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

Relevanta dokument
DIGITALA FILTER DIGITALA FILTER. Tillämpad Fysik Och Elektronik 1

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

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

Spektrala Transformer

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

Laplace, Fourier och resten varför alla dessa transformer?

Laboration i tidsdiskreta system

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

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

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

Föreläsning 10, Egenskaper hos tidsdiskreta system

RÄKNEEXEMPEL FÖRELÄSNINGAR Signaler&System del 2

Laplace, Fourier och resten varför alla dessa transformer?

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

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

DT1120/DT1130 Spektrala transformer Tentamen

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

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

DT1130 Spektrala transformer Tentamen

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

Elektronik 2018 EITA35

GRUNDKURS I SIGNALBEHANDLING (454300), 5sp Tentamen

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

Tentamen ssy080 Transformer, Signaler och System, D3

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

Innehåll. Innehåll. sida i

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

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

2F1120 Spektrala transformer för Media Tentamen

Digital Signalbehandling i Audio/Video

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

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

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

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

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

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

Signal- och bildbehandling TSBB03

Syntes av digitala filter

Miniräknare, formelsamling i signalbehandling.

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

Implementering av digitala filter

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

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

Spektrala Transformer

Signal- och bildbehandling TSBB03

Signal- och bildbehandling TSBB14

Spektrala Transformer

TSRT91 Reglerteknik: Föreläsning 5

Tentamen i Signaler och kommunikation, ETT080

TSDT08 Signaler och System I Extra uppgifter

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

1. Rita följande tidssekvenser. 2. Givet tidssekvensen x n i nedanstående figur. Rita följande tidssekvenser.

Digital signalbehandling Digitalt Ljud

Kompletterande räkneuppgifter i Spektrala Transformer Komplex analys, sampling, kvantisering, serier och filter Laura Enflo & Giampiero Salvi

Tentamen ssy080 Transformer, Signaler och System, D3

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

REGLERTEKNIK Laboration 5

Reglerteknik. Kurskod: IE1304. Datum: 12/ Tid: Examinator: Leif Lindbäck ( )

Projekt 1 (P1) Problembeskrivning och uppdragsspecifikation

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

DT1120 Spektrala transformer för Media Tentamen

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

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

LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA Inst. for Elektro- och Informationsteknik. SIGNALBEHANDLING I MULTIMEDIA, ETI265 Inlämningsuppgift 1 (av 2), Task 1 (out of 2)

Laborationsprojekt i digital ljudsyntes

TSDT15 Signaler och System

Signal- och bildbehandling TSBB14

LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA Institutionen för Elektro- och Informationsteknik

Faltningsreverb i realtidsimplementering

Kan vi beskriva ett system utan någon fysikalisk kännedom om systemet?

Signal- och bildbehandling TSEA70

Frekvensplanet och Bode-diagram. Frekvensanalys

Hambley avsnitt

Signal- och bildbehandling TSBB14

Signal- och bildbehandling TSEA70

2 Ortogonala signaler. Fourierserier. Enkla filter.

Bildbehandling i frekvensdomänen

Hambley avsnitt

Signal- och bildbehandling TSBB03

Reglerteknik AK. Tentamen 24 oktober 2016 kl 8-13

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

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

Kryssproblem (redovisningsuppgifter).

Tillämpad Fysik Och Elektronik 1

Signal- och bildbehandling TSBB03, TSBB14

Lab lanserade R.A. Moog Inc. en ny synt: Minimoog. Den var designad av Bill Hemsath och Robert Moog och kom att revolutionera musikhistorien.

TSKS06 Linjära system för kommunikation Lab2 : Aktivt filter

Signal- och bildbehandling TSBB14

ERE 102 Reglerteknik D Tentamen

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 1 den 21 oktober 2008 klockan 8:00 13:00

5 OP-förstärkare och filter

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

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

Tentamen i Styr- och Reglerteknik, för U3 och EI2

LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA Inst. för Elektro- och Informationsteknik

Tillämpad digital signalbehandling Laboration 1 Signalbehandling i Matlab och LabVIEW

Lösningar till Övningsuppgifter

REGLERTEKNIK Laboration 4

Laboration ( ELEKTRO

Transkript:

DIGITALA FILTER TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 1 Frekvensfunktioner x(n)= Asin(Ωn) y(n) H(z) TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 2 FREKVENSSVAR FÖR ETT TIDSDISKRET SYSTEM Impulssvaret h[n] är givet som TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 3 Tillämpad Fysik Och Elektronik 1

1.5 1 0.5 -π 1 0 π Ω Låga frekvenser dämpas. Högpass-filter! 0-1 -π 0 π Ω TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 4 STABILITETSREGEL I TIDSDISKRETA FALLET Ett LTI system H(z)=B(z)/A(z) är stabilt om systemets poler, dvs nollställen till polynomet A(z), ligger inom j enhetscirkeln i komplexa planet Stabilt -1 +1 -j TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 5 KOMPLEXA POLER Poler utanför reella axeln är alltid komplexkonjugerade j x -1 +1 -j x TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 6 Tillämpad Fysik Och Elektronik 2

