Digitala filter. FIR Finit Impulse Response. Digitala filter. Digitala filter. Digitala filter

Relevanta dokument
DIGITALA FILTER. Tillämpad Fysik Och Elektronik 1. Frekvensfunktioner FREKVENSSVAR FÖR ETT TIDSDISKRET SYSTEM. x(n)= Asin(Ωn)

DIGITALA FILTER DIGITALA FILTER. Tillämpad Fysik Och Elektronik 1

TIDSDISKRETA SYSTEM SYSTEMEGENSKAPER. Minne Kausalitet Tidsinvarians. Linjäritet Inverterbarhet Stabilitet. System. Tillämpad Fysik och Elektronik 1

FÖRELÄSNING 13: Analoga o p. 1 Digitala filter. Kausalitet. Stabilitet. Ex) på användning av analoga p. 2 filter = tidskontinuerliga filter

Exempelsamling Grundläggande systemmodeller. Klas Nordberg Computer Vision Laboratory Department of Electrical Engineering Linköping University

Laboration i tidsdiskreta system

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

Laplace, Fourier och resten varför alla dessa transformer?

Vad gör vi när vi bara har en mätserie och ingen elegant matematisk funktion? Spektrum av en samplad signal. Trunkering i tiden

Resttentamen i Signaler och System Måndagen den 11.januari 2010, kl 14-19

Exempelsamling Grundläggande systemmodeller. Klas Nordberg Computer Vision Laboratory Department of Electrical Engineering Linköping University

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

Flerdimensionella signaler och system

Spektrala Transformer

Laplace, Fourier och resten varför alla dessa transformer?

Övningar med Digitala Filter med exempel på konstruktion och analys i MatLab

Innehåll. Innehåll. sida i

Övningsuppgifter. Digital Signal Processing. Övningar med svar och lösningar. Mikael Swartling Nedelko Grbic Bengt Mandersson. rev.

Signal- och bildbehandling TSEA70

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

GRUNDKURS I SIGNALBEHANDLING (454300), 5sp Tentamen

Tentamen i TMA 982 Linjära System och Transformer VV-salar, 27 aug 2013, kl

Introduktion Digitala filter. Filter. Staffan Grundberg. 12 maj 2016

RÄKNEEXEMPEL FÖRELÄSNINGAR Signaler&System del 2

Projekt 1 (P1) Problembeskrivning och uppdragsspecifikation

Elektronik 2018 EITA35

Syntes av digitala filter

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

Signal- och bildbehandling TSEA70

Tentamen ssy080 Transformer, Signaler och System, D3

Signal- och bildbehandling TSBB03

Digital Signalbehandling i Audio/Video

1. Vi har givet två impulssvar enligt nedan (pilen under sekvenserna indikerar den position där n=0) h 1 (n) = [ ]

TSDT15 Signaler och System

System. Z-transformen. Staffan Grundberg. 8 februari 2016

i(t) C i(t) = dq(t) dt = C dy(t) dt y(t) + (4)

TSBB16 Datorövning A Samplade signaler Faltning

Signal- och bildbehandling TSBB14

Projekt 2 (P2) Problembeskrivning och uppdragsspecifikation

Föreläsning 6: Spektralskattning: icke parametriska metoder. Leif Sörnmo 4 oktober 2009

Passiva filter. Laboration i Elektronik E151. Tillämpad fysik och elektronik UMEÅ UNIVERSITET Ulf Holmgren. Ej godkänd. Godkänd

Laboration 1: Aktiva Filter ( tid: ca 4 tim)

Signal- och bildbehandling TSBB14

DT1120/DT1130 Spektrala transformer Tentamen

Vad gör vi när vi bara har en mätserie och ingen elegant matematisk funktion?

TSKS21 Signaler, Information och Bilder Lab 2: Digitalisering

Filter. Mätteknik. Ville Jalkanen, TFE, UmU. 1

2F1120 Spektrala transformer för Media Tentamen

Tentamen i ESS 010 Signaler och System E3 V-sektionen, 16 augusti 2005, kl

Miniräknare, formelsamling i signalbehandling.

