Учебное пособие 800259
.pdfВычислим дисперсию шума на выходе согласованного фильтра, полагая, что помеха на входе - белый шум со спектральной плотностью:
W |
|
n |
|
N |
0 |
/ 2, |
|
|
,
тогда:
2 |
|
1 |
|
|
|
2 |
N0 |
|
1 |
2 N0 |
||
|
|
2 |
|
K0 |
|
|||||||
Dвых вых |
|
|
Wn K0 j |
d |
|
|
|
|
1 cos u d K0 E |
|
. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
2 |
|
2 |
2 |
2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Откуда максимальное отношение С/Ш на выходе:
a |
|
|
S |
вых |
t |
|
2 |
||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
max |
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
|
вых |
|
0 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
.
(59)
На вход интегрирующей RC -цепи (рис. 9) воздействует аддитивная смесь статистически независимых стационарно-
го гауссовского белого шума со спектральной плотностью |
||||
W |
N |
0 |
/ 2, |
и прямоугольного видеоимпульса с |
n |
|
|
амплитудой U и длительностью
|
u |
|
.
Вывести соотношение, связывающее максимальное отношение C/Ш на выходе RC - цепи с длительностью импульса
|
u |
|
и эффективной шумовой полосой цепи; определить, в ка-
ком соотношении должны находиться длительность импульса
и оптимальная эффективная шумовая полоса
f |
эопт |
|
, при кото-
рой на выходе RC -цепи имеет место максимальное отношение С/Ш.
Решение. В соответствии с теоремой Винэра-Хинчина дисперсия стационарного шума на выходе RC – цепи:
39
|
|
|
|
1 |
|
|
|
d |
1 |
|
D |
|
2 |
|
|
W |
|||||
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
вых |
|
вых |
|
2 |
|
nвых |
|
2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Подставляя в это выражение:
|
|
|
|
|
K j |
|
2 |
|
|
W |
|
|
d |
||||
|
n |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.
K j 1/ 1
j RС
,
находим:
|
2 |
|
N |
0 |
N |
f |
|
/ 2 |
, |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
вых |
|
4RC |
0 |
|
Э |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
f |
Э |
1/ 2RC |
- эффективная шумовая полоса RC-цепи. По- |
|
|
лезный сигнал на выходе рассматриваемого фильтра:
t Sвых t h t S d
0
после вычислений находим:
;
где:
h t
|
t |
Sвых t h |
|
|
0 |
exp t |
|
|
0, приt 0 |
|
t
приt
S
d ,
0, 1/ RC
После вычислений находим:
Sвых t U 1 e t 1 t U 1 e t u 1 t u ,
где:
1, приt 0 |
|
1 t |
. |
0, приt 0 |
|
40
В момент окончания входного импульса значение сигнала на выходе максимально:
S |
вых |
t |
|
max |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
u |
S |
|
|
e |
|
RC |
|||
вых |
u |
1 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.
Тогда максимальное отношение С/Ш на выходе:
|
a |
Для |
|
импульса |
|
|
|
Sвых t мах |
U |
|
2 |
1 e |
2 f |
|
|
|
|
|
|
|
|
Э |
u |
. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
N |
|
f |
|
|
|
|
|
|
вых |
0 |
Э |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
определения зависимости |
между |
длительностью |
||||||||
u |
и оптимальной эффективной шумовой полосой |
f
Э необходимо вычислить производную от |
||||||||||||||||
da |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
1 |
2 f |
|
1 |
|
|
||
|
|
U |
|
|
|
2 |
|
f |
|
|
2 e |
Э U |
|
|
f |
|
d f |
|
|
N |
|
|
u |
|
Э |
|
|
|
|
2 |
|
Э |
|
Э |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Приравнивая эту производную нулю,
а по |
f |
Э : |
||||
|
||||||
|
3 |
1 |
e |
2 |
f |
|
2 |
||||||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Э U |
получим:
.
|
U |
f |
Эопт |
|
|
|
|
1 |
ln 4 |
|
f |
|
|
2 |
u |
Эопт |
|||
|
|
||||
|
|
|
|
1
,
откуда
f |
Эопт |
|
0,628/ |
u |
|
.
При этом отношение С/Ш на выходе цепи:
a |
|
0,9 |
2 |
|
/ N |
|
0,9 |
2E / N |
|
max |
2U |
u |
0 |
0 |
|||||
|
|
|
|
|
|
,
где E U 2 u - энергия входного сигнала.
