Proiectarea filtrelor FIR prin metoda ferestrei

Σχετικά έγγραφα
Proiectarea filtrelor IIR prin metode de transformare

Tratarea numerică a semnalelor

Metode iterative pentru probleme neliniare - contractii

Proiectarea filtrelor prin metoda pierderilor de inserţie

Metode de interpolare bazate pe diferenţe divizate

Curs 10 Funcţii reale de mai multe variabile reale. Limite şi continuitate.

a n (ζ z 0 ) n. n=1 se numeste partea principala iar seria a n (z z 0 ) n se numeste partea

Curs 14 Funcţii implicite. Facultatea de Hidrotehnică Universitatea Tehnică "Gh. Asachi"

Analiza în curent continuu a schemelor electronice Eugenie Posdărăscu - DCE SEM 1 electronica.geniu.ro

5. FUNCŢII IMPLICITE. EXTREME CONDIŢIONATE.

(a) se numeşte derivata parţială a funcţiei f în raport cu variabila x i în punctul a.

V.7. Condiţii necesare de optimalitate cazul funcţiilor diferenţiabile

LUCRAREA 3 FILTRE CU RĂSPUNS FINIT LA IMPULS

DISTANŢA DINTRE DOUĂ DREPTE NECOPLANARE

Curs 1 Şiruri de numere reale

Componente şi Circuite Electronice Pasive. Laborator 4. Măsurarea parametrilor mărimilor electrice

Componente şi Circuite Electronice Pasive. Laborator 3. Divizorul de tensiune. Divizorul de curent

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor

Functii definitie, proprietati, grafic, functii elementare A. Definitii, proprietatile functiilor X) functia f 1

Transformări de frecvenţă

Sisteme diferenţiale liniare de ordinul 1

MARCAREA REZISTOARELOR

Planul determinat de normală şi un punct Ecuaţia generală Plane paralele Unghi diedru Planul determinat de 3 puncte necoliniare

Asupra unei inegalităţi date la barajul OBMJ 2006

Functii Breviar teoretic 8 ianuarie ianuarie 2011

Curs 4 Serii de numere reale

5.5. REZOLVAREA CIRCUITELOR CU TRANZISTOARE BIPOLARE

R R, f ( x) = x 7x+ 6. Determinați distanța dintre punctele de. B=, unde x și y sunt numere reale.

COLEGIUL NATIONAL CONSTANTIN CARABELLA TARGOVISTE. CONCURSUL JUDETEAN DE MATEMATICA CEZAR IVANESCU Editia a VI-a 26 februarie 2005.

Integrala nedefinită (primitive)

RĂSPUNS Modulul de rezistenţă este o caracteristică geometrică a secţiunii transversale, scrisă faţă de una dintre axele de inerţie principale:,

riptografie şi Securitate

Subiecte Clasa a VII-a

Subiecte Clasa a VIII-a

Aplicaţii ale principiului I al termodinamicii la gazul ideal

1.7. AMPLIFICATOARE DE PUTERE ÎN CLASA A ŞI AB

Seminariile Capitolul X. Integrale Curbilinii: Serii Laurent şi Teorema Reziduurilor

Curs 2 DIODE. CIRCUITE DR


Problema a II - a (10 puncte) Diferite circuite electrice

V O. = v I v stabilizator

III. Serii absolut convergente. Serii semiconvergente. ii) semiconvergentă dacă este convergentă iar seria modulelor divergentă.

Metode Runge-Kutta. 18 ianuarie Probleme scalare, pas constant. Dorim să aproximăm soluţia problemei Cauchy

Erori si incertitudini de măsurare. Modele matematice Instrument: proiectare, fabricaţie, Interacţiune măsurand instrument:

a. 11 % b. 12 % c. 13 % d. 14 %

Definiţia generală Cazul 1. Elipsa şi hiperbola Cercul Cazul 2. Parabola Reprezentari parametrice ale conicelor Tangente la conice

Examen AG. Student:... Grupa:... ianuarie 2011

Laborator 11. Mulţimi Julia. Temă

Electronică anul II PROBLEME

5.4. MULTIPLEXOARE A 0 A 1 A 2

Criptosisteme cu cheie publică III

VII.2. PROBLEME REZOLVATE

Teme de implementare in Matlab pentru Laboratorul de Metode Numerice

Ecuatii trigonometrice

SEMINAR 14. Funcţii de mai multe variabile (continuare) ( = 1 z(x,y) x = 0. x = f. x + f. y = f. = x. = 1 y. y = x ( y = = 0

Fig Impedanţa condensatoarelor electrolitice SMD cu Al cu electrolit semiuscat în funcţie de frecvenţă [36].

