Цифровая обработка сигналов

1.

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого
Научно-исследовательская лаборатория цифровой обработки сигналов
Цифровая обработка сигналов
Иллюстративный материал к конспекту лекций
Реганов Владислав Михайлович
ауд. 4301
Великий Новгород 2014

2.

Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Солонина А.И.,Улахович Д.Л. и др. Основы ЦОС. Курс лекций. Изд.2-е СПб.:Питер,2005
А.Б.Сергиенко. Цифровая обработка сигналов. – СПб.: Питер, 2003 г.
Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. пер. с англ. под ред. Бритова А.А.
– М.: Бином, 2006.
Айфичер Э.С, Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов: практический
подход, 2-е издание .Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004
Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. 2006 год. 856 стр.
Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов.– СПб.:
Политехника,1998
Гольденберг К.Н., Матюшкин Б.Ю., Поляк Н.Н., Цифровая обработка
сигналов. – М.: Радио и связь, 1990
Рабинер Л., Гоулд Б.. Теория и применение цифровой обработки сигналов.
/пер. с англ. – Мир, 1978
Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов, М., Мир,
1989
С.Л. Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения
Цифровая обработка сигналов. Слайд 2

3.

Основные области применения ЦОС
Связь
Кодирование речи
Военная техника
Распознавание речи
Спектральный
анализ
Синтезаторы
музыки
Верификация
диктора
Компенсаторы
эхо
Ультразвуковое
Засекреченная
оборудование
связь
Генерация
функций
Игрушки
и игры
Повышение
качествафильтрация
речи
Цифровая
Видео-конференц.
связь
Обработка
Диагностический
Радиолокация
инструментарий
Анализ
сейсмограмм
Робототехника
Цифровое
вещание
и телевидение
Общетехнические
Синтез
речи
Свертка
Модемы
изображений
Мониторинг
Обработка
больных
изображений
Цифровая
фильтрация
Цифровое
управление
……………………………………………..
Системы
“речь - текст”
Корреляция
Космическая
фотосъемка
Зрение
роботов
Цифровое
радио
Слуховые
Навигация
приборы
Синтез
моделей доступ
Засекреченный
Преобразование
Гильберта
Компрессия
данных
Компрессия
и
передача
Трансмультиплексоры
Протезирование
Радиомодемы
Временной
анализ
Контрольная
аппаратура для ЛЭП
изображений
Быстрое преобразование
Фурье
Анализ
измерений
космических
зондов
Сотовая
телефония
Управление
ракетами
Анализ
вибраций
Медицина
ОбработкаРадиотелескопы
речи
Распознавание
образов
Адаптивная
фильтрация
Интеллектуальные
мультиплексоры
Радиоразведка
Фазовая синхронизация
Повышение
качества
изображения
Генерация
сигналов
Адаптивные
корректоры
Гидроакустика
Трехмерные
вращения
Кодирование
- декодирование
Интерполяция
картами
ШифрованиеРабота
данныхс цифровыми
Космонавтика
Инструментарий
Пакетная коммутация
Другие
Широкополосная связь
Промышленность
ЦОС
Цифровая обработка сигналов. Слайд 3

4.

Элементная база ЦОС
Элементная база ЦОС
Цифровые ИС
МИС
БИС
ПЛИС
Програм.
СИС
СБИС
БМК
Репрогр.
Дискретноаналоговые ИС
Универсальные
ЦВМ
Специализ.
ЦВМ
МикроЭВМ
Сигнальные
процессоры
ЦАП
ПЭВМ
Графические
процессоры
ПЗС-ППЗ
Большие
ЭВМ
Специализ.
процессоры
Супер ЭВМ
Специализ.
ЦВМ
АЦП
УКК
Цифровая обработка сигналов. Слайд 4

5.

Примеры устройств ЦОС
Цифровая обработка сигналов. Слайд 5

6.

Примеры устройств ЦОС
Цифровая обработка сигналов. Слайд 6

7.

Примеры устройств ЦОС
Цифровая обработка сигналов. Слайд 7

8.

Средства разработки системы ЦОС
Ассемблер
MOV A,B
11010100010001
Языки высокого уровня
(C, C++, VHDL, Abel, Verilog,
HDL,….)
САПР
Эмулятор
(JTAG)
Отладочный
комплект
(Development board)
Система ЦОС
Цифровая обработка сигналов. Слайд 8

9.

Пример аналогового и цифрового устройств
Аналоговое устройство
+
Цифровое устройство
ФНЧ
ЦАП
АЦП
1010
1001
Цифровая обработка сигналов. Слайд 9

10.

Сравнительная характеристика цифровой и
аналоговой обработки
Преимущества
•Повторяемость
(малочувствительны к старению, к
допускам точности компонентов, к
изменениям температуры)
•Высокая помехоустойчивость
•Большой динамический
диапазон
•Высокая точность
•Универсальность методов и
аппаратуры
•Гибкость (Возможность
программной перестройки)
Недостатки
•Большие требования к
быстродействию (ширине полосы
частот)
•Сложность методов и
аппаратуры
•Большая мощность
потребления энергии
•Наличие погрешностей
дискретизации и шумов
квантования
•Высокая скорость морального
старения
•Высокая степень интеграции
Цифровая обработка сигналов. Слайд 10

11.

Вопросы для самостоятельной работы по Введению
1. Основные области применения цифровой обработки сигналов
2. Общая характеристика, типы и основные параметры
программируемых логических интегральных схем (ПЛИС)
(CPLD, FPGA фирм Xilinx, Altera и др.)
3. Основные типы и характеристики аналого-цифровых и
цифроаналоговых преобразователей, в том числе на основе
технологии Σ-Δ.
4. Общая характеристика графических процессорных устройств для
высокопроизводительных вычислений.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 11

12.

Раздел 1. Теория дискретных систем
Непрерывные, дискретные и цифровые сигналы
Представление сигналов
Графически
y(t) В, y(n), ý(n)
1000, 8
0111, 7
0110, 6
Цифровой сигнал (квантование по
уровню и дискретизация по времени)
Непрерывный (аналоговый) сигнал
Дискретный сигнал
(дискретизация по времени)
q
1.
0011, 3
0010, 2
0001, 1
T
0.1
0.2
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9 t, сек
1
2
5
6
7
8
9
n
T=1/fd – шаг дискретизации, fd- частота дискретизации, q –шаг квантования
0
Цифровая обработка сигналов. Слайд 12

13.

Непрерывные, дискретные и цифровые сигналы
2.
3.
Набор чисел: 0, 0.5, 0.25, 0.125..
Аналитически: x(n)=1/2n, n=0, 1, 2..
4.
Рекуррентно: x(n)=x(n-1)/2, x(0)=1, n=0, 1, 2..
Примеры последовательностей:
u0(n)
1
-2 -1 0 1
u-1(n-nu0)-1(n)
u0(n-n0)
1
2
n
единичный импульс
1
0
n0
n
единичный импульс,
задержанный на n0 отсчетов
1
0
0n0
единичный
единичный скачок
скачок
задержанный на n0
отсчетов
если задана a(n), n , то
a (n) a (m)u0 (n m)
m
Цифровая обработка сигналов. Слайд 13
n

14.

Линейные системы с постоянными параметрами (ЛПП)
x(n)
Ф[x(n)]
y(n)
Дискретная ЛПП
Свойства ЛПП
Линейность
Если
x1(n)
и
x2(n)
Ф
Ф
то
a1x1(n) +a2x2(n)
Ф
Инвариантность задержки
y1(n)
y2(n)
a1y1(n) +a2y2(n)
Если
x(n)
то
x(n-n0)
n0
Цифровая обработка сигналов. Слайд 14
Ф
Ф
y(n)
y(n-n0)
n0

15.

Свойства ЛПП
Коммутативность (перестановка):
Если
x(n)
Ф1
Ф2
y(n)
то
x(n)
Ф2
Ф1
y(n)
Цифровая обработка сигналов. Слайд 15

16.

Суперпозиция
x1(n)
+
Синтез
x2(n)
x (n)
Разложение
+
x3(n)
Цифровая обработка сигналов. Слайд 16

17.

Импульсная характеристика
h(n) – импульсная характеристика – отклик системы
на единичный импульс u0(n)
u0(n)
Дискретная
ЛПП
h(n)
Характеристики ЛПП полностью определяются ее
импульсной характеристикой
Цифровая обработка сигналов. Слайд 17

18.

Фундаментальная концепция ЦОС
x(n)
y(n)
h(n)
разложение
(декомпозиция)
синтез
x(n)=x1(n)+x2(n)+x3(n)
y(n)=y1(n)+y2(n)+y3(n)
y1(n)
x1(n)
h(n)
+
+
x2(n)
y2(n)
h(n)
x3(n)
+
y3(n)
h(n)
Цифровая обработка сигналов. Слайд 18
+

19.

Свертка
m
m
y n x n h n x m h n m x m n h m ,
h( ) – импульсная характеристика, – оператор свертки.
где
h(n), x(m)
2
1
n
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
h(n-m), x(m)
0 0 0 00 2
02 0
20
2 002200202
0 00 00 00 000 00
nn == -1
7
6
5
4
3
2
1
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
y(n)
8
m h(n-m)
x(m)
x(m) h(n-m)
…
0
0
00
0
0
2
1
0
20
1
0
2
1
0
20
-1
5
4
1
7
6
2
0
3 2
2
0
1
2
00
3
2
0
1
2
00
4
2
0
0
00
5
2
0
0
00
…
6
02
0
00
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Цифровая обработка сигналов2 Слайд 20
y(n)
06
4
0
2
8

20.

Свертка
m
m
y n x n h n x m h n m x m n h m ,
где
h( ) – импульсная характеристика, – оператор свертки.
h(n), x(m)
2
1
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
h(n-m), x(m)
0 0 0 00 1
01 0
20
0 00 00 00 000 000
2 003300404
nn == -1
7
6
5
4
3
2
1
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
y(n) 9
6
3
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Цифровая обработка сигналов. Слайд 21

21.

Физическая реализуемость ЛПП
Если h(n)=0 при n<0
h(n)
h(n)
0
нереализуемая
0
реализуемая
Условие устойчивости ЛПП
h n
n
y1(n),
y2(n),
y3(n) 1
0.25n
y1(n)=0.1 2
u-1(n) - не устойчивая
n
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
y2(n)=0.8 u-1(n)
- устойчивая
y3(n)=1/n u-1(n)
-?
n
Цифровая обработка сигналов. Слайд 22

22.

Разностные уравнения
Назначение:
• временной анализ дискретных систем;
• способ построения системы;
• порядок, нули, собственные частоты.
Разностное уравнение М-го порядка:
M
M
i 0
i 1
y n bi x n i ai y n i , n 0, aM 0
Пример ЛПП 2-го порядка
y n b0 x(n) b1 x(n 1) b2 x(n 2) a1 y(n 1) a2 y(n 2)
x(n-2)
x(n-1)
b2
b1
x(n)
b0
y(n)
+
-a1
-a2
y(n-1)
y(n-2)
Цифровая обработка сигналов. Слайд 23

23.

