Кіріспе
Сызықты жауап беретін сүзгілер. Сызықты сүзгілер сызықтылық шектеулеріне сәйкес, уақыт бойынша өзгеретін кіріс сигналдарын шығыс сигналдарына түрлендіреді. Көп жағдайда, бұл сызықты сүзгілер уақыт бойынша өзгермейтін (немесе қабысу бойынша өзгермейтін) болып табылады, олардың LTI ("сызықтық уақыт бойынша өзгермейтін") жүйелік теориясын қолдану арқылы дәл талдауға болады. Бұл олардың жиілік доменіндегі беріліс функцияларын және уақыт доменіндегі импульстік жауаптарын анықтайды. Мұндай сызықты сигналды өңдеу сүзгілерінің уақыт режиміндегі іске асырылуы, беріліс функцияларына қосымша шектеу ретінде, себептік болуы тиіс. Тек сызықты компоненттерден (резисторлар, конденсаторлар, индукторлар және сызықтық күшейткіштер) құралған аналогтық электрондық схема осы санатқа жатады, сондай-ақ тек сызықты элементтерден тұратын салыстырмалы механикалық жүйелер немесе цифрлық сигналды өңдеу жүйелері де жатады. Сызықтық уақыт бойынша өзгермейтін сүзгілер әртүрлі жиіліктегі синусоидтарға реакциясымен (жиілік жауабы) толық сипатталады, сондықтан оларды кейде жиілік сүзгілері деп атайды. Сызықтық уақыт бойынша өзгермейтін сүзгілердің уақыт режиміндегі іске асырылуы себептік болуы міндетті емес. Бейне өңдеу сияқты бірнеше өлшемді сүзгілер де қолданылады. Сызықты сүзгілеудің жалпы ұғымы статистика, деректерді талдау және машина жасау сияқты басқа да салалар мен технологияларға қолданылады.
Linear filters process time varying input signals to produce output signals, subject to the constraint of linearity. In most cases these linear filters are also time invariant (or shift invariant) in which case they can be analyzed exactly using LTI ("linear time invariant") system theory revealing their transfer functions in the frequency domain and their impulse responses in the time domain. Real time implementations of such linear signal processing filters in the time domain are inevitably causal, an additional constraint on their transfer functions. An analog electronic circuit consisting only of linear components (resistors, capacitors, inductors, and linear amplifiers) will necessarily fall in this category, as will comparable mechanical systems or digital signal processing systems containing only linear elements. Since linear time invariant filters can be completely characterized by their response to sinusoids of different frequencies (their frequency response), they are sometimes known as frequency filters. Non real time implementations of linear time invariant filters need not be causal. Filters of more than one dimension are also used such as in image processing. The general concept of linear filtering also extends into other fields and technologies such as statistics, data analysis, and mechanical engineering.
Импульстік жауап сүзгілері
Сызықтық сүзгі ретінде әрекет ететін физикалық жүйені қарастырайық, мысалы, серіппелер мен массалар жүйесі немесе конденсаторларды және/немесе индукторларды (резисторлар мен күшейткіштер сияқты басқа да сызықтық компоненттермен бірге) қамтитын аналогтық электрондық схеманы. Мұндай жүйе импульске (немесе шекті ұзақтықтағы кез келген сигналға) ұшыраған кезде, кіріс сигналының ұзақтығынан артыққа созылатын шығыс толқын формасымен жауап береді, соңында белгілі бір жолмен экспоненциалды түрде азаяды, бірақ математикалық тұрғыдан алғанда, ешқашан толыққанды нөлге дейін тоқтамайды. Мұндай жүйеде шексіз импульстік жауап (IIR) бар деп есептеледі. Жоғарыдағы конволюциялық интеграл (немесе қосынды) барлық уақытқа дейін созылады: T (немесе N) мәні шексіздікке тең болуы керек. Мысалы, маятник сияқты демпферленген гармоникалық осцилляторды немесе резонанстық LC тізбегін қарастырайық. Егер маятник тыныш күйде болса және оны балғамен соққымен ("импульс") қозғалтсақ, ол алға-артқа қозғалады ("резонанс"), мысалы, 10 см амплитудамен. 10 минуттан кейін маятник әлі де тербеліп тұрса да, амплитудасы бастапқы амплитудасының жартысына дейін, яғни 5 см-ге төмендейді. Тағы 10 минуттан кейін амплитудасы 2,5 см, содан кейін 1,25 см және т.б. болады. Бірақ ол толыққанды тоқтамайды, сондықтан импульске (балғамен соққыға) жауапты ұзақтығы "шексіз" деп атаймыз. Мұндай жүйенің күрделілігі оның N ретімен сипатталады. N жиі трансферлік функцияны жобалаудағы шектеу болып табылады, себебі ол аналогтық тізбектегі реактивті компоненттердің санын анықтайды; цифрлық IIR сүзгісінде қажетті есептеулер саны N-ге пропорционалды.