Laborator 6. Integrarea ecuaţiilor diferenţiale

Ovidiu Gabriel Avădănei, Florin Mihai Tufescu,

Conice. Lect. dr. Constantin-Cosmin Todea. U.T. Cluj-Napoca

Esalonul Redus pe Linii (ERL). Subspatii.

Calculul şi utilizarea Transformatei Fourier Discrete

Seminar 5 Analiza stabilității sistemelor liniare

Circuite electrice in regim permanent

4. Măsurarea tensiunilor şi a curenţilor electrici. Voltmetre electronice analogice

prin egalizarea histogramei

1. Completati caseta, astfel incat propozitia obtinuta sa fie adevarata lg 4 =.

O generalizare a unei probleme de algebră dată la Olimpiada de Matematică, faza judeţeană, 2013

REDRESOARE MONOFAZATE CU FILTRU CAPACITIV

A1. Valori standardizate de rezistenţe

Laborator 1: INTRODUCERE ÎN ALGORITMI. Întocmit de: Claudia Pârloagă. Îndrumător: Asist. Drd. Gabriel Danciu

Ecuatii exponentiale. Ecuatia ce contine variabila necunoscuta la exponentul puterii se numeste ecuatie exponentiala. a x = b, (1)

SERII NUMERICE. Definiţia 3.1. Fie (a n ) n n0 (n 0 IN) un şir de numere reale şi (s n ) n n0

Ecuaţia generală Probleme de tangenţă Sfera prin 4 puncte necoplanare. Elipsoidul Hiperboloizi Paraboloizi Conul Cilindrul. 1 Sfera.

METODE NUMERICE: Laborator #5 Metode iterative pentru rezolvarea sistemelor: Jacobi, Gauss-Siedel, Suprarelaxare

Curs 2 Şiruri de numere reale

Capitolul 2: Sisteme

Diagnoza sistemelor tehnice


CONCURS DE ADMITERE, 17 iulie 2017 Proba scrisă la MATEMATICĂ

2.1 Sfera. (EGS) ecuaţie care poartă denumirea de ecuaţia generală asferei. (EGS) reprezintă osferă cu centrul în punctul. 2 + p 2

z a + c 0 + c 1 (z a)

T R A I A N ( ) Trigonometrie. \ kπ; k. este periodică (perioada principală T * =π ), impară, nemărginită.

Sisteme liniare - metode directe

Examen AG. Student:... Grupa: ianuarie 2016

riptografie şi Securitate

Transformata Laplace

TEMA 9: FUNCȚII DE MAI MULTE VARIABILE. Obiective:

Capitolul 4 Amplificatoare elementare

Matrice. Determinanti. Sisteme liniare

Stabilizator cu diodă Zener

* K. toate K. circuitului. portile. Considerând această sumă pentru toate rezistoarele 2. = sl I K I K. toate rez. Pentru o bobină: U * toate I K K 1

Capitolul 2 - HIDROCARBURI 2.4.ALCADIENE

Concurs MATE-INFO UBB, 1 aprilie 2017 Proba scrisă la MATEMATICĂ

8 Intervale de încredere

7 Distribuţia normală

BARAJ DE JUNIORI,,Euclid Cipru, 28 mai 2012 (barajul 3)

Să se arate că n este număr par. Dan Nedeianu

Profesor Blaga Mirela-Gabriela DREAPTA

Analiza funcționării și proiectarea unui stabilizator de tensiune continuă realizat cu o diodă Zener

3. Momentul forţei în raport cu un punct...1 Cuprins...1 Introducere Aspecte teoretice Aplicaţii rezolvate...4

Transcript:

