Кіріспе
Дискретті үлгіленген сигналдың бір бөлігін басуға арналған құрылғы. Сигналды өңдеуде, цифрлық сүзгі – бұл сигналдың белгілі бір аспектілерін азайту немесе күшейту үшін үлгіленген дискретті уақыт сигналына математикалық операцияларды орындайтын жүйе. Бұл, әдетте үздіксіз уақыт аналогты сигналдарымен жұмыс істейтін электрондық схема болып табылатын, тағы бір негізгі электрондық сүзгі түрі – аналогты сүзгіден өзгеше. Цифрлық сүзгі жүйесі әдетте кіріс сигналын үлгілеу үшін аналогты-цифрлық түрлендіргіштен (ADC) тұрады, одан кейін микропроцессор және деректерді сақтау, сүзгі коэффициенттері сияқты перифериялық компоненттер болады. Микропроцессорда іске қосылатын бағдарламалық нұсқаулар (программдық құралдар) ADC-ден алынған сандарға қажетті математикалық операцияларды орындау арқылы цифрлық сүзгіні іске асырады. Кейбір жоғары өнімділік қолданбаларында жалпы мақсаттағы микропроцессордың орнына FPGA немесе ASIC, немесе сүзгілеу сияқты операцияларды жеделдету үшін арнайы параллельді архитектурасы бар арнайы цифрлық сигналды өңдеуші (DSP) қолданылады. Цифрлық сүзгілер аналогтық сүзгілерге қарағанда күрделілігі жоғары болғандықтан, аналогтық сүзгілерге қарағанда қымбатқа түсуі мүмкін, бірақ олар аналогтық сүзгілер ретінде іске асыруы қиын немесе мүмкін емес көптеген жобаларды жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Цифрлық сүзгілер көбінесе өте жоғары ретті болуы мүмкін және көбінесе шекті импульстік жауап сүзгілері болып табылады, бұл сызықтық фазалық жауапқа мүмкіндік береді. Нақты уақыт аналогтық жүйелерде қолданылған кезде, цифрлық сүзгілер кейде аналогты-цифрлық және цифрлық-аналогты түрлендіруге, антиалиасингтік сүзгілерге байланысты немесе оларды іске асырудағы басқа да кешігулерге байланысты проблемалық кешігуге (кіріс пен жауап арасындағы уақыт айырмашылығына) тап болуы мүмкін. Цифрлық сүзгілер кең таралған және радио, ұялы телефондар және AV қабылдағыштар сияқты күнделікті электрониканың маңызды құралы болып табылады.
In signal processing, a digital filter is a system that performs mathematical operations on a sampled, discrete time signal to reduce or enhance certain aspects of that signal. This is in contrast to the other major type of electronic filter, the analog filter, which is typically an electronic circuit operating on continuous time analog signals. A digital filter system usually consists of an analog to digital converter (ADC) to sample the input signal, followed by a microprocessor and some peripheral components such as memory to store data and filter coefficients etc. Program Instructions (software) running on the microprocessor implement the digital filter by performing the necessary mathematical operations on the numbers received from the ADC. In some high performance applications, an FPGA or ASIC is used instead of a general purpose microprocessor, or a specialized digital signal processor (DSP) with specific paralleled architecture for expediting operations such as filtering. Digital filters may be more expensive than an equivalent analog filter due to their increased complexity, but they make practical many designs that are impractical or impossible as analog filters. Digital filters can often be made very high order, and are often finite impulse response filters, which allows for linear phase response. When used in the context of real time analog systems, digital filters sometimes have problematic latency (the difference in time between the input and the response) due to the associated analog to digital and digital to analog conversions and anti aliasing filters, or due to other delays in their implementation. Digital filters are commonplace and an essential element of everyday electronics such as radios, cellphones, and AV receivers.
Талдау әдістері
Берілген цифрлық сүзгінің қалып-құлықын талдау үшін әртүрлі математикалық техникалар қолданылуы мүмкін. Осы талдау техникаларының көптегені жобалауда да қолданылуы мүмкін, және көбінесе сүзгінің техникалық талаптарын анықтауға негіз болады. Әдетте, сүзгілерді импульс сияқты қарапайым сигналға қалай реакция ететінін есептеу арқылы сипаттауға болады. Содан кейін осы мәліметтерді пайдаланып, сүзгінің күрделі сигналдарға реакциясын есептеуге болады.