Impulssvaret Betecknas h(t) respektive h(n). Impulssvaret beskriver hur ett system reagerar

TSDT08 Signaler och System I Extra uppgifter

TSDT18/84 SigSys Kap 4 Laplacetransformanalys av tidskontinuerliga system. De flesta begränsade insignaler ger upphov till begränsade utsignaler

Lösningar till Övningsuppgifter

Signal- och bildbehandling TSBB14

Signal- och bildbehandling TSEA70

Laboration 3 Sampling, samplingsteoremet och frekvensanalys

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Sammanfattning av föreläsningarna 15-18, 30/11-12/

Ämnesområde Hörselvetenskap A Kurs Signalteori, 7,5 hp Kurskod: HÖ1007 Tentamenstillfälle

Ulrik Söderström 20 Jan Signaler & Signalanalys

( ), så kan du lika gärna skriva H ( ω )! ( ) eftersom boken går igenom laplacetransformen före

Optimal Signalbehandling Datorövning 1 och 2

Faltningsreverb i realtidsimplementering

Tentamen i Signaler och kommunikation, ETT080

TSKS06 Linjära system för kommunikation Lab2 : Aktivt filter

Frekvensplanet och Bode-diagram. Frekvensanalys

AKTIVA FILTER. Laboration E42 ELEKTRO. UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Sverker Johansson Rev 1.0.

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet G33(1) TER4(63)

FÖRELÄSNING 13: Tidsdiskreta system. Kausalitet. Stabilitet. Egenskaper hos ett linjärt, tidsinvariant system (LTI)

Föreläsning 10, Egenskaper hos tidsdiskreta system

Mätningar med avancerade metoder

Föreläsning 6. Kapitel 4. Fouriertransform av analog signal, FT Fouriertransform av digital signal, DTFT fortsättning

Spektrala Transformer

Bildbehandling i frekvensdomänen. Erik Vidholm

Signal- och bildbehandling TSBB03

Ulrik Söderström 19 Jan Signalanalys

Signal- och bildbehandling TSBB14

Tillämpad digital signalbehandling Laboration 1 Signalbehandling i Matlab och LabVIEW

DigSig AV. Repetition. Leif Sörnmo 10 maj 2007

Föreläsning 1: Inledning till Digital signalbehandling i audio & video. Leif Sörnmo 11 mars 2009

Hemuppgift för E2 SF1635, HT 2007

Signal- och Bildbehandling, TSBB14. Laboration 2: Sampling och rekonstruktion. DFT.

Laboration i Fourieranalys för F2, TM2, Kf2 2011/12 Signalanalys med snabb Fouriertransform (FFT)

Tentamen ssy080 Transformer, Signaler och System, D3

Tentamen i Reglerteknik. 7,5 hp varav tentamen ger 4,5 hp

] så att utflödet v( t) Vattennivån i tanken betecknas h(t) [m]. Nivån h är tankprocessens utsignal. u h Figur: Vattentank

Kompletterande material till föreläsning 5 TSDT08 Signaler och System I. Erik G. Larsson LiU/ISY/Kommunikationssystem

Adaptiva Filter. Johan Haarala Signaler och System

5 OP-förstärkare och filter

Laboration - Va xelstro mskretsar

Bildbehandling i frekvensdomänen

Signal- och Bildbehandling, TSBB14. Laboration 2: Sampling och Tidsdiskreta signaler

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 4

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings universitet KÅRA T1 T2 U2 U4

Elektro och Informationsteknik LTH Laboration 4 Tidsplan, frekvensplan och impedanser

REGLERTEKNIK Laboration 4

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 4

Hambley avsnitt

SYSTEM. Tillämpad Fysik Och Elektronik 1 SYSTEMEGENSKAPER. Minne Kausalitet Tidsinvarians. Linjäritet Inverterbarhet Stabilitet. System.

Digital signalbehandling Digitalt Ljud

Transkript:

Digitala filter Digitala filter FIR Finit Impulse Response Digitala filter förekommer t.ex.: I Matlab, Photoshop oh andra PCprogramvaror som filtrerar. I apparater med signalproessorer, t.ex. mobiltelefoner, bärbara CD-spelare m.m. 2 Digitala filter Man kan filtrera för att nå ett flertal olika ändamål som brusdämpning, selektering av mätdata,... Lågpassfiltrering, bandpassfiltrering, bandspärr.. För ljud kan man tänka sig: Eko, vibrato, körsimulering, distordering Transformering (växla frekvens) Digitala filter Det finns två olika typer av digitala filter FIR - ike rekursivt filter, FIR Finite Impulse Response IIR - rekursivt filter, IIR Infinite Impulse Response 3 4

FIR - filter FIR-filter Ett kausalt FIR-filter, H, med N tappar har med insignalen x[ oh utsignalen y[ y h * x (faltning) x[ ] Σ y[ y[ N k k] x[ n k] Överföringsfunktionen H(z) skrivs : Z - Z - ] 2] Σ Σ Ett FIR-filter med tre tappar H ( z) N k k] z k Z - 3] Σ 5 6 FIR - filter FIR filter med invers Fouriertransform Ett FIR-filter har ändlig respons. Om man skikar in en enhetspuls, blir utsignalen noll efter N antal klokykler. Jämför gärna med blokshemat eller den matematiska formeln. De är (på grund av detta) stabila. De kan även göras faslinjära så att fasvridningen blir prop. mot frekvensen ω 7 EXEMPEL Vi vill dimensionera ett FIR-filter av lågpasstyp med passband upp till 9 Hz oh spärrband från Hz. Filtret finns i ett system med samplingsfrekvens 8 khz. Frekvenser över Hz ska dämpas minst 4 db -4 4 Hz 9 8