1 Laboratorul 4 Proiectarea filtrelor FIR prin metoda ferestrei 4.1 Tema Înţelegerea metodei ferestrei pentru proiectarea filtrelor FIR. Rezolvarea unor probleme de proiectare de tip răspuns cu toleranţe fixate cu ajutorul metodei ferestrei. Studierea caracteristicilor în frecvenţă ale mai multor tipuri de ferestre. 4.2 Suport teoretic Metoda ferestrei este una dintre cele mai simple proceduri de proiectare a filtrelor FIR. Ea se bazează pe modularea în timp a unui răspuns ideal cu un semnal de tip fereastră, care are suport finit. Ordinul M al filtrului se fixează în prealabil, iar filtrul are forma generală Algoritmul de proiectare este următorul: H(z) = M h[n]z n. n=0 0. Date de proiectare: ordinul M al filtrului şi amplitudinea răspunsului ideal în frecvenţă care trebuie aproximat; de exemplu, pentru filtrul trece-jos din figura 4.1, se precizează frecvenţa ω t care delimitează banda de trecere [0, ω t ] de cea de oprire [ω t, π]. 1 ω ω t π Figura 4.1: Caracteristica de frecvenţă (amplitudine) a filtrului ideal trece-jos.

2 LABORATORUL 4. PROIECTAREA FILTRELOR FIR PRIN METODA FERESTREI 1. Se calculează răspunsul la impuls al filtrului ideal, considerând întârzierea de grup n 0 = M/2 (deci faza filtrului este liniară). De exemplu, pentru un filtru trece-jos, răspunsul ideal în frecvenţă este H id (e jω ) = e jωn 0, dacă ω ω t, 0, dacă ω t < ω π, (4.1) iar răspunsul la impuls este h id [n] = sin ω t(n n 0 ). π(n n 0 ) 2. Se alege o fereastră f[n] cu suport 0 : M. 3. Se calculează coeficienţii filtrului FIR modulând în timp răspunsul ideal h id [n] cu fereastra f[n], i.e. prin relaţia h[n] = h id [n] f[n], n = 0 : M. Eventual, se înmulţesc toţi coeficienţii h[n] cu o constantă potrivit aleasă (de exemplu astfel încât H(1) = M n=0 h[n] = 1). Observaţia 4.1 După aplicarea algoritmului se trasează răspunsul în frecvenţă al filtrului FIR obţinut şi se verifică dacă este convenabil. Dacă nu este convenabil, se poate mări ordinul M sau se poate alege o altă fereastră f[n]. Observaţia 4.2 Alegerea ferestrei. Răspunsul în frecvenţă al filtrului H(z), scris în funcţie de răspunsurile în frecvenţă ale filtrului ideal şi ferestrei, are forma H(e jω ) = 1 2π π π H id (e jθ )F (e j(ω θ) )dθ. Pentru ca H(e jω ) să fie cât mai aproape de H id (e jω ), e necesar ca F (e jω ) să fie o aproximaţie cât mai bună a impulsului unitate (continuu) δ(ω). (Cerinţele ca fereastra să aibă suport finit în timp şi ca spectrul ei să fie cât mai concentrat în jurul frecvenţei ω = 0 sunt contradictorii.) Ferestre uzuale Fereastra dreptunghiulară, cea mai simplă fereastră, este definită de 1, dacă 0 n M, f d [n] = Fereastra triunghiulară (Bartlett): 2n/M, dacă 0 n M/2, f t [n] = 2 2n/M, dacă M/2 n M, (4.2) (4.3) Fereastra Hanning: Fereastra Hamming: f Hann [n] = 0.5 0.5 cos(2πn/m), dacă 0 n M, f Hamm [n] = 0.54 0.46 cos(2πn/m), dacă 0 n M, Fereastra Blackman: 0.42 0.5 cos(2πn/m) + 0.08 cos(4πn/m), dacă 0 n M, f B [n] = (4.4) (4.5)

