΩΝ

Σήματα και Συστήματα

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 13: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

ΤΥΠΟΛΟΓΙΟ ΓΙΑ ΤΟ ΜΑΘΗΜΑ "ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ"

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 2: Στοιχειώδη Σήματα Συνεχούς Χρόνου. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ z

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Ψηφιακά Φίλτρα. Αναλογικά και ψηφιακά φίλτρα 20/5/ /5/2005 2

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών. στο χώρο της συχνότητας

Ο μετασχηματισμός Fourier

Transcript:

Τ.Ε.Ι. Λαμίας Τμήμα Ηλεκτρονικής Σχεδίαση Φίλτρων IIR ( Infinite Impulse Response Filters ) Μπαρμπάκος Δημήτριος Τζούτζης Έλτον-Αντώνιος

Τα φίλτρα άπειρης κρουστικής απόκρισης ( Infinite Duration Impulse Response IIR ) Περιγράφονται από την εξίσωση διαφορών : M y(n) = b(k) x(n-k) - a(k) y(n-k) k=0 k=1 N Τα φίλτρα IIR έχουν ως χαρακτηριστικό την άπειρη κρουστική απόκριση.το πιο απλό παράδειγμα αναλογικού φίλτρου IIR είναι ένα RC φίλτρο το οποίο αποτελείται από μια αντίσταση και έναν πυκνωτή. Ο σχεδιασμός των φίλτρων είναι διαφορετικός για αναλογικά και ψηφιακά.συνήθως σχεδιάζουμε ένα αναλογικό φίλτρο και με τις υπάρχουσες πηγές και πληροφορίες που υπάρχουν σε πληθώρα το μετατρέπουμε σε ψηφιακό με διάφορες τεχνικές όπως ο διγραμμικός μετασχηματισμός (Bilinear transform) και γενικά με μετασχηματισμό απο το πεδίο του χρόνου σε πεδίο διακριτών τιμών.

Ένα αναλογικό σύστημα περιγράφεται από: 1) Την εξίσωση συστήματος. 2) Μια γραμμική διαφορική εξίσωση σταθερών συντελεστών., Η διαδικασία μετατροπής ενός αναλογικού φίλτρο σε ψηφιακό, θα πρέπει να ικανοποιεί τα παρακάτω κριτήρια: - Μόνο το αριστερό ημιεπίπεδο του πεδίου s θα πρέπει να απεικονίζεται στο εσωτερικό του μοναδιαίου κύκλου. - Ο jω άξονας του πεδίου s θα πρέπει να απεικονίζεται πάνω στον μοναδιαίο κύκλο.

Ιδιότητες Αναλογικών Φίλτρων Prototype Order N Stopband attenuation Batterworth 6 15 Chebychev 4 25 Elliptic 3 27

ΠΡΟΤΥΠΑ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΦΙΛΤΡΩΝ - Φίλτρα Butterworth - Φίλτρα Chebychev - Ελλειπτικά Φίλτρα 1)Πρότυπα αναλογικών φίλτρων Butterworth Τα βαθυπερατά φίλτρα Butterworth έχουν μόνο πόλους και δίνονται από την σχέση : 1 H(s)H(-s) = 1+ s 2N jωc Οι πόλοι της H(s)H(-s) δίνονται απο τη λύση της εξίσωσης : s jωc 2N = -1

Για την σχεδίαση Low Pass Filter με χρήση Butterworth χρησιμοποιούμε τις συναρτήσεις Buttord και Butter ( MATLAB ). - Buttord : Υπολογίζει την μικρότερη τάξη Ν μίας αναλογικής συνάρτησης μεταφοράς Butterworth που ικανοποιεί τις προδιαγραφές του φίλτρου. - Butter : Σχεδιασμός μίας συνάρτησης μεταφοράς τάξης N με προδιαγεγραμμένη μή-μηδενική συχνότητα αποκοπής σε rad/sec.

2)Πρότυπα αναλογικών φίλτρων Chebychev Η απόκριση πλάτους στην περίπτωση αυτή ορίζεται από τη σχέση : H(jΩ) 2 1 = ε2τ 2 L ( Ω ) Ωc όπου το πολυώνυμο TL(x) είναι το πολυώνυμο Chebyshev 1ου τύπου τάξης L το οποίο ορίζεται για πραγματικό x : T k (x) = cos(k cos 1 (x)) για x 1 cosh(k cosh 1 (x)) για x > 1 Ολες οι ρίζες του πολυωνύμου βρίσκονται στο διάστημα [ 1, 1]. Για τιμές του x εκτός του διαστήματος [ 1, 1],το πολυώνυμο έχει μονότονη συμπεριφορά και παίρνει μεγάλες τιμές.συμπεραίνουμε επομένως ότι το Τ 2 k (x) για x [ 1, 1] εμφανίζει κυματισμούς με τιμές στο διάστημα [0, 1], ενώ για x εκτός του [ 1, 1] εμφανίζει μονότονη συμπεριφορά παίρνοντας μεγάλες τιμές καθώς το x > 1.