Steg - normerade frekvenser Rita figuren med normerade frekvenser fs 8 Hz motsvarar Ω 2 π Transitionsvidden ΔΩ π*2/4 π/2 Corner frequeny Ω π*/4 π/4 Steg 2 - Idealt filter Ansätt ett idealt filter HH önskat med gränsfrekvens, Ω pi/4 (motsvarar Hz) enligt följande: H ( Ω) Ω < Ω Ω Ω - π π π*/4 π*9/4 9 Idealt filter Steg 3 beräkna impulssvaret Det ideala filtret får då följande beloppskurva - π H π Ω π/4 Ω För att få det önskade impulssvaret inverstransformerar vi överföringsfunktionen. Anm. Frekvensen Ω från π till + π gäller här. 2π 2π π π Ω Ω H ( Ω) e e jnω jnω dω dω 2

I vårt fall med Ω π/4 får vi:.. euler.. sin(n Ω πn Ω Ω sin( n) π π 4 Ω sin( Ω n) ) π Ω n sin( n ) 4 Några kladdiga fotnotantekningar från föregående sida: Sin (x) sin (pi*x) / (pi*x) Om abs ( H) för omega < omega < omega2 oh f.ö. abs ( H) Före fördröjning: (/(2pi)) Integral { exp (j omega n)} domega +Integral { exp ( j omega n)} domega Med gränser för omega: omega2 till - omega resp. omega till omega2 Som blir. (omega2/pi) sin ( (omega2 n)/ pi ) - (omega/pi) sin ( (omega n)/ pi ) Beräkning med sin( ) Fotnotantekningar finns på nästa sida. 3 4 Vi plottar impulssvaret Impulssvaret utan- oh med en fördröjning n_d (ingen fördröjning, rött, vänster ) oh n_d 25 (fördröjt 25 steg, svart, höger) Impulssvaret är ICKE-KAUSALT 5.5..5 Impulssvaret är diskret Här är fördr. n_d8 oh vi har impulssvaret med 37 sampel; L37. Impulssvaret trunkeras utanför dessa 37 sampel -> Blir kausalt. 5.5..5 -.5 -.5 -. -8-6 -4-2 2 4 6 8 t (s) 5 -. 5 5 2 25 3 35 4 n 6

Bra men inte perfekt Vi ökar gradtalet gånger Vi kollar resultatet genom att göra en diskret fouriertransform av resultatet. Vi får då överföringsfunktionen, eg. H(Ω), alias frekvenssvaret.4.2.8.6.4-4 -3-2 - 2 3 4 Ω 7 Med n_d 6 oh impulssvaret i 2 punkter får vi följande överföringsfunktion fortfarande rippel.4.2.8.6.4-4 -3-2 - 2 3 4 Ω 8 Lägg ett fönster över impulssvaret Om man multiplierar impulssvaret med ett fönster - exempelvis ett hammingfönster kan man reduera ripplet Hammingfönstret beskrivs av funktionen 2 π n w[.54.46 os( ) N 9 Fönsterfunktioner Det finns ett antal standardfönster - Hamming, Hanning, Blakman, Bartlett, Kaiser, Hann e.t. Så här ser ett Hammingfönster av längd 28 ut.9.8.7.6.5.4.3. 2 4 6 8 2 4 n 2

Impulssvar - Med oh utan Hammingfönster Här har vi n_d 8. (L37 sampel) rött utan fönster heldragen med fönster. 5.5..5 -.5 -. 5 5 2 25 3 35 4 2 Överföringsfunktion - Med oh utan Hammingfönster Vi beräknar oh ritar överföringsfunktioner för ett filter med gradtal (längd) 37, n_d 8 (med fönster fås mindre skrovlighet ).4.2.8.6.4-4 -3-2 - 2 3 4 Ω 22 Ökat gradtal ger bättre överföringsfunktion Vilket fönster ska väljas? Vi testar med L 37.5..5 -.5 -. 5 5 2 25 3 35 4 H.2.8.6.4-4 -3-2 - w 2 3 4 Ω 23 Det är fönstertypen som bestämmer dämpningen i spärrbandet. Kolla tabell i bok (Oppenh: s. 47, Porat: s. 297) eller se här: rektangulärt 2 db Hamming 53 db Blakman 74 db 24