Частотная характеристика ЛПП
Пусть x(n)=ej n – дискретный комплексный гармонический сигнал.
Тогда при прохождении его через ЛПП с ИХ h(n)
y(n) h(m) e j ( n m ) e j n h(m) e j m
m
x(n)
m
H ( e j )
Частотная характеристика ЛПП:
H (e j ) H (e j 2 k ) h(n) e j n , k 0, 1, 2,
n
Цифровая обработка сигналов. Слайд 24

24.

Преобразование Фурье для дискретных сигналов
Для непрерывных сигналов:
X н ( j ) xн (t ) e
j t
dt
Для дискретных сигналов:
X (e ) x(n) e j n
j
1
1
j
j n
j t
x
(
n
)
X
(
e
)
e
d
xн (t )
X
(
j
)
e
d
н
2
2
т.к. X(ej )=X(ej +2 k), k=0, 1, 2…
X(ej ) непрерывная и
периодичная (период 2 )
Цифровая обработка сигналов. Слайд 25

25.

Свойства ПФ для дискретных сигналов
Последовательность
x(n) y(n)
Преобразование Фурье
X(ej ) Y(ej )
1. Линейность
a x(n)+b y(n)
a X(e )+ b Y(e )
2. Задержка
x(n-n0)
ej n0 X(ej )
3. Частотный сдвиг
ej 0n x(n)
X(ej( - 0))
4. Свертка
x(n) y(n)
X(ej ) Y(ej )
x(n) y(n)
1
j
j ( )
X
(
e
)
Y
(
e
) d
2
Свойство
5. Произведение
j
Цифровая обработка сигналов. Слайд 26
j

26.

Соотношение между ПФ дискретных и непрерывных сигналов
|Xн(j )|, |X(ej T)|
/T 2 /T- 0 2 /T 0+2 /T 3 /T
fд/2
fд
3fд/2
0 0
- /T
-fд/2
Re[xн(t)]=xн(t)
X e
j T
4 /T
2fд
1
2
T x’ T m
m
x(n, 0) , x(n, 0+2 /T), x(n, 2 /T- 0), x(nT, 0)
1
0.5
t
0
T
2T
3T
-0.5
-1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 27
4T

27.

Эффект наложения спектров (aliasing)
max= д – без наложения
|Xн(j )|, |X(ej T)|
0
д/2
д
3 д/2
2 д
5 д/2
6 д
max > д – наложения
|Xн(j )|, |X(ej T)|
ФНЧ
0
д/2
д
д/2
2 д
5 д/2
6 д
max = д – без наложения
|Xн(j )|, |X(ej T)|
0
3 д/2
д
3 д/2
2 д
5 д/2
Цифровая обработка сигналов. Слайд 28
6 д

28.

Z-преобразование
Применяется для описания, синтеза и анализа ЛПП
Преобразование Лапласа
Z-преобразование
X ( , ) x(n) e n e j n
X ( s) x(t ) e dt
st
n
e n r n , ln(r )
s j
X ( , ) x(t ) e
t
e
j t
dt
X (r , ) x(n) r n e j n
n
X ( z ) x(n) z n , z re j
n
Цифровая обработка сигналов. Слайд 29

29.

Z-плоскость
X ( z ) x(n) z n , z re j , r-радиус, -угол, ej - единичная окружность
n
Im(Z)
1
0
1
ЛПП устойчива, если все
полюса находятся внутри
единичной окружности:
rp<1
Re(Z)
Для любой ЛПП X(z) можно представить в виде:
1 z z
M
X z A
i 1
N
i
1 pi z 1
i 1
M
1
a z
i
где
i
i 0
N
1 bi z i
,
zi – нули;
pi – полюса.
i 1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 30

30.

Примеры Z-преобразования
x(n)
Z[x(n)]
x(n)
Z[x(n)]
u0(n)
1
ej n
1/(1-ej z-1)
u-1(n)
1/(1-z-1)
nan-1
z-1/(1-az-1)2
(-1)n
1/(1+z-1)
n
z-1/(1+z-1)2
ansin(n )
az 1 sin
1 2az 1 cos a 2 z 2
n2
(z-1-z-2)/(1+z-1)3
ancos(n )
1 az 1 cos
1 2az 1 cos a 2 z 2
an
1/(1-az-1)
Связь Z-преобразования и преобразования Фурье
X z z e j X e
j
x n e
n
Цифровая обработка сигналов. Слайд 31
j n

31.

Пример
Z1=e j /4 = 0.707 + j 0.707
Z2=e -j /4 = 0.707 - j 0.707
p1=0.9 e j /4 = 0.636 + j 0.636
p2=0.9 e -j /4 = 0.636 - j 0.636
1
|H(ej )|
0.9
0.8
|H(z)|
|H(ej 0.6
)|
1
5
0.4 4.5
0
3
2.5
-0.2
0.8
/4
3.5
z
Im(Z)
4
0.2
0.6
2
0.4
-0.4 1.5
1
-0.6
0.5
-0.8
0.2
0
-2
-1
-1.5
-1.5
0
0
-1
-1
-1
-0.5
-0.5
0
1
-0.5
20.5
3
01
Re(Z)
1.5
4
0.5
2
0
5
1
1
0.5
1.5
ReZ
Цифровая обработка сигналов. Слайд 32
ImZ
6

32.

Основные свойства Z-преобразования
Последовательность
x(n) y(n)
Z-преобразование
X(z) Y(z)
1. Линейность
a x(n)+b y(n)
a X(z)+ b Y(z)
2. Задержка
x(n-n0)
z-n0 X(z)
3. Частотный сдвиг
an x(n)
X(z/a)
4. Свертка
x(n) y(n)
X(z) Y(z)
x(n) y(n)
1
1
X
v
Y
z
/
v
v
dv
2 j c
Свойство
5. Произведение
Цифровая обработка сигналов. Слайд 33

33.

Обратное Z-преобразование
x n
1
n 1
X
z
z
dz
2 j c
Способы вычисления:
1. Деление числителя на знаменатель
2. Разложение на простые дроби
3. Использование теоремы о вычетах
4. Таблица Z-преобразований
Цифровая обработка сигналов. Слайд 34

34.

Одностороннее Z-преобразование
Предназначено для анализа физически реализуемых систем
X ( z ) x (n) z n
n 0
Основное отличие – в свойстве задержки
X z z n0 X1 z x1 n0 x1 n0 1 z 1
где
x1 n0 , x1 n0 1 ,
x1 1 z n 1 ,
, x1 1 - начальные условия
При нулевых начальных условиях:
X z X1 z z n0
- аналогично двустороннему Z-преобразованию
Цифровая обработка сигналов. Слайд 35

35.

Решение РУ с помощью Z-преобразования
j n
Пример: решить РУ y n x n ay n 1 , y( 1) K , x n e u 1 n
1
Решение: Y z X z a Y z z K
Y z
X z aK
1 az 1
,
- Z-преобразование от обеих частей
x n e j n X z
1
1 e j z 1
a a e j e j a e j
aK
1
aK
Y z
1
1
1
j 1
1
1 az
1 az
1 az
1 e j z 1
1 e z 1 az
j n 1
n 1
a
e
1
n 1
y n
u n
Y ( z ) a K
j
j 1
a e
a e
Общий случай решения РУ порядка L
L
L
i 0
i 1
y n ai x n i bi y n i , x (n) 0 при n 0
L
L
Y z ai z X z bi z 1Y z Y i Y 1 i z 1 ...
i 0
i
i 1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 36

36.

Пример вычисления обратного Z-преобразования
2. Разложение на простые дроби:
30 z 2
X z 2
6z z 1
1. Деление числителя на знаменатель:
30 z 2
x n z
n
6z2 z 1
5
35 2
5 z 1
z ...
6
36
n
5
x 0 x 1 z ... 5 ...
6
1
5 35
x n 5, , ,...
6 36
i
Z 1
i pin
1
1 pi z
p1 1/ 2, p2 1/ 3
30 z 2
5
X z
6 z 1 2 z 1 3 1 1 1 1
1 z 1 z
2 3
X z
3
2
1
1
1 z 1 1 z 1
2
3
n
n
3 1 2 2 1 3 , при n 0
x n
при n<0
0,
Цифровая обработка сигналов. Слайд 37

37.

Дискретное преобразование Фурье
Дискретное преобразование Фурье размерностью N:
N 1
X p k xp n e
j
2
kn
N
k 0, 1 ... N 1
,
n 0
Xp(k) – периодическая последовательность с периодом N
Обратное дискретное преобразование Фурье:
N 1
1
xp n X p k e
N k 0
j
2
kn
N
,
n 0, 1 ... N 1
xp(n) – периодическая последовательность с периодом N
Цифровая обработка сигналов. Слайд 38

38.

Связь Z-преобразования и ДПФ
Пусть
x n , при 0 n N 1
x n p
0,при других n
Тогда
X z x n z
n
Полагая
zk e
j
2
k
N
– конечная последовательность
N 1
x n z n
n 0
, k=0,1..N-1
X p (k ) X z
N 1
2
k
z e N
j
x n e
j
2
nk
N
n 0
Im(Z)
N=8
Re(Z)
0
Цифровая обработка сигналов. Слайд 39

39.

Связь ДПФ и ПФ
2
N 1
j
kn
1
n
N
X z x n z X p k e
z n
n 0
n 0 N k 0
N 1
N 1
x(n)
1
X p k e
k 0 N
n 0
N 1
N 1
X e
где:
j
X ( z)
( )
j
2
k
N
N
N 1 X
k
1
z
z 1 p
2
j
k
N
k 0
1
N
1 z e
n
2 k
X
k
,
p
j
z e
N
k 0
N 1
N
sin
j N 1
2
e 2 ,
N sin
2
Ф(0)=1 :
X(ej2 k/N)=X(k)
Цифровая обработка сигналов. Слайд 40

40.

Связь ПФ и ДПФ (пример)
x (n)
0
xp(n)
N
|X (ej )|
0
n
4
2N
(k)
|Xp(k)|
2
N
arg[X (ej )]
0
2N
arg[Xp(k)]
2
N
4
2N
Цифровая обработка сигналов. Слайд 41
(k)

41.

Дополнение нулями
x(n) – конечная последовательность длины N,
X (e j )
X (e j ) x(n) e j n
N 1
l
X e j (2 / L )l x(n) e j (2 / L )ln , l 2 l / L, l 0,1..L 1
n 0
x(n), 0 n N 1,
ˆx(n)
N n L 1,
0,
L 1
N 1
n 0
n 0
Xˆ k xˆ (n) e j (2 / L ) kn x(n) e j (2 / L ) kn
Xˆ k X e j (2 / L ) k
X(ej ), X9(k), X16(k)
-0.5
0
-0.5
Цифровая обработка сигналов. Слайд 42

42.