Сүзгі құрылымы
Сүзгілерді түсіну және есептеу оңай болғанымен, оларды жобалау және іске асырудың практикалық қиындықтары маңызды және көптеген озық зерттеулердің нысаны болып табылады. Цифрлық сүзгілердің екі түрі бар: рекурсивті сүзгі және рекурсиясыз сүзгі. Олар жиі шексіз импульсті жауап (IIR) және шекті импульсті жауап (FIR) сүзгілері деп аталады.
Сүзгілерді іске асыру
Сүзгі жобаланғаннан кейін, оны сынама тізбектеріндегі операциялар арқылы сипаттайтын сигнал ағыны диаграммасын жасау арқылы іске асыру қажет. Берілген трансферт функциясын көптеген тәсілдермен іске асыруға болады. Мысалы, қарапайым өрнекті қалай есептеуге болатынын қарастырайық – сол өрнектің эквивалентті түрін есептеуге де болады. Сол сияқты, барлық іске асыруларды бір трансферт функциясының әртүрлі "факторлануы" деп қарастыруға болады, бірақ әртүрлі іске асырулардың сандық қасиеттері әртүрлі болады. Атап айтқанда, кейбір іске асырулар оларды іске асыру үшін қажетті операциялар немесе жад элементтері саны тұрғысынан тиімдірек, ал басқалары сандық тұрақтылықты арттыру және дөңгелектеу қатесін азайту сияқты артықшылықтар ұсынады. Кейбір құрылымдар тұрақты нүктелі арифметика үшін жақсырақ, ал басқалары қалқыма нүктелі арифметика үшін жақсырақ болуы мүмкін.
Тікелей нысан I
IIR сүзгісін іске асырудың ең оңай тәсілі – тікелей форма I, онда айырма теңдеуі тікелей есептеледі. Бұл форма кішкентай сүзгілер үшін ыңғайлы, бірақ күрделі жобалар үшін тиімсіз және қолдануға қолайсыз (сандық тұрақсыздыққа бейім) болуы мүмкін. Әдетте, N ретті сүзгі үшін бұл формаға 2N кешіктіру элементі (кіріс және шығыс сигналдары үшін) қажет болады.
Тікелей нысан II
II-ші түрдегі тікелей пішінге тек N кешігу бірлігі қажет, мұнда N – сүзгінің реті, бұл I-ші түрдегі тікелей пішінге қарағанда екі есе аз. Бұл құрылым тікелей пішін I-нің бөлігіш және алым бөлімдерінің ретін кері аудару арқылы алынады, себебі олар екі сызықтық жүйе болып табылады және коммутативтік қасиет қолданылады. Содан кейін, орталық желіден тармақталатын екі кешігу бағаны бар екенін байқауға болады, олардың артық екенін ескере отырып, оларды біріктіруге болады, нәтижесінде төменде көрсетілгендей жүзеге асыру мүмкін болады. Алайда, II-ші түрдегі тікелей пішіннің кемшілігі – жоғары Q немесе резонансқа ие сүзгілерде арифметикалық шамадан асып кету мүмкіндігін арттыруы. Q мәнінің өсуімен екі тікелей пішін топологиясының даму шуы шексіз өседі деген қорытынды жасалды. Бұл, түсіндіру бойынша, сигналды ең басында барлық полюсті сүзгіден өткізуге болады (бұл әдетте резонанстық жиіліктерде күшейтуді арттырады), содан кейін нәтижесі барлық нөлдік сүзгіден өтеді (бұл көбінесе барлық полюсті бөлігі күшейткенін әлсіретеді).
Екінші реттік секциялардың каскадты
Ортақ стратегия – жоғары реттік (2-ден жоғары) цифрлық сүзгіді екінші реттік "биквадраттық" (немесе "биквад") бөлімдердің каскадты тізбегі ретінде іске асыру (цифрлық биквадраттық сүзгіге қараңыз). Бұл стратегияның артықшылығы – коэффициенттердің диапазоны шектеулі болады. Тікелей форма II бөлімдерін каскадтау N реттік сүзгілер үшін N кідіріс элементіне әкеледі. Тікелей форма I бөлімдерін каскадтау N + 2 кідіріс элементіне әкеледі, себебі кез келген бөлімнің кіріс кідіріс элементтері (бірінші бөлімнен басқа) алдыңғы бөлімнің шығыс кідіріс элементтерімен қайталанады.