41
Задание на практическ ую работ у
Задачи этого раздела связаны с отыскиванием импульсной характеристики или передаточной функции согласованного фильтра по заданным характеристикам полезного сигнала и помехи, проверкой физической реализуемости такого фильтра, разработкой структуры оптимального или квазиоптимального фильтра и определением максимального отношения С/Ш на выходе фильтра. В ряде случаев важно установить соотношения между основными параметрами сигнала и фильтра, а также параметрами входного и выходного сигналов, как для оптимального, так и квазиоптимального фильтров.
Найти коэффициент передачи, синтезировать структуру и определить максимальное отношение С/Ш на выходе фильтра, согласованного с сигналом радиолокатора (рис. 11) - пачка из m прямоугольных импульсов с изменяющейся в соответствии с диаграммой направленности антенны локатора амплитудой, если помеха - белый шум.
Рис. 11. Фильтр, согласованный с сигналом радиолокатора
42
Практическая работа № 6 Дискретные сигналы. Цифровые фильтры.
Целью практической работы является изучение основных свойств дискретных сигналов.
Задачи практической работы:
выявить различия аналогового и дискретного сигнала;
рассмотреть преобразование Фурье для дискретного сигнала;
определить применение цифровых фильтров.
Теоретические сведения
В отличие от аналогового сигнала сигнал описывается последовательностью (
x(t),
...., X
дискретный
0 |
, X |
, X |
2 |
,.... |
) |
1 |
|
|
своих отсчетов в точках
(
...,t |
c |
,t |
,t |
2 |
,... |
|
1 |
|
|
) соответственно, что
позволяет представить его в виде произведения колебаний x(t) и так называемой дискретизирующей последовательности
t |
|
t K |
|
|
|
|
, образованной |
-импульсами, которые |
|||
|
|
||||
|
K |
|
|
следуют через равные интервалы времени , называемые шагом дискретизации. Спектр дискретизированного сигнала:
|
1 |
|
|
2 n |
|
1 |
|
n Д |
|
|
S x |
|
|
S x |
|||||||
|
S x |
|
|
|
||||||
|
n |
|
|
|
n |
|
|
представля-
ет собой, с точностью до множителя, сумму бесконечного числа «копий» спектра исходного сигнала x(t), повторяющихся вдоль оси частот через промежутки, равные частоте дискрети-
зации
|
Д |
|
2
.
Для дискретного сигнала применимо дискретное преобразование Фурье, образованное последовательностью коэффициентов:
43
|
|
1 |
N 1 |
|
|
Сn |
|
xK e |
j 2 nk / N |
||
|
|||||
|
|
||||
|
|
N |
|
||
|
|
|
K 0 |
|
(60)
Здесь предполагается, что условия теоремы Котельникова соблюдены.
По заданным коэффициентам (60) вычисляются отсчетные значения дискретного сигнала - обратное дискретное преобразование Фурье:
N1
xK cne j 2 nk / N .
n 0
(61)
Исходной последовательности отсчётов {X к} = (х 0, x1, x2,...) однозначно соответствует сумма ряда по отрицательным степеням комплексной переменной z:
x z x |
|
|
x |
|
x |
|
1 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
z |
|
z |
|
|
|
|
2 2
|
|
.... xK z |
K |
|
|
K 0 |
|
,
(62)
называемой z-преобразованием, или производящей функцией последовательности. Отсчеты исходной последовательности вычисляются с помощью обратного z-преобразования:
x |
1 |
|
|
zm 1x(z)dz. |
(63) |
|
|
|
|
||||
2 j |
||||||
m |
|
|
||||
|
|
|
||||
Дискретные сигналы |
обрабатываются в |
устройствах, |
называемых цифровыми фильтрами (ЦФ). Дискретный сигнал |
||
h |
|
- реакция ЦФ на единичный импульс называется импуль- |
k |
|
сной характеристикой ЦФ и позволяет вычислить m-й отсчет выходного сигнала {Ук} ЦФ:
|
m |
ym x0 hm x1hm 1 .... xm h0 |
xK hm k . |
|
x 0 |
44
Выходные отсчеты получаются из входных умножением последних на комплексное число:
|
|
|
|
n |
K ( j ) |
|
e |
j n |
|
|
|
h |
||
|
n 0 |
|
|
|
(65).
коэффициент передачи ЦФ. По отсчетам импульсной характеристики можно определить системную функцию цифрового фильтра:
H Z |
y z |
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
||||
|
h |
z |
, |
(66) |
|||
|
|
||||||
|
x z |
|
k |
|
|
||
|
|
K 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где x(z) и y(z) - Z -преобразования входного и выходного сигналов фильтра соответственно.