4.2. SUPORT TEORETIC 3 1+ b 1 1 b s ω ω b ω s π Figura 4.2: Caracteristică de frecvenţă (amplitudine) cu toleranţe şi exemplu de răspuns care satisface specificaţiile. Fereastra Kaiser: I 0(β 1 [(n n 0)/n 0] 2 ) f B [n] = I 0 (β), dacă 0 n M, 0, altfel, (4.6) unde I 0 ( ) este funcţia Bessel de ordinul zero modificată. Parametrul β permite varierea proprietăţilor ferestrei; pentru β = 0 se obţine fereastra dreptunghiulară. Pentru filtrele simple, e.g. de tip trece-jos, există unele metode empirice de alegere a ordinului M şi, pentru fereastra Kaiser, a parametrului β. Răspuns cu toleranţe fixate Un mod curent de specificare a performanţelor dorite pentru un filtru FIR este cel prezentat în figura 4.2, pentru un filtru trece-jos. Plecând de la un răspuns ideal în frecvenţă, se fac două feluri de aproximări: Răspunsul în frecvenţă este precizat cu toleranţe, în sensul că se permite o abatere maximă a amplitudinii de la valorile ideale 1 în banda de trecere şi 0 în banda de oprire. Toleranţele sunt b în banda de trecere [0, ω b ] şi s în banda de oprire [ω s, π]; valorile acestor toleranţe constituie date de proiectare. În afară de benzile de trecere şi de oprire, răspunsul în frecvenţă conţine şi o bandă de tranziţie (ω b, ω s ), în care valoarea amplitudinii este indiferentă. Problema de proiectare poate fi formulată în felul următor: F TOL. Dându-se frecvenţele ω b şi ω s şi toleranţele b şi s, să se găsească un filtru care satisface cerinţele din figura 4.2. Filtrul poate avea ordin dat sau se poate dori un filtru de ordin cât mai mic.

4 LABORATORUL 4. PROIECTAREA FILTRELOR FIR PRIN METODA FERESTREI 4.3 Ghid Matlab Un filtru FIR trece-jos se proiectează cu metoda ferestrei prin apelul >> h = fir1(m, wt) unde M este ordinul filtrului iar wt frecvenţa de tăiere (normalizată) a filtrului ideal (4.1). (Frecvenţele au valori normalizate în toate apelurile funcţiilor Matlab de proiectare a filtrelor.) Implicit, funcţia fir1 utilizează o fereastră de tip Hamming (4.4). Aceeaşi funcţie se poate utiliza pentru proiectarea unui filtru trece-sus, cu apelul >> h = fir1(m, wt, high ) sau pentru filtre trece-bandă etc. cu moduri de apel dezvăluite de comanda help fir1. Precizarea ferestrei se face cu apelul >> h = fir1(m, wt, f) unde f este semnalul fereastră. O fereastră de lungime N = M + 1 poate fi generată cu >> f = boxcar(n) >> f = triang(n) >> f = hanning(n) >> f = hamming(n) >> f = blackman(n) >> f = kaiser(n, beta) obţinându-se, în ordine, ferestrele dreptunghiulară, triunghiulară, Hanning, Hamming, Blackman şi Kaiser (cu parametrul β). Funcţia kaiserord întoarce parametrii necesari rezolvării (aproximative a) unei probleme F TOL cu un apel la fir1, utilizând o fereastră Kaiser. 4.4 Sarcini de lucru Tema 4.1 (Răspunsurile la impuls şi în frecvenţă ale ferestrelor uzuale) Consideraţi ferestrele (4.2 4.6), pentru M = 16. Pentru fereastra Kaiser se vor alege mai multe valori ale parametrului β, între 0 şi 6. a. Trasaţi răspunsurile la impuls ale acestor ferestre (obţinute cu funcţiile Matlab boxcar, triang etc.). De exemplu, pentru fereastra Hamming, trebuie să executaţi instrucţiunile >> f = hamming(m+1); >> stem(f) b. Desenaţi amplitudinile răspunsurilor în frecvenţă ale ferestrelor de mai sus, normând răspunsurile astfel încât amplitudinea la frecvenţă nulă să fie unitară. De exemplu, se pot utiliza >> f = f / sum(f); >> freqz(f) unde f este răspunsul la impuls calculat mai sus. c. Comentaţi şi comparaţi proprietăţile în frecvenţă ale ferestrelor. Observaţi că, în general, lăţimea lobului principal şi înălţimea lobilor secundari sunt în relaţie inversă, i.e. un lob principal îngust e însoţit de lobi laterali înalţi, iar un lob lateral lat apare împreună cu lobi laterali joşi.