Аналогты және цифрлық сүзгілерді салыстыру
Цифрлық сүзгілер аналогтық сүзгілердің жобалануын қиындататын компоненттердің сызықтық емес қасиеттеріне ұшырамайды. Аналогтық сүзгілер жетілмейтін электрондық компоненттерден тұрады, олардың шамалары белгілі бір шектегі қателіктерге дейін анықталады (мысалы, кедергілердің шамалары көбінесе ±5% қателікке ие) және температурамен және уақыт өте келе өзгеріп қалуы мүмкін. Аналогтық сүзгінің реті артқан сайын, және осымен бірге компоненттердің саны көбейгенде, өзгермелі компоненттердің қателіктерінің әсері едәуір ұлғаяды. Цифрлық сүзгілерде коэффициенттердің шамалары компьютер жадында сақталады, бұл оларды әлдеқайда тұрақты және болжамды етеді. Цифрлық сүзгілердің коэффициенттері нақты болғандықтан, оларды аналогтық сүзгілерге қарағанда күрделірек және таңдамалы жобаларды жүзеге асыру үшін пайдалануға болады. Атап айтқанда, цифрлық сүзгілермен өткізу жолағындағы тербелісті азайтуға, жылдам өтуге және тоқтату жолағындағы жоғары деңгейде әлсіретуге қол жеткізуге болады, бұл аналогтық сүзгілермен мүмкін емес. Егер жобаны аналогтық сүзгілер арқылы жүзеге асыруға болса да, оған тең келетін цифрлық сүзгіні жобалаудың инженерлік құны әлдеқайда төмен болады. Сонымен қатар, қолданушы адаптивті сүзгі немесе қолданушы басқаратын параметрлік сүзгі жасау үшін цифрлық сүзгінің коэффициенттерін оңай өзгерте алады. Бұл техникалар аналогтық сүзгіде де мүмкін болса да, олар әлдеқайда қиын. Цифрлық сүзгілерді шекті импульстік жауап сүзгілерін жобалауда қолдануға болады. Эквивалентті аналогтық сүзгілер көбінесе күрделірек, себебі оларға кешіктіру элементтері қажет. Цифрлық сүзгілер аналогтық схемаларға аз тәуелді, бұл сигнал мен шу арақатынасын жақсартуға мүмкіндік береді. Цифрлық сүзгі сигналға аналогтық төмен өткізгіш сүзгіні қолданғанда, аналогтық-цифрлық және цифрлық-аналогтық түрлендіргенде шуды енгізеді және кванттаудан туындаған цифрлық шуды тудыруы мүмкін. Аналогтық сүзгілерде әрбір компонент жылу шуының көзі болып табылады (мысалы, Джонсон шуы), сондықтан сүзгінің күрделілігі артқан сайын шу да артады. Дегенмен, цифрлық сүзгілер жүйеге жоғары бастапқы кешігуді енгізеді. Аналогтық сүзгіде кешігу көбінесе елеусіз болады; нақты айтқанда, бұл сүзгі тізбегі арқылы электр сигналының таралу уақыты. Цифрлық жүйелерде кешігу цифрлық сигнал жолындағы кешіктіру элементтерімен және жүйенің аналогтық сигналдарды өңдеуіне мүмкіндік беретін аналогтық-цифрлық және цифрлық-аналогтық түрлендіргіштермен туындайды. Өте қарапайым жағдайларда аналогтық сүзгіні пайдалану тиімдірек. Цифрлық сүзгіні енгізу үшін, бұрын айтқандай, екі төмен өткізгіш аналогтық сүзгіні қоса алғанда, айтарлықтай қосымша схемалар қажет. Аналогтық сүзгілердің тағы бір артықшылығы – төмен қуат тұтынуы. Аналогтық сүзгілер анағұрлым аз қуатты қажет етеді, сондықтан қуат талаптары шектеулі болған кезде олар жалғыз шешім болып табылады. Электрлік тізбекті басылымды тізбек тақтасында (PCB) жасағанда цифрлық шешімді қолдану әдетте оңайырақ, өйткені өңдеу блоктері жылдар бойы жоғары деңгейде оңтайландырылған. Аналогтық компоненттерді пайдаланып бірдей тізбекті жасау дискретті компоненттерді қолданғанда көбірек орын алады. Екі балама – FPAA және ASIC, бірақ олар аз мөлшерде қымбат.