POLERNAS BELOPP OCH ARGUMENT zp = Re jω0 j Ω0 ger resonsvinkelfrekvens R resonansens styrka R x Ω0-1 +1 -j x TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 7 abs(h) Ω0 π/2 π ω TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 8 NOLLSTÄLLENS BELOPP OCH ARGUMENT z0 = Re jω0 j Ω0 ger resonsvinkelfrekvens R resonansens styrka R o Ω0-1 +1 -j o I praktiken läggs nollställen oftast innanför enhetscirkeln TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 9 Tillämpad Fysik Och Elektronik 3

abs(h) Ω0 π/2 π ω TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 10 DIGITALA FILTER Digitala filter förekommer t.ex.: I Photoshop och andra PC-programvaror som filtrerar. I apparater med signalprocessorer, t.ex. mobiltelefoner, bärbara CD-spelare m.m. TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 11 DIGITALA FILTER Man kan filtrera för att nå ett flertal olika ändamål. För ljud kan man tänka sig: Eko Vibrato Körsimulering Lågpassfiltrering Distordering Transformering (växla frekvens) TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 12 Tillämpad Fysik Och Elektronik 4

DIGITALA FILTER Det finns två olika typer av linjära digitala filter FIR - icke rekursivt filter, FIR = Finite Impulse Response IIR - rekursivt filter, IIR = Infinite Impulse Response TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 13 FIR - FILTER Ett FIR-filter med N st tappar har matematiska uttrycket Överföringsfunktionen blir: TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 14 FIR - filter Ett FIR-filter med tre tappar: x[n] h[0] S y[n] Z -1 Z -1 Z -1 h[1] h[2] h[3] S S S TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 15 Tillämpad Fysik Och Elektronik 5

FIR - FILTER Ett FIR-filter har ändlig impulsrespons. Om man skickar in en enhetspuls, blir utsignalen noll efter N antal klockcykler. De är på grund av detta stabila. De är faslinjära. Alla frekvenskomponenter har samma tidsfördröjning. TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 16 EXEMPEL. MEDELVÄRDESFILTER (FIR) Utsignalen från filtret skall vara medelvärdet av de tre senaste insignalerna Överföringsfunktionen: TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 17 Impulssvar: Utsignalen blir noll efter ett ändligt antal steg ( = 3) TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 18 Tillämpad Fysik Och Elektronik 6

Stegsvar: TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 19 Frekvensegenskaper: LP-filter! (i detta exempel) TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 20 IIR-FILTER Ett IIR-filter har ett matematiskt uttryck: Filtrets överföringsfunktion med tre tappar TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 21 Tillämpad Fysik Och Elektronik 7

IIR-FILTER x[n] b[0] S y[n] Z -1 b[1] S a[1] Z -1 Z -1 b[2] S a[2] Z -1 Z -1 b[3] S a[3] Z -1 TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 22 IIR-FILTER Avsevärt mer effektiva om man ser på beräkningstider för filtret Stabiliteten kan vara sämre än för FIR De är inte faslinjära som FIR-filter IIR har poler. Dessa avgör stabiliteten. TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 23 EXEMPEL IIR-FILTER Vi gör en negativ återkoppling av halva föregående utsignal. Överföringsfunktion TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 24 Tillämpad Fysik Och Elektronik 8

Impulssvar: Utsignalen avtar (filtret är stabilt). Utsignalen når dock exakt noll först efter ett oändligt antal steg. TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 25 Stegsvar: TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 26 Frekvenssvarssvar: HP-filter! (i detta exempel) TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 27 Tillämpad Fysik Och Elektronik 9

EXEMPEL FIR-FILTER Vi skall dimensionera ett FIR-filter av lågpasstyp med passband upp till 900 Hz och spärrband från 1100 Hz. Filtret finns i ett system med samplingsfrekvens 8 khz. Frekvenser över 1100 Hz ska dämpas minst 40 db -4000 0 4000 900 1100 Tillämpad Fysik och Elektronik, Umeå Universitet28 DESIGN AV LÅGPASSFILTER TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 29 DESIGN AV LÅGPASSFILTER Rita figuren med normerade frekvenser (fs=2 π) Transitionsvidden ω= π*200/4000= π/20 Corner frequency ω c = π*1000/4000= π/4 - π 0 π π*900/4000 π*1100/4000 Rad/s TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 30 Tillämpad Fysik Och Elektronik 10

IDEALT FILTER Ansätt ett idealt filter med gräns-frekvens π/4 enligt formeln TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 31 EGENSKAPER HOS DET IDEALA FILTRET Belopps och faskaraktär H H - π 0 π π*1/4 Streckade linjen = fasvinkeln för H = -α ω Rad/s TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 32 STEG 3. BERÄKNA IMPULSSVARET För att få impulssvaret inverstransformerar vi överföringsfunktionen TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 33 Tillämpad Fysik Och Elektronik 11

