Skip to content
ЦОС · Тема 4 · Цифрови филтри

Честотна характеристика и видове филтри

Пускаме свирката, която минава през всички честоти от ниско до високо, през филтър – и колко силно излиза във всеки момент, това е честотната характеристика. После режем думата „Здравей“ на ниски, средни и високи честоти и слушаме какво остава.

≈ 5 мин четене∿ 4 живи уредаСамопроверка: 4 въпроса

Честотна характеристика (АЧХ) ​

В тема 3 описахме филтъра с това, какво прави с едно пляскане. Друг, често по-полезен въпрос е: колко пропуска от всяка честота? Отговорът е амплитудно-честотната характеристика – АЧХ.

Най-лесно се вижда със свирката: тя минава през всички честоти от 100 до 7900 Hz една след друга. Колкото по-силно излиза в даден момент, толкова повече филтърът пропуска от честотата, която звучи точно тогава. Обвивката на изхода е АЧХ.

Свирката рисува АЧХ
ПНД – полюсно-нулева диаграма
−1−0,50,51−1−0,50,51Re zIm z2
✓ Устойчива – всички полюси са вътре в кръга (max |p| = 0,9)

Хвани × или ○ и го премести. Посочиш ли честота в АЧХ, тя светва като точка по окръжността.

АЧХ (1 на оста = fs/2 = 8000 Hz)
00,20,40,60,8100,51Ω/π (1 = fd/2)|H| (норм.)
АЧХ
Входът: звукът, както е записан
020040060080010001200−101t – време, msx
входът x(n)
Изходът: звукът през филтъра
0200400600800100012000t – време, msy
изходът y(n)
Фигура 1.

Изходът е най-силен в началото (ниските честоти) и заглъхва към края – точно като АЧХ отгоре. Влачи полюсите и нулата и пусни пак: обвивката на изхода повтаря новата АЧХ.

От z към честота: единичната окръжност ​

Откъде идва АЧХ? Честотата е точка по единичната окръжност на картата с полюсите и нулите. Ω = 0 (постоянен ток) е вдясно, z = 1; fs/2 (тук 8000 Hz) е вляво, z = −1. Докато свирката се качва, точката обикаля горната половина на кръга.

Правилото за четене: близо до полюс × АЧХ има връх; близо до нула ○ – пропада. Нула точно върху окръжността изтрива тази честота напълно.

Какво да забележиш: посочи честота в АЧХ на фигура 1 – тя светва като точка по окръжността. Премести нулата от z = −1 нагоре по кръга: там свирката внезапно замлъква – това е режекторен филтър.

Видове филтри: НЧФ, ВЧФ, ЛФ, РФ ​

Филтърът е система, чиято АЧХ е ≈ 1 там, където искаме да пропуска, и ≈ 0 там, където искаме да спира. Според това къде е „1“ има четири вида. Тук филтърът пропуска всичко под 1000 Hz; границите са 1000 Hz и 3000 Hz.

Думата през четирите вида филтри
ЛАЧХ на филтъра (1 = 8000 Hz)
00,20,40,60,81−60−40−200Ω/π (1 = fd/2)|H|, dB
ЛАЧХ
Входът: звукът, както е записан
020040060080010001200−101t – време, msx
входът x(n)
Изходът: звукът филтрирана
020040060080010001200−101t – време, msy
изходът y(n)
Спектрограма на филтрираната дума
Фигура 2.

НЧФ до 1000 Hz: думата е глуха, като през стена. ВЧФ над 3000 Hz: остават само съскащите „с“ и „з“. Сложи ЛФ с граници 300 и 3400 Hz: телефонен глас. Сравни спектрограмата с тази на входа (смени звука на свирка – ще видиш точно къде е лентата).

ЛАЧХ и затихване в децибели ​

АЧХ често се рисува в децибели – ЛАЧХ (логаритмична АЧХ): 0 dB = минава без промяна, −20 dB = 10 пъти по-слабо, −40 dB = 100 пъти. Обратното число се казва затихване: колко dB губи сигналът. В dB се виждат и слабите остатъци – на фигура 2 лентата на задържане е около −50…−70 dB.

Фаза и групово закъснение (ФЧХ, ГВЗ) ​

Филтърът не само отслабва честотите – той ги и забавя. С колко се отмества всяка честота, казва фазово-честотната характеристика (ФЧХ), а с колко отчета закъснява – груповото време на закъснение (ГВЗ).