Основные свойства ДПФ
Свойство
1. Линейность
2. Задержка
3. Частотный сдвиг
4. Свертка
5. Произведение
Последовательности с
периодом N
xN(n), yN(n)
N-точечное ДПФ
XN(k) YN(k)
a xN(n)+b yN(n)
a XN(k)+ b YN (k)
XN k e
xN(n-n0)
xN k e
-
2
n0k
N
-
2
n0k
N
XN(k-n0)
xN(n) yN(n)
XN(k) YN(k)
xN(n) yN(n)
1 N-1
XN (m)YN (k - m)
N m=0
Цифровая обработка сигналов. Слайд 43

43.

Основные свойства ДПФ
Циклический сдвиг конечной последовательности
x6(n)
x6(n+2)=x6(n-4)
0
5
n
0
n
5
Если xN(n), yN(n) -действительные
Re X N k Re X N N k
Im X N k Im X N N k
6. Симметрия:
X N k X N N k
arg X k arg X N k
N
N
Пусть zN(n)=xN(n)+jyN(n)
Im X k 1 2 Im Z k Im Z N k
Re Y k 1 2 Im Z k Im Z N k
Im Y k 1 2 Re Z N k Re Z k
Re X N k 1 2 Re Z N k Re Z N N k
N
N
N
N
N
N
N
N
Цифровая обработка сигналов. Слайд 44
N

44.

Примеры ДПФ
1
1
x1(n)=u0(n),
x2(n)=u0(n-4),
x3(n)=u0(n-8)
arg[X1(k)], arg[X2(k)], arg[X3(k)]
2
|X1(k)|=|X2(k)|=|X3(k)|
1
0
0
-
0
10
20
30
40
50
60
0
-0.5
0
0.5
-0.5
Re[X1(k)], Re[X2(k)], Re[X3(k)]
1
0
0
-1
-1
0
0.5
0.5
Im[X1(k)], Im[X2(k)], Im[X3(k)]
1
-0.5
0
-0.5
Цифровая обработка сигналов. Слайд 45
0
0.5

45.

Примеры ДПФ
|X(k)|
x(n)=u-1(n),
16
1
10
0
0
100
200
300
400
500
x(n)
0-0.5
0
0.5
0
0.5
|X(k)|
16
1
10
0
100
200
300
400
500
0-0.5
Цифровая обработка сигналов. Слайд 46

46.

Свертка последовательностей
1. Циклическая (периодическая, круговая);
2. Линейная (апериодическая);
3. Секционированная;
4. Быстрая (на основе БПФ, на основе разложения на
короткие, на основе структурных свойств, на основе
ТЧП)
Цифровая обработка сигналов. Слайд 47

47.

Циклическая свертка
N 1
y p n x p l hp n l
l 0
hp(n)
n
0
N=8
2N=16
xp(n)
0
N=8
n
2N=16
N=8
l
2N=16
N=8
2N=16
(0-l)
(7-l)
xp(l),hpp(2-l)
(6-l)
(4-l)
(3-l)
(5-l)
(1-l)
yp(n)
0
n
Цифровая обработка сигналов. Слайд 48

48.

Быстрая свертка на основе БПФ
y n x n h n Y k X k H k
x(n)
Дополнение
нулями
(опционально)
xp(n)
БПФ
Xp(k)
Yp(k)
h(n)
Дополнение
нулями
hp(n)
БПФ
ОБПФ
y(n)
Hp(k)
(опционально)
Для БПФ по основанию 2 выигрыш в кол. операций умножения
N / log 2 N 1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 49

49.

Линейная свертка
n
y n x m h n m , n 0,1
m 0
N1 N 2 1
hp(n)
N1=4
0
3
xp(n)
0
n
12
M N1+N2-1
N2=8
7
12
n
12
n
yp(n)
N1+N2-1=11
0
10
Цифровая обработка сигналов. Слайд 50

50.

Секционированные свертки
Для свертки последовательностей значительно различающихся по длине
1. Метод перекрытия с суммированием
N>>L
x(n)
n
M
h(n)
y0(n)
2M
N=3M
n
L
+
y1(n)
n
L+M-1
n
y2(n)
y(n)
M
+
M
M
L+M-1
L+2M-1
2M
n
L+3M-1
2M
n
L+3M-1
L+2M-1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 51

51.

Секционированные свертки
2. Метод перекрытия с накоплением
h(n)
x(n)
xy0(n)
xy1(n)
n
L
M
M
2M
n
N=3M
n
M+L-1
n
yx2(n)
M
2M
3M
3M+L-1
n
2M
yx3(n)
3M
n
3M
y(n)
4M
n
M
2M
3M
Цифровая обработка сигналов. Слайд 52
L+3M-1

52.

Раздел 2. Цифровые фильтры
Классификация
По импульсной характеристике:
•С конечной импульсной характеристикой (КИХ,КИО)
•С бесконечной импульсной характеристикой (БИХ, БИО)
По реализации:
•рекурсивные
•нерекурсивные
y(n) F [ y(n 1), y (n 2),...x(n), x(n 1),...]
y (n) F [ x(n), x(n 1), x(n 2)...]
По назначению:
•Фильтрация во временной области (Сглаживание, удаление постоянной
составляющей, изменение формы, …)
•Фильтрация в частотной области (фильтры нижних частот (ФНЧ),
фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые (ПФ), режекторные (РФ),
многочастотные, фазовые (всепропускающие),…)
По свойству адаптации:
•Неадаптивные
•Адаптивные
По скорости дискретизации:
•Неизменяющие частоту дискретизации
•Изменяющие частоту дискретизации (дециматоры, интерполяторы)
Цифровая обработка сигналов. Слайд 53

53.

Структурные схемы цифровых фильтров
Рекурсивные фильтры
N
Прямая форма 1
i
b
z
i
Y ( z)
H ( z)
iN 0
X ( z)
i
a
z
i
N
Y ( z ) ai z
i 0
i
N
X ( z ) bi z ;
i
i 0
; a0
1;
i 0
N
N
a y(n i) b x(n i);
i
i 0
N
N
i 0
i 1
i 0
i
y (n) bi x(n i) ai y (n i)
z-1
z-1
b1
x(n)
z-1
b2
bn
b0
y(n)
-aN
z-1
-a2
-a1
z-1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 54
z-1

54.

Структурные схемы рекурсивных фильтров
Прямая форма 2 (каноническая)
N
Y ( z)
1
H ( z)
N
bi z i H1 ( z ) H 2 ( z );
X ( z)
ai z i i 0
N
i 0
W ( z)
1
Y ( z)
H1 ( z )
N
;
H 2 ( z)
bi z i ;
X ( z)
W ( z ) i 0
a z i
i 0
i
N
w(n) x(n) ai w(n i );
i 1
x(n)
w(n)
a1
a2
N
y (n) bi w(n i )
b0
i 0
z-1
b1
z-1
b2
z-1
-aN
bN
Цифровая обработка сигналов. Слайд 55
y(n)

55.

Структурные схемы рекурсивных фильтров
N
Каскадная форма
H ( z)
i 0
N
i
a
z
i
1 bi z
Hi ( z)
;
1
1 ai z
либо
i 1
1 b1i z 1 b2i z 2
Hi ( z)
;
1
2
1 a1i z a2i z
b0
x(n)
H1(z)
yi(n)
bi
ai
........
H2(z)
xi(n)
z-1
K
b0 H i ( z );
i 0
1
где
i
b
z
i
y(n)
Hk(z)
xi(n)
yi(n)
z-1
z-1
a1i
b1i
z-1
a2i
Цифровая обработка сигналов. Слайд 56
b2i

56.

Структурные схемы рекурсивных фильтров
Параллельная форма
K
H ( z ) c H i ( z );
i 1
b
c N ;
aN
b0i b1i z 1
Hi ( z)
;
1
2
1 a1i z a2i z
b0i
Hi ( z)
;
1
1 a1i z
cN
H1
x(n)
y(n)
Hk
Цифровая обработка сигналов. Слайд 57

57.

Структурные схемы нерекурсивных фильтров
Прямая форма
Y ( z ) N 1
H z
h(i ) z i ;
X ( z ) i 0
N 1
y (n) h(i ) x(n i )
i 0
x(n)
Z-1
h(0)
h(1)
Z-1
Z-1
h(2)
Z-1
h(N-1)
S
y(n)
Фильтр с многоотводной линией задержки
(трансверсальный фильтр)
Цифровая обработка сигналов. Слайд 58

58.

Инверсная форма ЦФ
Прямая
Инверсная
y
y
x
x
+
z
z
x
x
z
+
z
y
y
x(n)
h(n-1)
-1
Z
h(n-3)
h(n-2)
+
-1
Z
+
-1
Z
Цифровая обработка сигналов. Слайд 59
h(0)
+
y(n)

59.

КИХ фильтр на основе интерполяционной формулы Лагранжа
N 1
N 1
Am
H ( z ) (1 z zn )
;
1
m 0 1 z zm
n 0
1
где Am
H zm
N 1
1
(1
z
m zn )
n 0, n m
Для N=3:
(1 z 1 z0 )(1 z 1 z2 )
(1 z 1 z1 )(1 z 1 z2 )
H ( z)
H ( z0 )
H ( z1 )
1
1
1
1
(1 z0 z1 )(1 z0 z2 )
(1 z1 z0 )(1 z1 z2 )
(1 z 1 z0 )(1 z 1 z1 )
H ( z2 )
1
1
(1 z2 z0 )(1 z2 z1 )
1
1-z-1z0
1
1-z-1z1
x(n)
1-z-1z0
1-z-1z1
1-z-1zN-1
y(n)
+
1
1-z-1zN-1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 60

60.

Фильтр с частотной выборкой
Получается из ЦФ на основе формулы Лагранжа при: Z
N 1
При этом
[1 z e
1
j
2
n
N
] 1 z
N
e
2
n
N
, n=0,1...N
2
j
m
1
N
Am
H (e
) - отсчет ЧХ
N
;
n 0
1
1 z 1
1
H0/N
H1/N
1
1 z e
x(n)
n
j
j
2
N
y(n)
1-z-N
+
HN-1/N
1
1
1 z e
j
2
N 1
N
Цифровая обработка сигналов. Слайд 61

61.

Лестничные (решетчатые) фильтры
Применение:
•анализ и синтез речи;
•компрессия и декомпрессия данных;
•адаптивная фильтрация.
Физическая модель: каскадное соединение цилиндров разного
диаметра. Коэффициенты фильтра представляют часть энергии
волны, отраженной от границ раздела цилиндров разного диаметра.
Преимущества
• нечувствительны к
погрешностям коэффициентов
• при увеличении порядка
фильтра не требуется
перерасчет коэффициентов
имеющихся звеньев
• легко обеспечивается
устойчивость БИХ-структур
Недостатки
больше вычислительные
затраты по сравнению со
структурами прямой формы
Цифровая обработка сигналов. Слайд 62

62.