I VÅRT FALL FÅR VI: TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 34 VI PLOTTAR IMPULSSVARET α=0 (rött, vänster ) och α=25 (svart, höger) med hjälp av alfa fördröjs impulssvaret Impulssvaret är ICKE-KAUSALT! 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0-0.05-0.1-80 -60-40 -20 0 20 40 60 80 TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 35 IMPULSSVARET GÖRS DISKRET Här har vi alfa=18 och vi avläser impulssvaret varje sekund mellan 0 och 36 sekunder 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0-0.05-0.1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 36 Tillämpad Fysik Och Elektronik 12

BRA MEN INTE PERFEKT 1.4 Vi kollar resultatet genom att göra en diskret fouriertransform av resultatet. Vi får då överföringsfunktionen 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 37 VI ÖKAR GRADTALET 1.4 Med alfa=60 och impuls-svaret i 120 punkter får vi följande överföringsfunktion fortfarande rippel 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 38 LÄGG ETT FÖNSTER ÖVER IMPULSSVARET Om man multiplicerar impulssvaret med ett fönster - exempelvis ett hammingfönster kan man reducera ripplet Hammingfönstret beskrivs av funktionen TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 39 Tillämpad Fysik Och Elektronik 13

FÖNSTERFUNKTIONER Det finns ett antal standardfönster - Hamming, Hanning, Blackman, Bartlett, Kaiser, Hann e.t.c Så här ser ett Hammingfönster av gradtal 128 ut 0.9 1 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 20 40 60 80 100 120 140 TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 40 IMPULSSVAR - MED OCH UTAN HAMMINGFÖNSTER Här har vi alfa=18.vi avläser impulssvaret varje sekund mellan 0 och 36 sekunder rött=utan och heldragen=med fönster 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0-0.05-0.1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 41 ÖVERFÖRINGSFUNKTION - MED OCH UTAN HAMMINGFÖNSTER Vi beräknar och ritar överföringsfunk-tioner för ett filter med gradtal 37. Alfa = 18 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 42 Tillämpad Fysik Och Elektronik 14

ÖKAT GRADTAL GER BÄTTRE ÖVERFÖRINGSFUNKTION Vi testar gradtal 370 0.2 0.15 0.1 0.05-0.05 0-0.10 50 100 150 200 250 300 350 400 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 43 FILTERDESIGN I MATLAB (FDATOOL) I Matlab finns ett grafiskt användargränssnitt för design och analys av filter. Verktyget startas genom att skriva fdatool i Matlab. TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 44 EXEMPEL: DESIGN AV LÅGPASSFILTER I det grafiska användargränssnittet fdatool väljer man typen av filter, t ex lågpass-, högpass-, bandpass- eller bandstoppfilter. I detta fall väljs lågpassfilter. Därefter väljs designmetod (FIR eller IIR). I detta fall väljs FIR. TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 45 Tillämpad Fysik Och Elektronik 15

EXEMPEL: DESIGN AV LÅGPASSFILTER Därefter väljs filtrets ordning. Man kan välja att låta programmet finna det filter med lägst ordning som uppfyller de uppställda kriterierna. Därefter ges samplingsfrekvens, övre gräns för passbandet samt undre gräns för stoppbandet. TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 46 EXEMPEL: DESIGN AV LÅGPASSFILTER Därefter ges maximalt rippel i passbandet samt dämpningen i stopbandet. 0 Mag (db) f (Hz) TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 47 EXEMPEL: DESIGN AV LÅGPASSFILTER När all nödvändig information om filtret är given kan filtret designas. Filtret kan analyseras i det grafiska användargränssnittet. Bland annat kan grafer över överföringsfunktionens belopp och fas göras. Filterkoefficienterna kan även exporteras till Matlab. TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 48 Tillämpad Fysik Och Elektronik 16

LJUDXEMPEL: DESIGN AV ETT BANDSTOPPFILTER Antag att vi har samplat ett ljud med samplingsfrekvensen 44.1 khz. Ljudet har en störning vid 100 Hz. Vi vill filtrera bort denna störning med hjälp av ett digitalt bandstoppfilter. Vi designar ett FIR-filter med hjälp av verktyget fdatool i Matlab. TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 49 LJUDEXEMPEL (FORTS.) Ljud utan störning: TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 50 LJUDEXEMPEL (FORTS.) Ljud med störning: TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 51 Tillämpad Fysik Och Elektronik 17

LJUDEXEMPEL (FORTS.) Vi designar ett bandstoppfilter med följande parametrar: Mag (db) 0 1 db 1 db 40 db 50 100 150 f (Hz) TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 52 LJUDEXEMPEL (FORTS.) Resultatet blir ett filter av ordningen 1316 och överföringsfunktion TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 53 LJUDEXEMPEL (FORTS.) Filtrerat ljud: TILLÄMPAD FYSIK OCH ELEKTRONIK, UMEÅ UNIVERSITET 54 Tillämpad Fysik Och Elektronik 18