Орындау мәселелері
Классикалық аналогты сүзгілер IIR сүзгілері болып табылады, ал классикалық сүзгі теориясы төмен ретті рационалды функциялар арқылы берілген беру функцияларын анықтауға бағытталған, оларды сол аз сандағы реактивті компоненттерді пайдаланып синтездеуге болады. Екінші жағынан, FIR және IIR сүзгілерін цифрлық компьютерлер арқылы бағдарламалық құралдарда іске асыру оңай. Цифрлық IIR сүзгісі, әдетте, FIR сүзгісіне қарағанда аз есептеу қуатын қолдана отырып, қажетті сүзгінің жиіліктік сипаттамасын жақындата алады, бірақ бұл артықшылық көбінесе цифрлық процессорлардың қуатының өсуіне байланысты қажетсіз болып табылады. FIR сүзгілерін жобалау мен сипаттаудың қарапайымдығы, жеткілікті есептеу қуаты болғанда, оларды сүзгіні жобалаушыға (бағдарламашыға) қолайлырақ етеді. FIR сүзгілерінің тағы бір артықшылығы – олардың импульстік жауабын симметриялық етуге болады, бұл барлық жиіліктерде нөлдік фазаға ие жиіліктік домендегі жауапты білдіреді (шекті кешігуді ескермегенде), ал мұндай жағдай кез келген IIR сүзгісі үшін мүмкін емес.
Жиілік респонсісі
Сүзгінің жиілік реакциясы немесе трансферт функциясы, импульстік реакция белгілі болған жағдайда, Лаплас трансформациясын қолдану арқылы тікелей талдау немесе дискретті уақыт жүйелерінде Z трансформациясын қолдану арқылы есептелуі мүмкін. Жиілік реакциясы фазаны да қамтиды, ол жиіліктің функциясы ретінде қарастырылады, бірақ көп жағдайларда фазалық реакцияға қызығушылық аз немесе жоқ. FIR сүзгілерін нөлдік фазалы етіп жасауға болады, бірақ IIR сүзгілері үшін мұндай мүмкіндік көбінесе болмайды. Көптеген IIR трансферт функцияларына жиілік реакциясы бірдей, бірақ фазасы әртүрлі болатын байланысты трансферт функциялары сәйкес келеді; көбінесе минималды фазалық трансферт функциясы басымдыққа ие. Уақыт доменіндегі сүзгілерге көбінесе белгілі бір жиілік реакциясын сақтау талап етіледі. Содан кейін математикалық процедура (кейбір шектеулерді ескере отырып) іске асырылатын сүзгінің трансферт функциясын анықтап, қажетті жауапты белгілі бір критерийге дейін жақындастырады. Сүзгінің жалпы жауап сипаттамалары келесідей: Төмен өткізгіш сүзгі төмен жиіліктерді өткізеді, ал жоғары жиіліктерді тоқтатады. Жоғары өткізгіш сүзгі жоғары жиіліктерді өткізеді. Жолақтық өткізгіш сүзгі жиіліктердің белгілі бір диапазонын өткізеді. Жолақтық тоқтату сүзгісі белгіленген диапазотынан тыс жоғары және төмен жиіліктерді өткізеді. Нүктелік сүзгінің белгілі бір жиілікте жауабы нөлге тең болады. Бұл функция жоғарыда аталған жауаптардың кез келгенімен біріктірілуі мүмкін. Барлық жиіліктерді теңдей жақсы өткізетін, бірақ олардың арасындағы фазалық қатынасты өзгертетін барлық өткізгіш сүзгі бар. Теңестіру сүзгісі кез келген жиілікті толық өткізуге немесе тоқтатуға арналмаған, керісінше жиіліктің функциясы ретінде амплитудалық жауапты біртіндеп өзгертуге арналған; алдын ала күшейту сүзгілері, теңестіргіштер немесе тонды басқару құралдары ретінде қолданылатын сүзгілер жақсы мысалдар болып табылады.
A low pass filter passes low frequencies while blocking higher frequencies. A high pass filter passes high frequencies. A band pass filter passes a band (range) of frequencies. A band stop filter passes high and low frequencies outside of a specified band. A notch filter has a null response at a particular frequency. This function may be combined with one of the above responses. An all pass filter passes all frequencies equally well, but alters the phase relationship among them. An equalization filter is not designed to fully pass or block any frequency, but instead to gradually vary the amplitude response as a function of frequency: filters used as pre emphasis filters, equalizers, or tone controls are good examples.