Нерекурсивный решетчатый фильтр
y1(n)
+
+
x(n)
Z-1
yM(n)
y2(n)
+
K1
K2
KM
K1
K2
KM
Z-1
+
U1(n)
Z-1
+
U2(n)
yi (n) yi 1 n K i ui n 1 , i 1, 2,..., M 1
ui (n) K i yi 1 n ui 1 n 1 , i 1, 2,..., M 1
для первого звена:
y0 (n) x(n)
u0 ( n ) x ( n )
Цифровая обработка сигналов. Слайд 63
+
UM(n)

63.

Рекурсивный решетчатый фильтр
x2(n)
xN(n)
+
+
x1(n)
y(n)
+
+
KN
K2
K1
-KN
-K2
-K1
Z-1
UN(n)
+
U2(n)
Z-1
+
U1(n)
x(n) xN n
xi 1 (n) xi n K i ui 1 n 1 , i N , N 1,...,1
ui (n) K i xi 1 n ui 1 n 1 , i N , N 1,...,1
y (n) x0 n x1 (n) K1 y n 1
K0 1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 64
Z-1

64.

Лестнично-решетчатый фильтр
xN(n)
x2(n)
x1(n)
+
+
+
+
KN
K2
K1
-KN
-K2
-K1
Z-1
+
UN(n)
CN
Z-1
+
U1(n)
C1
U2(n)
CN-1
Z-1
C2
C0
y(n)
+
+
+
Цифровая обработка сигналов. Слайд 65
+

65.

Фильтры скользящего среднего
Преимущества: оптимальный фильтр для подавления
случайного шума, простота реализации
Недостаток: плохие фильтрующие свойства в частотной области
1 M 1
y ( n)
x(n k )
M k 0
Для M=4:
y ( n)
x(n) x(n 1) x( n 2) x( n 3)
4
x(n)
Z-1
1/4
x(n-1)
1/4
x(n-2)
Z-1
1/4
Z-1
x(n-3)
1/4
S
Цифровая обработка сигналов. Слайд 66
y(n)

66.

Фильтры скользящего среднего
Импульсная характеристика:
Переходная характеристика:
n 1
, при n 0..M -1
H ( n) M
0, при других n
1
, при n 0..M -1
h( n) M
0, при других n
Для M=4:
1
0.25
0
исходный сигнал
n
0
после фильтра M=11
M=51
Цифровая обработка сигналов. Слайд 67
n

67.

Фильтры скользящего среднего
Частотная характеристика:
HM ( f )
sin( M f )
M sin( f )
|H5(f)|, |H11(f)|, |H31(f)|, дБ
0
-10
-20
-30
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Цифровая обработка сигналов. Слайд 68
f

68.

Фильтры скользящего среднего
Рекурсивная форма реализации фильтра:
y ( n)
1
x(n) x(n 1) ... x(n M 1)
M
1
y (n 1) x(n 1) x(n) x(n 1) ... x(n M 2) x(n M 1) x(n M 1)
M
My(n)
1
y ( n)
x(n) x(n M ) y(n 1)
M
y(n)
xN(n)
-
+
1/M
Z-M
Z-1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 69

69.

Фильтры скользящего среднего
Каскадное соединение фильтров:
x(n)
HM(f)
........
HM(f)
Частотная характеристика:
sin( M f )
H M ,L ( f )
M
sin(
f
)
h7,1, h7,2, h7,4
y(n)
L
H7,1, H7,2, H7,4 , дБ
0
0.2
HM(f)
-20
-40
0.1
-60
0
5
10
15
20
n
0
0.1
0.2
Цифровая обработка сигналов. Слайд 70
0.3
0.4
f

70.

Общая характеристика КИХ-фильтров
Преимущества:
• абсолютно устойчивы;
• физически реализуемы;
• линейные ФЧХ, произвольные АЧХ;
• простой расчет шумов дискретизации;
• возможность использования БПФ.
Недостатки:
• большой порядок при высоких требованиях к скатам АЧХ.
• возможна некратная шагу дискретизации задержка в фильтре
Основные методы расчета:
• взвешивание;
• частотная выборка;
• оптимизация по Чебышеву.
Порядок расчета:
• аппроксимация АЧХ, расчет коэффициентов, выбор порядка;
• выбор схемы построения;
• расчет шумов квантования, выбор разрядности данных и коэф-тов;
• проверка моделированием.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 71

71.

КИХ-фильтры с линейной фазой
h(n), 0 n N-1 - отсчеты ИХ фильтра (действительные).
H (e j ) H (e j ) e j ( ) - ЧХ фильтра
( ) , - ЛФХ фильтра
const - фазовая задержка
N 1
H (e ) h(n)e j n H (e j ) e j
j
n 0
N 1
H (e ) cos h( n) cos n
j
Re :
n 0
N 1
H (e ) sin h(n) sin n
j
Im :
n 0
N 1
Im
:
Re
sin
Nn 01
cos
h(n) sin n
h(n) cos n
n 0
Цифровая обработка сигналов. Слайд 72
( )
*

72.

КИХ-фильтры с линейной фазой
N 1
1. =0
0
h(n) sin n
n 0
N 1
h(0) h(n) cos n
n 1
h(0) - произвольное
h( n)
0, при n 0
2. 0
N 1
N 1
n 0
n 0
h(n) cos n sin h(n) sin n cos
N 1
h(n) sin[( n) ] 0
n 0
Откуда:
N 1
2
h( n) h( N 1 n)
Цифровая обработка сигналов. Слайд 73

73.

КИХ-фильтры с линейной фазой
центр симметрии
h(n)
N=11
=5
5
n
a) Фильтр вида 1: четная симметрия, N-нечетное
центр симметрии
h(n)
5
6
б) Фильтр вида 2: нечетная симметрия, N-четное
Цифровая обработка сигналов. Слайд 74
N=12
=5.5
n

74.

КИХ-фильтры с линейной фазой
h(n), 0 n N-1 - отсчеты ИХ фильтра (действительные).
H (e j ) H (e j ) e j ( ) - ЧХ фильтра
( ) ,
,
const - фазовая задержка
1. =0
h(0) - произвольное
h( n)
0, при n 0
2. 0
N 1
2
2
h( n) h( N 1 n)
Для нечетных N:
N 1
h
0
2
Цифровая обработка сигналов. Слайд 75

75.

КИХ-фильтры с линейной фазой
центр антисимметрии
h(n)
N=11
=5
n
5
a) Фильтр вида 3: четная антисимметрия, N-нечетное
центр антисимметрии
h(n)
N=10
=4.5
4
5
б) Фильтр вида 4: нечетная антисимметрия, N-четное
Цифровая обработка сигналов. Слайд 76
n

76.

Импульсные и частотные характеристики КИХ-фильтров c ЛФХ
Вид 1. N-нечетное, h(n)-симметричная
N 1
h(n) h( N 1 n) n 0,1,...
2
N 1
2
N 1
H (e j ) exp j
a(n) cos n
2 n 0
N 1
N 1
N 1
a
(
n
)
2
h
n
a (0) h
n 1, 2,...
2
2
2
h(n)
N=9
N-1
N=19
n
a(n)
n
N-1
2
H * (e j )
0
2
n
Цифровая обработка сигналов. Слайд 77

77.

Импульсные и частотные характеристики КИХ-фильтров c ЛФХ
Вид 2. N-четное, h(n)-симметричная
h( n) h( N 1 n)
n 0,1,...
N
2
N 1
2
N 1
1
H (e j ) exp j
b
(
n
)
cos
n
2
2 n 1
N
b( n) 2h n
2
h(n)
n 1, 2,...
N=9
N-1
N 1
2
N=18
n
a(n)
H * (e j )
n
N-1
2
2
n
0
Цифровая обработка сигналов. Слайд 78

78.

Импульсные и частотные характеристики КИХ-фильтров c ЛФХ
Вид 3. N-нечетное, h(n)-антисимметричная
N 1
h(n) h( N 1 n), 0 n N 1, h
0
2
N 1
N 1 2
H (e ) j exp j
c(n)sin n
2 n 1
N 1
N 1
n 1, 2,...
c ( n) 2h
n
2
2
j
h(n)
N-1
n
c(n)
H * (e j )
0
n
N-1
2
2
Цифровая обработка сигналов. Слайд 79

79.

Импульсные и частотные характеристики КИХ-фильтров c ЛФХ
Вид 4. N-четное, h(n)-антисимметричная
h(n) h( N 1 n), 0 n N 1
N
2
N 1
1
H (e j ) j exp j
d
(
n
)sin
n
2
2 n 1
N
d ( n) 2h n
2
n 1, 2,...
N
2
h(n)
N-1
n
d(n)
H * (e j )
0
n
N
2
2
Цифровая обработка сигналов. Слайд 80

80.

Проектирование КИХ-фильтров методом взвешивания
Задача проектирования
Заданы требования к АЧХ:
1 – неравномерность в полосе пропускания (ПП);
2 – неравномерность в полосе заграждения (ПЗ);
p – граничная частота полосы пропускания;
s – граничная частота полосы заграждения.
H * (e j )
2
p
s
Определить:
N-порядок фильтра,
h(n), n=0, 1 ... N-1 – коэффициенты фильтра
Цифровая обработка сигналов. Слайд 81

81.

Явление Гиббса
Поскольку:
H (e ) h(n)e j n
j
n
то:
1 2
j
j n
h( n)
H
(
e
)
e
d , n 0, 1, 2,...
0
2
Если H(ej ) идеальная, то имеются два затруднения:
1. h(n) – бесконечная
усечение до N/2
2. Физически нереализуемая
сдвиг на N/2 вправо
H*(ej ) - идеал.
N1>N2
p s
C
2
Цифровая обработка сигналов. Слайд 82

82.

Проектирование КИХ-фильтров методом взвешивания
Операции метода взвешивания
Способ 1
1. выбрать N и w(n)
2. вычислить W (e
j
Способ 2
1. выбрать N и w(n)
)
2.
hˆ(n) h(n) w(n)
) ДПФ hˆ(n)
ˆ (e j ) H (e j ) *W (e j )
3. H
ˆ (e
3. H
4. проверка 1, 2, wp, ws
4. проверка 1, 2, wp, ws
5.
j
hˆ(n) ОДПФ Hˆ (e j )
Цифровая обработка сигналов. Слайд 83

83.

Проектирование КИХ-фильтров методом взвешивания
в частотной области
H * (e j )
0
*
во временной области
h(n)
идеальный
ФНЧ
бесконечная
нереализуемая
j
W (e )
0
w(n)
Hˆ (e ) H (e ) * W (e )
j
n
0
j
j
N-1
2
0
N-1
2
0
N-1
2
ˆ
h(n) h(n) w(n)
N-1
2
N 1
g (n) hˆ n
2
Цифровая обработка сигналов. Слайд 84
n
n

84.