Ако всички честоти закъсняват еднакво, формата на сигнала се запазва – само идва по-късно. Това е линейна ФЧХ и я има КИХ филтърът със симетрични коефициенти. БИХ филтърът (Бътъруърт) забавя честотите около срязването повече от другите – пляскането се „размазва“.

Бътъруърт срещу КИХ: пляскането
ред N = 6
fc = 1000 Hz
ЛАЧХ – логаритмична АЧХ
00,20,40,60,81−500Ω/π (1 = fd/2)|H|, dB
ЛАЧХ
ФЧХ – фазово-честотна характеристика
00,20,40,60,81−3−2−10Ω/π (1 = fd/2)θ/π
ФЧХ θ/π
ГВЗ – групово време на закъснение
00,20,40,60,81051015Ω/π (1 = fd/2)tgd, отчета
ГВЗ
ПНД – полюсно-нулева диаграма
−1−0,50,51−1−0,50,51Re zIm z
✓ Устойчива – всички полюси са вътре в кръга (max |p| = 0,905)
Входът: звукът, както е записан
020040060080010001200−101t – време, msx
входът x(n)
Изходът: звукът след филтъра
020040060080010001200−101t – време, msy
изходът y(n)
Фигура 3.

Един НЧФ в четири изгледа и пляскането през него. При Бътъруърт ГВЗ има гърбица около fc: изходът звъни несиметрично. Смени на КИХ: ФЧХ става права, ГВЗ – хоризонтална линия ((N − 1)/2 отчета), а изходът е симетрично, само закъснял пляскане. Приближи, за да видиш закъснението.

Идеален и реален филтър: габарит ​

Идеалният НЧФ (АЧХ = 1 до fc и 0 след това) има безкрайна импулсна характеристика, която започва преди импулса – не може да се направи. Затова изискването се задава с габарит – „коридори“ с допуски:

ПараметърЗначение
ωp, ωsкрай на лентата на пропускане (ЛП) и начало на лентата на задържане (ЛЗ); между тях – преходната област
δp, δsпозволените отклонения в ЛП и в ЛЗ
a_max, a_minсъщото в dB: максимално затихване в ЛП, минимално в ЛЗ
Влез в габарита
ред N = 4
fc = 1000 Hz
Габарит на НЧФ – линейно
00,20,40,60,8100,51Ω/π (1 = fd/2)|H| (норм.)
АЧХ
✗ Кривата излиза от коридорите – не е в габарита
Същият габарит в dB
00,20,40,60,81−500Ω/π (1 = fd/2)|H|, dB
ЛАЧХ
✗ Кривата излиза от коридорите – не е в габарита
Фигура 4.

fs = 8 kHz, ЛП до 0,2π (800 Hz) с δp = 0,1, ЛЗ от 0,4π (1600 Hz) с δs = 0,01 (40 dB). Намери най-ниския ред на Бътъруърт, с който кривата минава през зелените коридори (ред 4 не стига). После пробвай КИХ – колко коефициента трябват за същото?

КИХ срещу БИХ ​

КИХ (нерекурсивни)БИХ (рекурсивни)
➕линейна ФЧХ; винаги устойчиви; закръглянето не им пречистръмни при нисък ред; получават се от аналогови (Бътъруърт, Чебишев, Кауер)
➖много по-висок ред → повече сметкинелинейна ФЧХ; могат да са неустойчиви; чувствителни към закръгляне

Пример: тесен ЛФ (fs = 2 kHz, лента 475–525 Hz) иска КИХ от ред 78 или БИХ от ред 7.

Аналогови срещу цифрови: цифровите са точни, повторяеми и лесно се сменят (само числа), могат да имат линейна фаза; но работят само до fs/2 и искат АЦП и ЦАП. Аналоговите са нужни за много високите честоти и като пред/пост-филтри.

Самопроверка ​

1. fs = 8 kHz. На каква честота в Hz отговаря Ω = π/4?

f = Ω·fs/2π = 1 kHz.

2. КИХ с 31 симетрични коефициента – какво е закъснението?

(31 − 1)/2 = 15 отчета за всички честоти.

3. Къде на единичната окръжност е fs/2? Какво прави нула там?

В z = −1. Нула там изтрива най-високата честота – типично за НЧФ.

4. Кой е минималният ред на Бътъруърт за габарита от фигура 4?

Ред 7 при fc ≈ 900 Hz. При ред 6 няма fc, с която да влезе.