3)Πρότυπα αναλογικά φίλτρα - Ελλειπτικά Τα ελλειπτικά φίλτρα ή φίλτρα Cauer παρουσιάζουν ομοιόμορφη κυμάτωση τόσο στη ζώνη διέλευσης όσο και στη ζώνη αποκοπής.τα φίλτρα αυτά έχουν και πόλους και μηδενικά. Τα ελλειπτικά φίλτρα είναι καλύτερα των φίλτρων Butterworth και Chebychev ως προς το γεγονός ότι απαιτούνται φίλτρα μικρότερης τάξης,δηλαδή λιγότεροι συντελεστές,για να ικανοποιήσουν τις ίδιες προδιαγραφές.με άλλα λόγια,για δεδομένη τάξη του φίλτρου και δεδομένες προδιαγραφές,ένα ελλειπτικό φίλτρο θα παρουσιάζει την στενότερη ζώνη μετάβασης. Η απόκριση όμως των ελλειπτικών φίλτρων παρουσιάζει περισσότερες μηγραμμικότητες στη ζώνη διέλευσης σε σχέση με τα αντίστοιχα φίλτρα Butterworth ή Chebychev.

Σχεδίαση IIR φίλτρων από αναλογικά φίλτρα - Κρουστική Αμεταβλητότητα. Δειγματοληψία στην κρουστική απόκριση ενός αναλογικού φίλτρου με περίοδο δειγματοληψίας Τ s : h(n) = h a (n Τ s ) + H(e jω ) = 1/ Τ s H α (jω/τ s + j 2πk/Τ s ) κ=- - Διγραμμικός Μετασχηματισμός Απεικόνιση(Μετασχηματισμός) επίπεδο s στο επίπεδο z : s=(2/t s )(1-z -1 /1+z -1 ) H(z)=H a (s) - Ελάχιστα Τετράγωνα Μέθοδος Prony για την ελαχιστοποίηση σφάλματος ελάχιστων τετραγώνων : L E= h d (n) h(n) 2 n=0

1)Σχέδιασμος φίλτρων ΙΙR με βάση την αμεταβλητότητα της κρούστικης απόκρισης(impulse invariance) -Όταν το σήμα έχει πεπερασμένο φάσμα(band limited) έχουμε κρουστική απόκριση από ψηφιοποίηση της συνεχούς κρουστικής απόκρισης -Πρέπει να αποφεύγεται αλλοίωση του φίλτροου από αναδίπλωση (aliasing) - Συνήθως σχεδιάζουμε φίλτρο συνεχούς χρόνου με αυστηρότερες προδιαγραφές από ότι χρειάζεται -Δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για φίλτρα μη-πεπερασμένου (non-bandlimited) φάσματος

2) Σχεδίαση ΙIR φίλτρων με χρήση του διγραμμικού μετασχηματισμού Η μέθοδος στηρίζεται στην προσέγγιση των ολοκληρωμάτων,που περιγράφουν την συμπεριφορά του αναλογικού φίλτρου, με την βοήθεια του κανόνα του τραπεζίου. Η απεικόνιση μεταξύ των πεδίων s και z δίνεται από τη σχέση που ονομάζεται διγραμμικός (bilinear) μετασχηματισμός : s = 2 T 1 z 1 1+z 1 Το απεικονίζεται στο z=-1. Θέτοντας s=σ+jω, z=re jω στην παραπάνω σχέση : σ= 2 T Ω= 2 Τ r 2 1 1+r 2 +2rcosω 2rsinω 1+r 2 +2rcosω Με τον τρόπο αυτό καταλήγουμε σε ένα ευσταθές φίλτρο εφόσον το αναλογικό είναι ευσταθές.

3)Σχεδίαση IIR φίλτρων από αναλογικά φίλτρα με τη μέθοδο prony Ελαχιστοποίηση σφάλματος ελαχίστων τετραγώνων : Παρακάτω δίνεται παράδειγμα εφαρμογής της μεθόδου prony για την υλοποίηση ενός IIR LPF φίλτρου με τη βοήθεια του MATLAB : d=fdesign.lowpass('nb,na,f3db',4,4,0.2); Hd=design(d,'butter'); impulse_resp=filter(hd,[1 zeros(1,31)]); denom_order=4; num_order=4; [Num,Den]=prony(impulse_resp,num_order,denom_order); subplot(211); stem(impz(num,den,length(impulse_resp))); title('impulse Response with Prony Design'); subplot(212); stem(impulse_resp); title('input Impulse Response');

h d (n) προσεγγίζεται με h(n) Η(z)= Προσέγγιση Pade

Υπολογισμοί Προσέγγισης Pade Υπολογισμός α κ,k=1,...,p από p τελευταίες εξισώσεις Υπολογισμός b κ, k=0,1.,q από q +1 πρώτες εξισώσεις : Όταν n=0,1,.,p+q,τότε h(n)=h d (n) Όταν n>p+q,τότε h(n) δεν είναι καλή προσέγγιση της h d (n)

Παράδειγμα Προσέγγισης Pade n h ( n) 3( ) u( n) d 1 2 b b z H z q p 1 0 1 ( ), 1, 1 1 1 az 1 h (1) a h (2) 3 a 3( ) a d 1 1 2 1 1 d 2 1 2 1 2 hd(0) a1hd( 1) b0 3 a10 b0 b0 3 3 hd(1) a1hd(0) b1 2 a13 b1 b1 0 H( z) 3 1 z 1 2 1

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ : Σήματα,συστήματα και ψηφιακή επεξεργασία σημάτων, Δρ. Ασημάκης Νίκος Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων, Γεώργιος Β. Μουστακίδης,Πανεπιστήμιο Πάτρας "Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων, Δρ. Ανδρέας Σπανιάς, Θεμιστοκλής Χαραλάμπους, Πανεπιστήμιο Κύπρου ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΦΙΛΤΡΩΝ, Μεταπτυχιακό Ηλεκτρονικής Φυσικής, Κ. Ψυχαλίνος, Σ. Νικολαϊδης, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Τμήμα Φυσικής www.wikipedia.org www.mathworks.com