Основные виды оконных функций
Требования к окнам:
- минимальный уровень боковых лепестков (min пульсаций АЧХ фильтра);
- минимальная ширина главного лепестка АЧХ окна (min ширина
переходной полосы фильтра).
1. Прямоугольное окно
N 1
N 1
n
1,
wR (n)
2
2
0, остальные N
WR (e j )
sin(
sin
N
)
2
2
Цифровая обработка сигналов. Слайд 85

85.

Основные виды оконных функций
2. Обобщенное окно Хемминга
2 n
wн (n) wR (n) (1 ) cos
N
2
2
j
j
1
1
j
j
N
N
Wн (e ) WR (e )
WR e
WR e
2
2
2
N
N
N
2
2
N
0
2
N
N
N
Цифровая обработка сигналов. Слайд 86
N

86.

Основные виды оконных функция
3. Окно Кайзера
2
2n
I0 1
N 1
wK (n)
I0 ( )
sin
W (e j )
/ 1
K
2
4. Окно Ланцоша
2 n
sin N 1
wL (n)
2
n
N 1
/
1
2
L
Цифровая обработка сигналов. Слайд 87

87.

Весовые функции окон и их ЧХ
Весовые функции
1
Весовые функции
Модуль ЧХ
0
1
0
-20
-20
0.5
0.5
-40
0
20
40
n -60
-40
-0.5
прямоугольное
1
0
0.5
0
0
20
n -60
40
-0.5
0
0.5
-0.5
0
0.5
Блекмана-Хэрриса
1
0
-20
-20
0.5
0.5
-40
0
Модуль ЧХ
20
40
n -60
-40
-0.5
Фейера
0
0.5
0
20
40
n -60
Чебышёва
Цифровая обработка сигналов. Слайд 88

88.

Основные характеристики некоторых окон
Вид окна
Максимальный
уровень
бокового
лепестка, дБ
Асимтотическая
скорость спадания
бокового лепестка,
дБ/октава
Эквивалент
ширины
полосы
1. Прямоугольное
-13.3
-6
1.00
2. Треугольное
-26.5
-12
1.33
3. Ханна
-31.5
-18
1.50
4. Хемминга
-43
-6
1.36
5. Наттола
-98
-6
1.80
6. Гауссовское
-42
-6
1.39
7. Чебышёва
-50
0
1.39
Цифровая обработка сигналов. Слайд 89

89.

Проектирование методом частотной выборки
N 1
X p k xp n e
n 0
j
2
kn
N
2
j
kn
1 N 1
N
xp n X p k e
N k 0
ДПФ
ОДПФ
1 z N N 1
X z
N k 0
X p k
1 z 1e
j
2
k
N
1. Произвести дискретизацию в N равноотстоящих точках на единичной
окружности
2. По этим точкам интерполировать непрерывную ЧХ
Цифровая обработка сигналов. Слайд 90

90.

Проектирование методом частотной выборки
1+ 1 Ĥ(ej ), H(ej )
1- 1
1+ 2
1- 0
2
s
2
p
Ĥ(ej )
T1
T2
T3
0
ПП
переходная
полоса
ПЗ
Цифровая обработка сигналов. Слайд 91

91.

Проектирование оптимальных КИХ-фильтров
Критерий оптимальности:
Вид аппроксимации ЧХ:
Процедура оптимизации:
Min. max. ошибки аппроксимации
a (n) cos n
Чебышевская
Итерационный алгоритм замены
Аппроксимация ЧХ фильтра
H * (e j ) Q(e j ) P(e j )
Вид фильтра
Вид 1
Q(ejw)
1
P(ejw)
N 1
2
a(n) cos n
n 0
Вид 2
cos ( /2)
N
1
2
b (n) cos n
n 0
Вид 3
sin
N 3
2
c (n) cos n
n 0
Вид 4
sin ( /2)
N
1
2
d (n) cos n
n 0
Цифровая обработка сигналов. Слайд 92

92.

Постановка задачи проектирования
D(e j ) - заданная ЧХ фильтра (идеальная);
W (e j ) - весовая функция ошибки аппроксимации.
Взвешенная функция ошибки аппроксимации
E (e j ) W (e j ) D(e j ) H * (e j )
т.к.
j
j
D(e j )
j
P
(
e
)
то: E (e ) W (e )Q(e )
j
Q (e )
j
H (e ) Q(e ) P(e )
*
j
Обозначая:
Wˆ (e ) W (e )Q(e )
Получим:
E (e j ) Wˆ (e j ) Dˆ (e j ) P(e j )
j
j
j
j
j
j
D
(
e
)
j
и Dˆ (e )
Q(e j )
max E (e j ) min
a ( n ), b ( n )
A
- критерий оптимальности
c ( n ), d ( n )
Цифровая обработка сигналов. Слайд 93

93.

Графическая интерпретация задачи проектирования
Dˆ (e j )
P (e j )
Wˆ (e j )
5
2
0
D (e j ) P (e j )
E (e j )
max E (e j )
0
A
Цифровая обработка сигналов. Слайд 94

94.

Теорема Чебышева
r 1
j
Если P (e ) a ( n)cos n , то необходимое и достаточное условие,
n 0
что P(ej ) наилучшая аппроксимация по минимальному критерию функции
Dˆ (e j )
, состоит в наличии не менее r+1 экстремума функции E(ej )
в области А т.е. для
1< 2< 3 ... < r+1
E (e j i ) E (e j i 1 ), i 1, 2,..., r
j
j
E (e ) max E (e )
A
j
P (e )
1
2
0
2
ˆ (e j )
D
i
Цифровая обработка сигналов. Слайд 95

95.

Решение задачи оптимизации
K
* j i
j
H
(
e
)
D
(
e
)
j
W (e )
* j
dH (e )
0; i 1, 2... r
i
d
Сущность итерационного алгоритма :
Избежать решения системы нелинейных уравнений относительно
экстремальных частот путем итерационной процедуры их уточнения и
решения системы из r+1 линейных уравнений относительно r
коэффициентов и погрешности .
Цифровая обработка сигналов. Слайд 96

96.

Процедура проектирования оптимальных фильтров
1. Задание D(ej ), W(ej ) и N
Задать r+1 экстремумов
2. Пересчет Dˆ (e j ), Wˆ (e j ) и P(e j )
3. Решение задачи аппроксимации
4. Расчет ИХ фильтра h(n)
Рассчитать 1, 2
Интерполировать P(ej )
P(ej )
1+ 1
1+
1
1
1- 1
1-
1
Рассчитать E(ej ), найти
экстремумы |E(ej )|>
Да
Экстремумы
изменились?
Нет
2
- 2
Наилучшая
аппроксимация
Цифровая обработка сигналов. Слайд 97

97.

Свойства оптимальных ФНЧ
Ширина переходной полосы:
Параметры оптимального ФНЧ:
N, Fp, Fs, K
дБ
0
-20
-40
-60
-80
100
F=Fs-Fp
Оценка качества фильтра нормированная ширина переходной
полосы
K 1
2
1
D=(N-1) F
2
При N (>50) D не зависит от N
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Fp Fs
f
4
D
1=0.01
3
1=0.05
2
1=0.5
1
0
-100
1=0.1
-75
Цифровая обработка сигналов. Слайд 98
-50
-25
0
lg 2

98.

Сравнение КИХ ФНЧ, спроектированных разными методами
6
5
D=D(d1,d2)
Метод взвешивания (окно Кайзера)
d1=d2
Фильтры с частотной выборкой
d1=1.4*10-2...5.6*10-2
4
3
Оптимальные ФНЧ
2
1
0
10-5 10-4 10-3 10-2
1=10-2
1=2*10-2
1=5*10-2
1=10-1
2
-1
10
Цифровая обработка сигналов. Слайд 99

99.

БИХ-фильтры с линейной ФЧХ
Метод 1
x(n)
Инверсия a(n)
X(z) времени A(z)
a(n)=x(-n)
f(n)
H(z)
F(z)
Инверсия b(n)
времени B(z)
b(n)=f(-n)
A( z ) X ( z 1 )
F ( z ) H ( z ) A( z ) H ( z ) X ( z 1 )
B( z ) F ( z 1 ) H ( z _1 ) X ( z )
Y ( z ) H ( z ) B( z ) X ( z) H ( z) H ( z 1 )
H ЭКВ ( z ) Y ( z ) / X ( z ) H ( z ) H ( z 1 )
j
j
H ЭКВ (e ) H (e )
2
(e j ) 0
Цифровая обработка сигналов. Слайд 100
H(z)
y(n)
Y(z)

100.

БИХ-фильтры с линейной ФЧХ
Метод 2
x(n)
g(n)
H(z)
Инверсия a(n)
времени
A( z ) X ( z 1 )
H(z)
f(n)
Инверсия
времени
F ( z ) H ( z ) X ( z 1 )
B( z ) F ( z 1 ) H ( z 1 ) X ( z )
G( z) H ( z) X ( z)
Y ( z ) B( z ) G ( z ) X ( z ) H ( z ) H ( z 1 )
H ЭКВ ( z ) H ( z ) H ( z 1 )
H ЭКВ (e j ) 2 H (e j ) cos ( )
Цифровая обработка сигналов. Слайд 101
+
y(n)
b(n)

101.

Всепропускающие фильтры
Назначение: линеаризация ФЧХ.
Необходимое условие:
должен существовать нуль
для каждого полюса
p re j
1
z e j
r
(1/r;
(1/r;-
arg( H (e j ))
0.25
(r;
(r;-
1 j 1 j
2
1
2
z
e
z
e
z
z
cos
r
r
2
r
r
H ( z)
2
2
j
j
z
2
rz
cos
r
z re z re
0.5
r 2 z 2 2rz cos 1
2 2
r ( z 2rz cos r 2 )
H (e j ) const
Цифровая обработка сигналов. Слайд 102

102.

Классификация методов расчета БИХ-фильтров
Задача аппроксимации АЧХ, ФЧХ, ГЗ или ИХ за счет выбора
коэффициентов фильтра.
N
H ( z)
b z
Y ( z)
iN 0
X ( z)
i
i
i
a
z
i
; a0
1;
i 0
3 группы методов расчета:
•расчет ЦФ по фильтрам непрерывного времени;
•прямые методы расчета разложения и количества нулей и полюсов в
Z-плоскости;
•оптимизация при наличии ограничений.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 103

103.

Расчет ЦФ по фильтрам непрерывного времени
Аналоговые фильтры-прототипы: Баттерворта, Чебышева I и II
рода, Кауэра-Золотарева (эллиптические).
M
M
Системная функция:
b S
H ( S ) iN 0
i
i
i
a
S
i
i 1
(S c )
iN 0
i
(S d )
i 1
i
d i y(t ) M d i x( )
ai
bi
i
i
dt
dt
i 0
i 0
N
дифференциальное уравнение:
Методы дискретизации аналоговых фильтров:
1. Отображение дифференциалов;
2. Инвариантного преобразования ИХ;
3. Билинейного преобразования;
4. Согласованного Z-преобразования.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 104

104.