FIR беру функциялары
FIR сүзгісімен жиілік жауабына қойылатын талапты орындау салыстырмалы түрде қарапайым процедураларды қолданады. Ең қарапайым түрінде, қажетті жиілік жауабының өзі белгілі бір ажыратымдылықпен үлгіленуі мүмкін, содан кейін уақыт доменіне Фурье түрлендіріледі. Бұл сүзгі коэффициенттерін hi-ні алуға мүмкіндік береді, бұл нөлдік фазалық FIR сүзгісін іске асырады, ол үлгіленген жиіліктердегі жиілік жауабына сәйкес келеді. Қажетті жауапқа жақын болу үшін , кешіктірілуі керек. Дегенмен, сүзгінің импульстік жауабының ұзақтығы және әрбір шығыс мәні үшін (жоғарыда көрсетілген дискреттік уақыт конволюциясына сәйкес) қосылуы тиіс мүшелер саны келесі формуламен беріледі: , мұнда T – дискреттік уақыт жүйесінің үлгілеу периоды (N-1 сонымен қатар FIR сүзгісінің реті деп аталады). Осылайша, цифрлық сүзгінің күрделілігі және есептеу уақыты ,-ге кері пропорционалды өседі, бұл қажетті мінез-құлыққа жақынрақ жақындаған сүзгі функцияларына жоғарырақ шығындарды жүктейді. Осы себепті, өзінің маңызды жауабы төменгі жиіліктерде (үлгілеу жиілігіне 1/T қарағанда) болатын сүзгі функцияларына жоғары ретті, есептеу жағынан күшті FIR сүзгісі қажет. Сондықтан, мұндай жағдайларда IIR сүзгісі әлдеқайда тиімді болуы мүмкін. Оқырман FIR сүзгісін практикалық жобалау әдістері туралы қосымша ақпаратты басқа жерлерде таба алады.
IIR трансферт функциялары
Классикалық аналогты сүзгілер IIR сүзгілері болғандықтан, үздіксіз уақыт жүйелерінде жоғарыда аталған түрлі қажетті сүзгілік жауаптарды іске асыратын мүмкін болатын беру функцияларының ауқымын зерттеудің ұзақ тарихы бар. Трансформацияларды қолдану арқылы осы үздіксіз уақыт жиілік жауаптарын дискретті уақытпен іске асырылатын, цифрлық IIR сүзгілерінде пайдалану үшін түрлендіруге болады. Кез келген мұндай сүзгінің күрделілігі N ретімен сипатталады, ол жиілік жауабын сипаттайтын рационалды функцияның ретін көрсетеді. N реті аналогты сүзгілерде ерекше маңызды, себебі N-ші ретті электрондық сүзгіні іске асыру үшін N реактивті элемент (конденсаторлар және/немесе индукторлар) қажет. Егер сүзгі, мысалы, операциялық күшейткіштерді қолданатын биквадты сатылар арқылы іске асырылса, онда N/2 саты қажет болады. Цифрлық іске асыруда, бір үлгіде орындалатын есептеулер саны N-ге пропорционалды. Осылайша, математикалық мәселе – кішірек N мәнін пайдалана отырып, қажетті жауапқа ең жақсы жуықтауды (бірінші мағынада) алу болып табылады, мұны біз енді көрсетейік. Төменде бірнеше стандартты сүзгі функцияларының жиілік жауаптары келтірілген, олар белгілі бір критерийлерге сәйкес оңтайландырылған, қажетті жауапқа жуықтау үшін жасалған. Бұлардың барлығы бесінші ретті төмен өткізгіш сүзгілер, нормаланған бірліктерде 0,5 кесу жиілігімен жобаланған. Жиілік жауаптары Butterworth, Chebyshev, кері Chebyshev және Elliptic сүзгілері үшін көрсетілген. Суреттен көрініп тұрғандай, Elliptic сүзгісі басқаларына қарағанда өткір, бірақ өту жолағында да, тоқтату жолағында да тербелістердің есебінен. Butterworth сүзгісі нашар ауысуға ие, бірақ жауабы тегіс, өту жолағында немесе тоқтату жолағында тербелістерді болдырмайды. Bessel сүзгісі (көрсетілмеген) жиілік доменінде тіпті нашар ауысуға ие, бірақ толқынның ең жақсы фазалық адалдығын сақтайды. Әр түрлі қолданыстар әр түрлі дизайн талаптарына баса назар аударады, бұл (және басқа) оңтайландырулардың арасында әр түрлі таңдауларға немесе жоғары ретті сүзгіні қажет етуге әкеледі.
Үлгілік іске асырулар
Екінші реттік белсенді RC сүзгісін іске асыратын танымал схема – Саллен-Кей дизайны, оның схемалық диаграммасы осында көрсетілген. Бұл топологияны төмен өткізгіш, жолақты өткізгіш және жоғары өткізгіш сүзгілерді жасау үшін бейімдеуге болады. N-ретті FIR сүзгісі дискретті уақыт жүйесінде компьютерлік бағдарлама немесе арнайы аппаратты қолдану арқылы іске асырылуы мүмкін, онда кіріс сигналы N кешігу сатысынан өтеді. Сүзгінің шығысы осы кешіктірілген сигналдардың салмақталған қосындысы түрінде қалыптасады, бұл қоса берілген сигнал ағыны диаграммасында көрсетілген. Сүзгінің сипаттамасы b0, b1, bN деп белгіленген салмақ коэффициенттеріне байланысты. Мысалы, егер барлық коэффициенттер бірлікке тең болса, яғни «тіктөртбұрышты» функция болса, онда ол N+1 төмен жиілікті күшейтуі бар төмен өткізгіш сүзгіні және sinc функциясымен берілген жиілік сипаттамасын іске асырады. Жиілік жауабының жақсырақ пішіндерін алу үшін күрделі жобалау процедурасынан алынған коэффициенттерді пайдалануға болады.