Hur väljs gradtalet? Det är fönstertypen oh transitionsvidden som bestämmer gradtalet [ Proakis s. 668, Oppenh: s. 47, Porat: s. 297]. I vårt fall har vi transitionsvidden pi/2 För ett Hammingfönster får vi då L 6 (vi vill ha ett udda gradtal). 8π π ; L L 2 6 25 Koden som vi använt (Matlab) Bilda h(n) av handräknade (integral)värden/uttryk. Här fall med impulssvar, h, utan fönster lear; h_length 2+; fs 8; Ts /fs; t :Ts: 5; n_d (h_length - )/2; % h_length är udda % handräkn ger: h(n) (Ω./pi).*sin((Ω./pi).*n); % Ω pi/4 % ike kausalt, trunkera, fördröj med nd steg som ger kausalitet. for n -n_d : : n_d h(n + n_d +) (Ω./pi).* sin ((Ω./pi).* n) end; 26 IMPULSSVARET h (här utan- oh med fönster) N length(h) stem([: N-], h, 'r.'); % impulssvar utan fönster xlabel('n') title('impulssvar h') % Fönstra, obs transponat:et ( )! Märk.* för elementvis hw h.* hamming(n)' ; % length(hw) length(h) stem([ : N-], hw, b. ); % impulssvar med fönster 27 ÖVERFÖRINGSFUNKTION H Frekvenssvaret H(f) Bilda H av h med FFT i det fönstrade fallet N length(hw) df /(N*Ts) % frekvensupplösningen f linspae(-fs/2, fs/2 - df, N); % frekvens f i enheten Hz HW fft(hw); plot( f, fftshift( abs(hw)), 'r'); xlabel( Hz') ylabel(' H. Frequeny response') 28

Frekvenssvaret Bodediagram då impulssvaret är h Matlabfunktion: freqz( ) % Enhet på frekvensen (x-axeln) är Hz % Samplingsfrekvens: fs Hz % FIR: H B/A där A Jämför N : H ( z) k] z k k freqz( h,, length(h), fs ); % numerator h, denum. 29 3 Bodediagram { freqz( ) } Skatta H med vitt brus Okänt system H x vitt brus? y mätdata Genom att sända in vitt brus i ett okänt system kan man skatta motsvarande H(f) (frekvenssvar) med korskorrelation. Korskorrelation, rxy, där impulssvaret är definieras: rxy[k] h * rx dvs impulssvaret faltat med rx; i k-planet. Linjär fas i passbandet 3 Rxy[θ ] H Rx dvs korsspektrum är frekv.svaret multplierat med spektraltätheten; i frekvensplanet. rxy oh Rxy beräknas, med vitt brus är så är rx oh Rx kända > Frekvenssvaret H(f) kan skattas { först uträknas H(θ) }. 32

EXEMPEL PÅ SKATTNING MED VITT BRUS MATLABKOD % Här 5 sek mättid med fs8 Hz % I normalfallet: % Data y uppmätta data, men här % h ett lågpass FIR-filter (som exiteras av det vita bruset) % LP-filtret har Ω +-pi/4, beräkningar.. Som givit: % h(n) 5.* sin (n./4); % före fördröjning fs 8; Ts /fs; t : Ts : 5; L 2+; n_d (L-)/2; for n -n_d : : n_d h(n+n_d+) 5.* sin(n./4); % fördröj med n_d steg end; (forts.) 33 Nb 7 % antal brusvärden % vitt gaussiskt brus, medel, std (stand dev), Nb värden in_brus normrnd (,,, Nb); % Chek mean(in_brus) var(in_brus) % utsignal insignal faltat med impulssvaret h ut onv (h, in_brus); % I normalfallet: ut uppmätta data tfestimate(in_brus, ut(: Nb), [ ],[ ],[ ], fs); % Plotta skattningen, Se figur: 34 Transfer Funtion Estimate via Welh data 4 Sammanfattning Filterkonstruktion (FIR) Magnitude (db) - -2-3 -4-5 -6-7 -8-9.5.5 2 2.5 3 3.5 4 Frequeny (khz) 35 Skissa önskat frekvenssvar, H ( i frekvensplanet) Genomför en IFFT ( ger impulssvaret ). Resultatet blir här ike-kausalt! Välj fönster oh beräkna gradtal med hänsyn till dämpning oh transitionsvidd. Fönstra begränsa rippel. Fördröj i tidsplanet med n d sampel som ger ett kausalt resultat. Förutsätter trunkering av svans oh nos på. Trunkering av nos p.g.a. symmetri/fasgång. Nu skall filtret vara kausalt oh realiserbart. 36