Метод билинейного преобразования
Условия однозначного преобразования аналоговых
фильтров в цифровые
1.
2.
Ось j должна отображаться в единичную окружность в Z-плоскости
(сохранение частотно-избирательных свойств).
Левая полуплоскость S-плоскости должна отображаться внутрь
единичной окружности (сохранение устойчивости)
Im Z
j
j
0
-1
1
0
Re Z
-j
S-плоскость
Z-плоскость
Условия 1 и 2 удовлетворяются отображением:
2 (1 z 1 )
2/T S
S
z
T (1 z 1 )
2/T S
- билинейное преобразование
Цифровая обработка сигналов. Слайд 105

105.

Метод билинейного преобразования
При S=j - частотная ось S-плоскости:
2
j
z T
z 1
2
0, z 1
j
, z 1
T
Полагая S= +j :
2
j
z T
при 0, z 1
2
j
T
- 1ое условие выполняется
- 2ое условие выполняется
Аналоговый фильтр с H(S) преобразуется в цифровой с H(z):
H ( z) H (S )
2 1 z 1
S
T 1 z 1
Порядок знаменателя сохраняется, а порядок числителя может возрастать
1
H (S )
S a
1
1 z 1
H ( z)
2
2
2 1 z 1
1
a
z
a
a
T
T
T 1 z 1
Нуль H(S) при S
отображается в z=-1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 106

106.

H(j )
2
Метод билинейного преобразования
АЧХ аналогового
фильтра
0
T
H(ej )
Нелинейное соотношение частот:
z e j T
j
S j
j
j T
T
2
j
T
2
2 (1 e
) 2 e e
T
j T
j
T (1 e
) T j 2T
e e 2
2
T
T
tg
2
2
АЧХ цифрового фильтра
T
- для фильтров с почти ступенчатой ЧХ нелинейная связь частотных шкал
может быть скомпенсирована;
- ни ФЧХ, ни импульсная характеристики аналогового и цифрового фильтра
не совпадают
Цифровая обработка сигналов. Слайд 107

107.

Частотные преобразования
Метод 1
Расчет аналогового ФНЧ с=1
Преобразование
полосы частот
Аналог-аналог
Дискретизация
фильтра
ЦФ с заданными
хар-ками
Преобразование частот аналоговых фильтров
Метод 2
Расчет аналогового ФНЧ с=1
Дискретизация
фильтра
Преобразование
полосы частот
ЦФ с заданными
хар-ками
Преобразование частот цифровых фильтров
Цифровая обработка сигналов. Слайд 108

108.

Частотные преобразования
Преобразование полосы частот по методу 1
L - нижняя частота среза;
U - верхняя частота среза.
Вид преобразования
Замена переменной
1. ФНЧ ФНЧ
S S U
2. ФНЧ ФВЧ
S U S
3. ФНЧ ПФ
S 2 U L
S
S ( U L )
4. ФНЧ РФ
S
S ( U L )
S 2 U L
Уровень пульсаций в полосе пропускания и полосе задержки не изменяется;
С теоретической и расчетной точки зрения оба метода равноценны.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 109

109.

Сравнение КИХ и БИХ-фильтров
Оптимальные КИХ-фильтры - эллиптические БИХ.
На обработку 1 отсчета требуется MAC операций (мин.):
N 1
2 - операций MAC для КИХ-фильтра N-го порядка
3n 3
2 - операций MAC для БИХ-фильтра n-го порядка
Для фильтров одинаковой вычислительной сложности:
3n 3 N 1
2
2
N
1
3
n
n
Цифровая обработка сигналов. Слайд 110

110.

Сравнение КИХ и БИХ-фильтров
N/n Fp=0.15, 1=0.1
0.001
30
20
2=0.1
30
0.01
0.0001
10
2
4
6
Fp=0.35, 1=0.00001
N/n
8
0.00001
N/n=3
n
2=0.1
20
10
2
4
6
8
0.01
0.001
0.0001
0.00001
N/n=3
n
1. При Fp>0.3 БИХ-фильтр лучше при любых 1, 2, n.
2. При n 7 БИХ-фильтр лучше при любых 1, 2, Fp.
3. КИХ-фильтр лучше при большой 1 и малой 2.
4. КИХ-фильтр лучше при линейной ФЧХ.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 111

111.

Фильтры изменяющие частоту дискретизации
Характерная особенность: различная скорость потока данных на входе и
выходе.
Применения:
• преобразование частоты дискретизации между цифровыми
аудиосистемами;
• узкополосные ФНЧ и полосовые фильтры;
• сжатие полосы частот при цифровой обработке речевых сигналов;
• трансмультиплексоры (преобразование ВРК-ЧРК);
• квадратурная модуляция;
• восстанавливающие и ограничивающие фильтры в цифровых
аудиосистемах;
• узкополосный анализ спектра в сонарных системах и вибрационном
анализе.
Основные операции: прореживание (децимация) и интерполяция.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 112

112.

Фильтры изменяющие частоту дискретизации
|X(f)|
x(nT)
t
T
yy(nT/2)
1(nT/2)
0
Интерполяция 2 x(nT)
fs/2
fs 2fs/2 2fs
f
|Y
|Y(f)|
1
0(f)|
t
T/2
fs/4
fs/2
fs
f
Децимация 3 y(nT/2)
y(nT/2)
z0(3nT/2)
3T/2
|Z
|Y(f)|
0(f)|
t
fs/3fs/22fs/3
Цифровая обработка сигналов. Слайд 113
fsfs
f

113.

Фильтры изменяющие частоту дискретизации
Для устранения наложения при прореживании и для снижения искаженией в
спектре при интерполяции необходимо выполнять низкочастотную
фильтрацию, согласованную с коэффициентом изменения частоты
дискретизации.
|X(f)|
АЧХ ФНЧ дециматора
f
fs
fs/2
Прореживание сигнала в 2 раза
|Y1(f)| |Y2(f)|
f
fs1/2
fs1=fs/2
3fs1/2
2fs1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 114

114.

Фильтры изменяющие частоту дискретизации
L
H(z)
H(z)
Интерполятор
M
Дециматор
h(0)
x(n)
L
Z-1
h(1)
Z-1
h(2)
Z-1
S
y(m)
Z-1
h(N-1)
Интерполирующий фильтр
Цифровая обработка сигналов. Слайд 115

115.

Фильтры изменяющие частоту дискретизации
h(0)
x(n)
h(0)
x(n)
M
Z-1
Z-1
h(1)
h(1)
M
Z-1
h(2)
-1
Z
S
Z-1
M
h(2)
y(m)
M
-1
Z
Z-1
S
Z-1
h(N-1)
h(N-1)
M
Прореживающий фильтр
В отличие от рекурсивных, нерекурсивные структуры дециматоров
обеспечивают возможность работы умножителей на частоте выходного
сигнала. При больших частотах дискретизации, в дециматорах часто
используют гребенчатые фильтры.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 116
y(m)

116.

Спектральный анализ
Методы цифрового спектрального анализа
Основные приложения:
радиолокация, радионавигация, радиоастрономия;
гидроакустика, гидролокация;
системы распознавания речи;
сжатие полосы речевых сигналов;
вибрационный анализ.
Спектральный анализ – это измерение, которое дает точные или
приближенные значения Z - преобразования дискретного сигнала в
заданном множестве точек
Z - плоскости.
Различают “мгновенный” спектр и оценку спектральной плотности мощности.
Разновидности спектрального анализа:
вычисление “мгновенного” спектра с использованием окон;
оценивание СПМ классическими методами;
оценивание СПМ параметрическими методами:
оценивание блочных данных;
рекурсивное оценивание;
многомерный спектральный анализ.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 117

117.

Алгоритмы БПФ
Быстрое преобразование Фурье (БПФ) – метод вычисления ДПФ
{x(n)}, 0 n N-1 – комплексный сигнал.
N 1
ДПФ:
X ( k ) x ( n) e
N 1
j
2
nk
N
, где k 0,1,2...N-1
n 0
X (k ) x (n) W
nk
где
W e
j
2
N
- множитель вращения
n 0
{Wnk} периодична по n и k с периодом N:
W(n+mN)(k+lN) = (WN)nk , где m, l = 0, 1, 2…, WN – множитель вращ-я с периодом N.
Количество операций для ДПФ размерности N:
(N-1)2 – комплексных умножений, N(N-1) – комплексных сложений.
Основная идея БПФ – разбиение длинной последовательности на короткие.
N/2
N
Кол ~
N2
ДПФ
Кол=N2/4
ДПФ
Кол=N2/2
N/2
ДПФ
Кол=N2/4
Цифровая обработка сигналов. Слайд 118

118.

Алгоритм БПФ с прореживанием по времени
Пусть N – степень 2.
Разобьем {x(n)} на {x1(n)} – четные отсчеты, {x2(n)} – нечетные отсчеты.
N
x1(n) = x(2n), x2(n) = x(2n+1), для n 0,1... 1
2
N 1
N
1
2
N
1
2
n 0
n 0
n 0
X (k ) x(n) WNnk x(2n) WN2 nk x(2n 1) WN(2 n 1) k
Поскольку WN2 [e
j
2
N 2
] e
2
j
N
2
N
1
2
WN
N
1
2
то X (k ) x1 (n) WNnk WNk x2 (n) WNnk
2
2
n 0
X1 ( k )
2
n 0
X 2 (k )
k
Тогда X (k ) X 1 (k ) WN X 2 (k )
Вычисление X1(k) и X2(k) – 2N 2/4 MAC + объединение X1(k) и X2(k) – N MAC
Всего N 2/2+N N 2/2 при больших N
Цифровая обработка сигналов. Слайд 119

119.

Алгоритм БПФ с прореживанием по времени
Доопределение X(k) для k N/2 на основании периодичности N/2 точечных ДПФ:
N
k
X
(
k
)
W
X
(
k
),
0
k
1
N
2
1
2
X (k )
X (k N ) W k X (k N ), N k N 1
N
2
1
2
2
2
Из-за WNk - период X(k) не равен периоду X1(k).
k
Т.к. W WN
k
N
N
2
N
k
X
(
k
)
W
X
(
k
),
0
k
1
N
2
1
2
то X (k )
N
k
N
X (k ) W 2 X (k N ), N k N 1
N
2
1
2
2
2
Цифровая обработка сигналов. Слайд 120

120.

Пример алгоритма БПФ размерности 8 по основанию 2 с
прореживанием по времени
Разложение ДПФ размерности 8 на два ДПФ размерности 4.
Этап 3
x1(1)=x(2)
x1(2)=x(4)
x1(3)=x(6)
x2(0)=x(1)
x2(1)=x(3)
x2(2)=x(5)
x2(3)=x(7)
4-х
точечн.
ДПФ
4-х
точечн.
ДПФ
X1(1)
"бабочка"
a
a+b
X(1)
X1(2)
X(2)
X1(3)
X(3)
X1(0)
X2(0)
X2(1)
X2(2)
X2(3)
X(0)
w 3 w 2 w 1 w 0
x1(0)=x(0)
Цифровая обработка сигналов. Слайд 121
X(4)
X(5)
X(6)
X(7)
b
a-b
a wk awk

121.