4.4. SARCINI DE LUCRU 5 Tema 4.2 (Filtre proiectate cu diverse ferestre) a. Folosind metoda ferestrei, proiectaţi filtre FIR trece-jos de ordin M = 16, cu frecvenţa de tăiere ω t = 0.4π folosind toate tipurile de ferestre studiate la tema anterioară. (Puteţi utiliza funcţia Matlab fir1 sau scrie o funcţie echivalentă.) Comparati caracteristicile de frecvenţă ale filtrelor obţinute şi evaluaţi calităţile lor. Observaţi că răspunsurile cu atenuare mare în banda de trecere au benzi de tranziţie largi, iar cele cu benzi de tranziţie înguste au atenuări mici. b. Alegeţi o fereastră şi, ţinând ω t = 0.4π, măriţi ordinul filtrului, luând e.g. M = 24, apoi M = 32. Observaţi modificările caracteristicii de frecvenţă. Tema 4.3 (Utilizarea metodei ferestrei pentru rezolvarea problemei F TOL) Dorim să rezolvăm o problemă F TOL, pentru un filtru trece-jos; aşadar, se dau ω b, ω s, b, s, cu semnificaţia din figura 4.2. Folosind metoda ferestrei, putem proceda (suboptimal) în felul următor: 1. Alegem ordinul M şi frecvenţa de tăiere ω t astfel încât ω b < ω t < ω s. 2. Utilizând metoda ferestrei, cu datele M şi ω t, proiectăm un filtru FIR H(z). 3. Verificăm dacă filtrul H(z) satisface cerinţele problemei F TOL. Aceasta se face calculând abaterea maximă de la răspunsul ideal, în benzile de trecere şi oprire. De exemplu, presupunând că h este răspunsul la impuls al filtrului, eroarea în banda de trecere [0, ω b ] este (wb este frecvenţa nenormalizată) >> grila_frecv = 0:wb/1000:wb; % se iau suficient de multe puncte >> H = freqz(h,1,grila_frecv); >> Deltab_real = max(abs(1 - abs(h))); 4. Dacă am obţinut un filtru valid, putem încerca găsirea unei soluţii de ordin mai mic. Micşorăm M şi reluăm de la pasul 2. 5. Dacă nu am obţinut un filtru valid putem i) mări ordinul filtrului, ii) modifica ω t (cum?), sau iii) alege altă fereastră. Cu noile valori, reluăm de la pasul 2. a. Scrieţi o funcţie Matlab care primeşte ca argumente răspunsul la impuls al unui filtru FIR şi frecvenţele ω b, ω s definind benzile de trecere, respectiv oprire ale unui filtru trece-jos. Funcţia întoarce abaterile maxime b şi s în benzile de trecere, respectiv oprire. b. Folosind algoritmul sugerat mai sus şi funcţia scrisă la punctul a, proiectaţi un filtru FIR trece-jos care să rezolve problema F TOL cu ω b = 0.3π, ω s = 0.5π, b = 0.05, s = 0.05. (Scrieţi un program care să proiecteze un singur filtru, dându-se M, ω t şi tipul ferestrei. Modificaţi manual argumentele, în căutarea unei soluţii mai bune.) Tema 4.4 (Concurs de proiectare) La o oră fixată de comun acord, cadrul didactic îndrumător vă va comunica datele unei probleme F TOL (i.e. ω b, ω s, b, s ), pe care trebuie să o rezolvaţi în 10 minute. Proiectanţii celui mai bun filtru vor fi premiaţi (cu puncte suplimentare la laborator). Filtrul cel mai bun are ordinul cel mai mic. La ordine egale, câştigă filtrul cu abateri mai mici de la răspunsul ideal (mai precis, cel pentru care valoarea b + s este mai mică). Tema 4.5 (Supliment: un filtru nestandard) Utilizând metoda ferestrei, proiectaţi un filtru FIR cu M = 20, pornind de la răspunsul ideal H id (e jω 1, dacă ω π/2, ) = 1/2, dacă π/2 < ω π.