Трансверсальными цифровыми фильтрами принято называть цифровые системы, которые работают в соответствии с алгоритмом:
y |
i |
a x |
i |
a x |
i 1 |
a |
x |
i 2 |
.... a |
m |
x |
|
0 |
1 |
|
2 |
|
i m |
где |
a |
0 |
, a |
, a |
2 |
,..., a |
m |
последовательность коэффициентов; |
|
1 |
|
|
рядок трансверсального фильтра.
Системная функция трансверсального ЦФ:
m
(67)
- по-
H z a |
|
a z |
1 |
a |
|
z |
2 |
.... a |
|
z |
m |
, |
(68) |
|
0 |
|
2 |
|
|
m |
|
||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
откуда путем замены |
z exp j |
может быть получена его |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
частотная характеристика:
m
K j an e j n .
n 0
45
Рис. 12. Структурная схема трансверсального ЦФ
На рис. 12 представлена структурная схема трансверсального ЦФ. Рекурсивные цифровые фильтры характеризуются тем, что для формирования выходного сигнала используются отсчеты входного и предыдущие отсчеты выходного сигнала ЦФ в соответствии с алгоритмом:
y |
i |
a x |
i |
a x |
i 1 |
a |
x |
i 2 |
.... |
a |
m |
x |
b y |
i 1 |
b |
y |
i 2 |
b y |
i 3 |
.... |
b y |
i n |
|
0 |
1 |
|
2 |
|
|
i m |
1 |
2 |
|
3 |
|
n |
Системная функции и частотная характеристика рекурсивного ЦФ определяются формулами:
.
H z |
y z |
|
a |
|
a z |
1 |
.... a |
|
z |
m |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
0 |
|
|
1 |
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
||
|
x z |
|
1 b z |
1 |
b |
z |
2 |
... b |
z |
n |
||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
m |
|
K j |
ak exp j k |
|
K 0 |
||
|
||
|
n |
|
|
1 bn exp j k |
|
|
k 1 |
|
|
46 |
|
; |
|
(70)
(71)
Структурная схема рекурсивного ЦФ приведена на рис. 13. Для того, чтобы рекурсивный фильтр был устойчивым все полюса его системной функции должны лежать внутри единичного круга в плоскости z - необходимое и достаточное условия устойчивости.
Для синтеза ЦФ используются:
Рис. 13. Структурная схема рекурсивного ЦФ
1.Метод инвариантных импульсных характеристик, основанный на предположении о том, что синтезируемый ЦФ должен обладать импульсной характеристикой, которая является результатом дискретизации импульсной характеристики соответствующего аналогового фильтра-прототипа.
2.Метод дискретизации дифференциального уравнения шаговой цепи. Здесь дифференциальное уравнение, описывающее аналоговый прототип, заменяют конечно-разностным уравнением, по которому легко определить производящую функцию ЦФ.
3.Метод инвариантных частотных характеристик состоит в получении дробно-рациональной системной функции ЦФ из передаточной функции соответствующей аналоговой цепи с помощью замены переменной по формуле:
47
j p |
2 |
z 1 |
. |
|
|
(72) |
|
z 1 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||
Дискретный сигнал на интервале своей периодичности |
|||||||
задан шестью равноотстоящими отсчетами |
x |
K |
1,1,1,0,0,0 |
. |
|||
|
|
Найти коэффициенты дискретного преобразования Фурье этого сигнала.
Решение. Используя основную формулу (60), непосред-
ственно вычисляем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
c0 |
0,5;c1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
j |
2 |
|
1 |
1 |
j |
3 ; |
|||||||
|
1 1 exp j |
|
1 exp |
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
||||||||
|
c |
|
|
1 |
|
|
|
j |
2 |
|
|
|
|
|
|
4 |
0; c |
|
|
|
|||||
|
2 |
|
1 |
1 exp |
|
|
1 exp j |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
. |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 1 exp j 1 exp |
j2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
6 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Последующие коэффициенты находятся, на основании |
||||||||||||||||||||||||
их сопряженности: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c4 c 2 |
0; c5 |
c1 |
|
1 |
1 j 3 . |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вывод. Располагая дискретным сигналом с числом отсчетов N=6, можно найти постоянную составляющую, а также комплексные амплитуды первой, второй и третьей гармоник исходного непрерывного сигнала. Ясно, что при любом четном N число необходимых гармоник составляет половину числа отсчетов. Это следует и из теоремы Котельникова. Действительно, верхняя граничная частота в спектре дискретизируемого сигнала должна находиться из соотношения:
48