Пример алгоритма БПФ размерности 8 по основанию 2 с
прореживанием по времени
N
Этап 2
X 1 (k ) A(k ) WNk B(k ) A(k ) WN2 k B(k ), 0 k 1
2
2
N
k
2k
X 2 (k ) C (k ) WN D(k ) C (k ) WN D(k ), 0 k 1
2
2
c(0)=x2(0)=x(1)
c(1)=x2(2)=x(5)
d(0)=x2(1)=x(3)
d(1)=x2(3)=x(7)
2-х
точечн.
ДПФ
2-х
точечн.
ДПФ
X (0)
A(1)
X1(1)
X (1)
X1(2)
X (2)
X1(3)
X (3)
B(0)
B(1)
C(0)
X2(0)
C(1)
X2(1)
D(0)
D(1)
X2(2)
w1 w0
b(1)=x1(3)=x(6)
2-х
точечн.
ДПФ
X1(0)
w3 w2
b(0)=x1(1)=x(2)
Этап 3
A(0)
w 2w 0
a(1)=x1(2)=x(4)
Этап 2
w 2w 0
a(0)=x1(0)=x(0)
2-х
точечн.
ДПФ
X2(3)
Цифровая обработка сигналов. Слайд 122
X (4)
X (5)
X (6)
X (7)

122.

Направленный граф алгоритма БПФ размерности N = 8 по основанию 2
с прореживанием по времени и с замещением (алгоритм Кули-Тьюки).
F (0) f (0) f1 WN0 f (0) f (1);
Этап 1
N
F (1) f (0) f1 WN 2 f (0) f (1);
Этап 1
x(0)
x(4)
w
Этап 2
Этап 3
X(0)
0
X(1)
0
x(2)
X(2)
w
2
w
X(3)
w0
w
0
0
x(3)
w
X(5)
w3
x(5)
X(4)
w1
x(1)
w2
x(6)
w
0
X(6)
2
x(7)
w
0
w
Цифровая обработка сигналов. Слайд 123
X(7)

123.

Свойства алгоритма БПФ по основанию 2
1. Алгоритм состоит из этапов. На каждом этапе происходит изменение
размерности БПФ вдвое по сравнению с предыдущим.
Kэт = log2 N
2. На каждом этапе необходимо выполнить N/2 операций “бабочка”.
A
B
K
X = A + B WN
2 операции комплексного сложения и
1 операция комплексного умножения
Y = A - B WNK
3. Общее число базовых операций "бабочка":
N
K оп log 2 N
2
4. Для вычисления базовой операции достаточно иметь одну
дополнительную ячейку для хранения произведения. Остальные результаты
размещаются в освободившиеся ячейки. Это алгоритм с замещением.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 124

124.

Сравнение вычислительных затрат
KДПФ/БПФ2
N2
K ДПФ / БПФ 2
N log 2 N
2500
КДПФ/БПФ2
2000
70
1500
50
30
10
0 5 10 15 20 25 30 N
1000
500
0
2
16
64
256
1024
4096
16384
N
Выигрыш в количестве операций алгоритма БПФ2 по сравнению с ДПФ в
зависимости от размерности N
Цифровая обработка сигналов. Слайд 125

125.

Перестановка данных и двоичная инверсия
Для алгоритма по основанию 2 и прореживанием по времени закон
чередования входных отсчетов описывается двоично-инверсным порядком.
Пример: N = 8 L = log2 8 = 3
№ п/п
0
1
2
3
4
5
6
7
Двоичное
представление
000
001
010
011
100
101
110
111
Двоичная
инверсия
000
100
010
110
001
101
011
111
Двоич.-инверс.
номер
0
4
2
6
1
5
3
7
Способы получения поворачивающих множителей
1. Табличный – требует много памяти, но имеет наибольшее быстродействие
2. Последовательный – не требует много памяти, но имеет низкое быстродейст.
3. Рекуррентный WNK WNK L WNL с изменением шага от этапа к этапу и
0
с начальным условием WN 1 на каждом этапе
Цифровая обработка сигналов. Слайд 126

126.

Алгоритм БПФ с прореживанием по частоте
Входная последовательность разбивается на 2 половины:
N
x1 (n) x(n), при n 0, 1, 2 ... 1
2
N
N
x2 (n) x(n ), при n 0, 1, 2 ... 1
2
2
Тогда N-точечное ДПФ последовательности {x(n)}:
N
1
2
X ( k ) x ( n) W
n 0
Т.к.
N
k
2
N
W
N 1
nk
N
x ( n) W
nk
N
n
e j k
то
N
2
N
1
2
x1 (n) W
n 0
nk
N
N
1
2
(n
x2 (n) WN
N
1
2
n 0
X (k ) [ x1 (n) e j k x2 (n)] WNnk
n 0
Цифровая обработка сигналов. Слайд 127
N
)k
2

127.

Алгоритм БПФ с прореживанием по частоте
N
k
2
N
Поскольку W
e j k 1 то X(k) для четных и нечетных k:
N
1
2
N
1
2
n 0
n 0
X (2k ) [ x1 (n) x2 (n)] WN2 nk [ x1 (n) x2 (n)] WNnk
2
f(n)
N
1
2
N
1
2
n 0
n 0
X (2k 1) [ x1 (n) x2 (n)] WNn (2 k 1) {[ x1 (n) x2 (n)] WNn } WNnk
2
g ( n)
X(2k) получаются из N/2-точечных ДПФ последовательности:
f(n) = x1(n) + x2(n) ; n = 0, 1, 2…N/2 – 1
X(2k+1) получаются из N/2-точечных ДПФ последовательности:
g(n) = [x1(n) - x2(n)]WNn n = 0, 1, 2…N/2 – 1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 128

128.

Пример построения алгоритма БПФ размерности 8 с
прореживанием по частоте
Этап 1
X1 (u)
X(0)
- f(0) -
X(1)
- f(1) -
X(2)
- f(2) -
X(3)
- f(3) -
X(6)
X(7)
0
X2 (u)
X(5)
w 1 2
w
3
ww
X(4)
- g(0) - g(1) - g(2) - g(3) -
4-х
точечн.
ДПФ
4-х
точечн.
ДПФ
Цифровая обработка сигналов. Слайд 129
X(0)
X(4)
X(2)
X(6)
X(1)
X(5)
X(3)
X(7)

129.

Алгоритмы БПФ по основанию 2
Направленный граф алгоритма БПФ по основанию 2 с прореживанием по частоте.
x(0)
X(0)
x(1)
X(4)
x(2)
X(2)
x(3)
X(6)
x(4)
X(1)
x(5)
X(5)
x(6)
X(3)
x(7)
X(7)
Цифровая обработка сигналов. Слайд 130

130.

Различия алгоритмов БПФ с прореживанием
по времени и по частоте
по времени
по частоте
1. Порядок следования входных отсчетов:
прямой
двоично-инверсный
2. Порядок следования выходных отсчетов:
прямой
двоично-инверсный
3. Базовая операция “бабочка”
A
B
K
X = A + B WN
Y = A - B WNK
A
B
Цифровая обработка сигналов. Слайд 131
X=A+B
Y = (A – B) W KN

131.

Вычисление обратного ДПФ по алгоритму прямого
Обратное ДПФ {x(n)} для последовательности {X(k)}, k=0,1,…,N-1
1 N 1
x(n) X (k ) W nk
N k 0
N x ( n)
*
- обратное ДПФ
N 1
X (k ) W
*
nk
k 0
* - знак комплексного сопряжения
ДПФ послед-ти X * (k )
Тогда:
1 N 1 *
x(n) [ X (k ) W nk ]*
N k 0
Т.о. можно использовать алгоритмы БПФ для вычисления ДПФ и ОДПФ
Цифровая обработка сигналов. Слайд 132

132.

Алгоритмы БПФ по основанию 4
По аналогии с основанием 2 можно построить алгоритмы БПФ по основанию 4.
ДПФ размерности 4 не требует операций комплексного умножения, так
2
как умножение на W exp j
выполняется перестановкой реальной и
4
мнимой компонент
3 комплексных
умножения
12 комплексных
сложений
Операция «бабочка» по основанию 4 с прореживанием по
времени
Выигрыш по количеству операций комплексного умножения по сравнению с
алгоритмом БПФ по основанию 2 около 25%.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 133

133.

Алгоритм БПФ по основанию 4 размерности 16
0
0
4
0
1
8
0
0
2
3
12
1
5
9
0
4
1
5
2
6
3
7
0
0
0
13
0
2
6
10
0
0
0
14
11
0
0
0
8
4
9
6
10
11
0
3
7
2
3
12
6
13
9
14
15
15
Цифровая обработка сигналов. Слайд 134

134.

Принцип построения алгоритма БПФ с
произвольным основанием
Если N – составное число, то одномерный массив отсчетов можно
записать в виде матрицы размерности N=MxL.
Алгоритм вычисления ДПФ размерности N:
Преобразовать одномерный массив в матрицу (заполнение по
строкам!) n m L l, n 0..N 1, m 0..M 1( №столбца), l 0..L 1( №строки).
M 1
Вычислить ДПФ каждого столбца X c k , l x m, l WMmk , k 0..M 1, l 0..L 1
m 0
Умножить элементы матрицы
Вычислить ДПФ каждой строки
X c k , l X c k , l WNkl , k 0..M 1, l 0..L 1
L 1
X r k , i X c k , l WLli , k 0..M 1, i 0..L 1
l 0
Преобразовать матрицу в одномерный массив (считывание по
строкам!).
Если размерность строки или столбца - составное число, разбиение
можно повторить.
Для произвольных составных N наиболее быстрый алгоритм со смешанным
основанием – АВПФ (алгоритм Винограда преобразования Фурье).
Цифровая обработка сигналов. Слайд 135

135.

Сравнение БПФ и гребенки фильтров.
X 0 i
+
Z-1
W0
X1 i
+
x i
W1
Z-N
X k i
+
Z-1
Wk
X N 1 i
+
выдает N спектральных отсчетов
в каждый момент времени;
Требует N операций умножениянакопления на 1 отсчет сигнала.
БПФ без перекрытия:
Z-1
-
Гребенка фильтров:
Z-1
WN-1
Анализатор спектра в виде гребенки
фильтров
Выдает N спектральных отсчетов
через N отсчетов сигнала;
1 log N
Требует
2
2
операций умножения-накопления
на 1 отсчет сигнала.
БПФ с перекрытием:
Выдает N отсчетов через N
K
отсчетов сигнала;
Требует в K раз больше
операций
Цифровая обработка сигналов. Слайд 136

136.

Использование «окон» при спектральном анализе
Импульсная характеристика
2π k
exp
n , 0 n N -1
j
h
n
=
N
одного из гребенки фильтров:
Частотная характеристика
(без фазового множителя):
H e j
0, остальные n
N
sin
2
k
sin
2
N
k=0,1..N-1
Проблема: маскировка слабых спектральных компонент
сильными из-за высоких боковых лепестков АЧХ фильтра.
40
дБ
Амплитуды
сигналов:
30
20
А1 – 1 (0 дБ)
10
0
А2 – 0.01 (-40 дБ)
-10
А3 –0.001(-60 дБ)
-20
-30
200
300
400
500
600
700
Цифровая обработка сигналов. Слайд 137
800

137.

Использование «окон» при спектральном анализе
Во временной области –
умножение сигнала на весовую
функцию «окна».
В спектральной области – свертка
спектра сигнала с частотной
характеристикой «окна».
Временные отсчеты
Временные отсчеты
Умножение на
весовую функцию
Анализатор спектра
(БПФ)
Анализатор спектра
(БПФ)
Свертка с ЧХ «окна»
(сглаживание спектра)
Спектральные отсчеты
Спектральные отсчеты
1 умножение на отсчет для всех
видов окон
Для окна Ханна порядок фильтра -3
( окно Хэмминга – без умножений).
Для окна Блэкмана порядок
фильтра - 5.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 138

138.

Использование «окон» при спектральном анализе
дБ
40
30
20
rectangular
window
Амплитуды
сигналов:
Hann
window
C hebyshev
window
А1 – 1 (0 дБ)
10
0
А2 – 0.01 (-40 дБ)
-10
А3 –0.001(-60 дБ)
-20
-30
-40
-50
200
300
400
500
600
700
800
Стратегия выбора «окна» по одному из параметров:
по скорости спадания БЛ – при большой разнице амплитуд и частот;
по максимальному уровню БЛ – при разных амплитудах и неизвестных
(распределенных в большом диапазоне) частотах;
по ширине основного лепестка АЧХ – при сопоставимых амплитудах и
близко расположенных частотах.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 139

139.

Классические методы спектрального оценивания
Задача: получить оценку спектральной плотности мощности
сигнала с минимальной среднеквадратической ошибкой по
зашумленной реализации конечной длительности.
Основные характеристики:
Диапазон анализируемых частот
Определяется частотой дискретизации Fs:
от 0 до ½ Fs для действительных сигналов;
от - ½ Fs до + ½ Fs для комплексных сигналов.
Разрешающая способность по частоте
Определяется эффективной шириной
главного лепестка ЧХ окна Be:
N 1
Be
W k
k 0
W k
max
k 0, N 1
Достоверность
Определяется относительной
среднеквадратической ошибкой Q
оценки СПМ
Q k
S k S k
S k
Цифровая обработка сигналов. Слайд 140
2
2
, k 0,1..N 1

140.

Классические методы спектрального оценивания
Особенность оценки СПМ при наличии шума:
При увеличении размерности БПФ ошибка оценки СПМ не
уменьшается, так как определяется спектральной плотностью шума.
Для ее снижения необходимо усреднение спектральных оценок.
При ограниченной длине реализации случайного процесса:
Повышение достоверности оценки приводит к ухудшению
разрешающей способности;
Повышение разрешающей способности приводит к потере
достоверности оценки.
Если влияние шума пренебрежимо мало, то
Be Te 1
Te - эффективная длительность реализации.
Если необходимо усреднение оценок СПМ для повышения
достоверности, то Q Te BS 1
BS
N 1
W
k
k 0
N 1
W k
k 0
2
- статистическая ширина
2
полосы «окна»
Цифровая обработка сигналов. Слайд 141

141.

Периодограммный метод оценки СПМ
Последовательность операций:
1.
Реализация процесса длиной L отсчетов разбивается на M
сегментов размером N отсчетов каждый
xm n , n 0,1,..N 1, m 1,2..M .
2.
Вычисляется БПФ от каждого сегмента
X m k , k 0,1,..N 1, m 1, 2..M .
3.
Усредняется оценка СПМ
PX k 1
M
X m k X m* k , k 0,1..N 1
M m 1`
Для снижения потерь из-за взвешивания функцией «окна» применяется
перекрытие сегментов на ½ или ¼.
Увеличение
длины
сегмента
соответствует
улучшению
разрешающей способности и снижению достоверности
(возрастанию ошибки), и наоборот.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 142

142.

Коррелограммный метод оценки СПМ
Основан на дискретном аналоге теоремы Винера-Хинчина.
Последовательность операций:
1.
Вычислить АКФ реализации процесса в диапазоне [0,N-1]
дискретных задержек:
L 1
RX m x n x* n m , m 0,1..N 1.
n 0
2.
Вычислить ДПФ размерности N от АКФ c использованием «окна»:
2
PX k RX m exp j
k m , k 0,1..N 1.
N
m 0
N 1
Увеличение диапазона задержек АКФ соответствует улучшению
разрешающей способности, и снижению достоверности
(возрастанию ошибки), и наоборот.
Рекомендуется: начинать оценку СПМ с высокой достоверности,
продвигаясь в направлении более высокого разрешения по
частоте.
Цифровая обработка сигналов. Слайд 143

143.

Параметрические методы спектрального оценивания
Основные недостатки классических методов:
• низкое разрешение, ограниченное длительностью сигнала;
• маскировка слабых сигналов боковыми лепестками «окон».
Возможность устранения этих недостатков – в использовании
априорной информации об оцениваемом процессе.
Задача оценки СПМ сводится к оценке небольшого числа
параметров модели.
Источник
«белого»
шума
Линейная система
(фильтр) порядка
P
Оцениваемые параметры:
• Коэффициенты фильтра;
• Мощность шума.
+
Источник
«белого»
шума
Цифровая обработка сигналов. Слайд 144
Оцениваемый
процесс

144.

Параметрические методы спектрального оценивания
Модели авторегрессии (АР) и скользящего среднего (СС):
b0
+
n i
Z-1
+
b1
x i
a1
Z-1
Z-1
Z-1
H e
j
B e
ap
q
СС:B z bn z
n 0
n
an z
АР: A z 1
n 1
P( )
АР
n 0
p
j
q
Px e j
n
j n
n
j n
b
e
n
2
n 0
p
1 an e j n
n 1
P( )
j
n 1
Z-1
q
j n
b
e
n
A e
1 a e
Z-1
bq
q
P( )
СС
Цифровая обработка сигналов. Слайд 145
АРСС
2

145.

Параметрические методы спектрального оценивания
p
an rx m n , m 0
n 1
p
rx m an rx m , m 0
n 1
rx m , m 0
Записываем эти уравнения для
rx 0 rx 1
rx 0
rx 1
...
...
rx p rx p 1
0 m p
Связь
параметров
АР – модели и
значений АКФ
процесса
в матричной форме:
... rx p 1
... rx p 1 a1 0
...
... ... ...
...
rx 0 a p 0
Цифровая обработка сигналов. Слайд 146
Нормальное
уравнение
Юла-Уолкера
для АР –
процесса

146.

Параметрические методы спектрального оценивания
Методика построения оценки СПМ для АР- процесса:
• Рассчитываются значения АКФ : rx 0 , rx 1 ,...rx m ,...rx p ;
• Решается уравнение Юла-Уолкера относительно параметров
АР- модели a1 , a2 ,...a p и спектральной плотности
• Вычисляется оценка СПМ:
Px e
j
1
p
1 an e j n
2
n 1
Цифровая обработка сигналов. Слайд 147
;

147.

Параметрические методы спектрального оценивания
Взаимосвязь классических и параметрических методов оценки СПМ.
rx(m)
Px(k)
истинная
СПН
m
измеренные
значения
rx(m)
истинные значения
Px(k)
окно
нулевая
экстраполяция
m
rx(m)
коррелограммная оценка
Px(k)
m
затухающая
экстраполяция
затухающая экстраполяция
Цифровая обработка сигналов. Слайд 148
АР оценка СПМ

148.

Параметрические методы спектрального оценивания
Преимущества параметрических методов:
• высокое разрешение, что соответствует «длинной» АКФ;
• отсутствие боковых лепестков весовой функции «окна».
Недостатки параметрических методов:
• неопределен выбор порядка модели;
• зависимость разрешения от отношения сигнал/шум
1.03
Формула Марпла
;
f
T p Q 1
0.31
• возможная потеря устойчивости.
с / ш = 30 дБ
с / ш = 20 дБ
Цифровая обработка сигналов. Слайд 149
с / ш = 10 дБ

149.

Параметрические методы спектрального оценивания
Сводная таблица
параметрических
Общие
свойства методов оценки
Недостатки
Условия
несингулярности
Преимущества
СПМ
КовариациМодифиц.
Ковариационн
Модифиц.
ЮлаЮлаБерга
Метод
Берга
КовариациМодифиц.
Юлаонный
ковариац.
ый
ковариац.
Метод
Берга
КовариациМодифициУолкера
Уолкера
ЮлаМетод
Характеристики
Метод
Берга
онный
ковариац.
Уолкера
онный
рованный
Уолкера
Не использует
Не использует
Не использует
Использует
Расположение
Может
Может
Работает
Берга
Общие
свойства
ковариациВысокое
Разрешение
Высокое
Для длинных
взвешивание
взвешивание
взвешивание
взвешивание
пиков
сильно
приводить
к
приводить
к
относительно
разрешение
блоков
онный
данных
данных
неустойчивым
плохо
для
Преимущества
для
короткой
данных
функцией
функцией
моделям
коротких
Порядок
должен
Порядок
блока -данных
при«окна»
коротких
длины
блока
разрешение
«окна»
«окна»
блоков
Модифицированный
Недостатки
быть
меньше,
быть
блоках
данных должен
данных
такое
же, как у
данных
либо равен
меньше, либо
других
ковариационный
Подвержен
Смещение
Расположение
Смещение
Минимальная
Минимальная
Минимальная
Минимальная
половине
равен 2/3
методов
расщеплению
частот
оценок
пиков
слегка
частот
оценок
СКО
СКО
СКО
СКО
размера кадра
размера
кадра
Юла-Уолкера
Условия
несингулярности
Всегда
Работоспособен
РаботоспосоВсегда
спектральных
синусоид
зависит
синусоид в
предсказания
предсказания
предсказания
предсказания
данных в
данныхот
устойчивые
для
P
чистых
бен
для
P
устойчивые
линий
при и
шуме
начальных
шуме
«вперед»
«вперед»
«вперед»
и
«вперед»
модели
гармоник в
чистых
модели
высоком
порядке
фаз
«назад»
с
«назад».
шуме
гармоник в
модели
ограничением
шуме
алгоритма
Смещение
частот
Наименьшее
ДурбинаНе
подвержен
оценок
синусоид
смещение
Левинсона
расщеплению
в шуме
частот
оценок
спектральных
синусоид в
линий
шуме
разрешение
выше,
чем у
данных
данных
зависит
отдля неустойчивым
Ковариационный
короткой длины
Юла-Уолкера
функцией
«окна»
функцией
начальных
фаз
моделям
Цифровая обработка сигналов. Слайд 150