9.1 Základní vlastnosti IIR filtrù byly uvedeny v odst. 7.3. Je významné, že pøi jejich návrhu mùžeme vycházet z charakteristik vzorového analogového filtru požadovaných vlastností, jehož parametry transformujeme z analogové oblasti do digitální oblasti. Výhodnost takového postupu spoèívá v tom, že pro návrh analogových filtrù existuje øada velmi dobøe propracovaných postupù, jako napø. pro Butterworthovy, Èebyševovy, Cauerovy, Besselovy, eliptické ajiné analogové filtry. Postup návrhu IIR filtru mùžeme rozdìlit do ètyø krokù: 1. Formulace požadavkù na vzorový analogový filtr, obvykle na jeho frekvenèní charakteristiku nebo na impulzní odezvu. 2. Ze zadaných požadavkù navrhneme klasickou teorií pøenosovou funkci Ha (p) vzorového analogového filtru. 3. Pøenosovou funkci Ha (p) analogového filtru transformujeme podle použité metody návrhu zp-roviny do z-roviny na systémovou funkci H(z) digitálního filtru. Získaná funkce H(z) již specifikuje koeficienty ok a bk navrhovaného digitálního filtru. 4. Pro kontrolu mùžeme ze systémové funkce H(z) substitucí z = ejfjj stanovit odpovídající frekvenèní charakteristiku H(m) takto navrženého digitálruno filtru a porovnat ji s výchozími požadavky. Existuje nìkolik standardních metod návrhu IIR filtrù, které se liší zpùsobem transformace Ha(P) na H(z), pøi zachování stability filtru. V jednoduchých pøípadech lze rekurzivní filtr navrhnout intuitivnì na základì døíve uvedených poznatkù o vlivu pozice nul a pólù na frekvenèní charakteristiku -viz pøíklady v odst.6.4. Pøed uvedením standardních metod návrhu!ir filtrù si pøipomeneme základní vztahy pro pøenosovou funkci Ha (p) analogových filtrù: -112-
, 2. (9.1) nebo Ha(p)=!!.SJ!2=K (p-zt)(p-z2) (P-ZM) A(p) (p -Pt) (p -P2)"" (p -P) kde ak, bk jsou koeficienty pøíslušné diferenciální rovnice, Zl' Z2, PI, P2, P jsou póly pøenosové funkce Ha (p) V komplexní p-rovinì. Z M jsou nuly a Pro stabilitu analogového filtru je nutné, aby všechny póly Pk jeho pøenosové funkce Ha (p) ležely v levé polorovinì. Uvedeme ještì souvislost H(z) a Ha(P) ve spektrální oblasti. 1. Pro systémovou funkci H(z) platí: H(z) = Z[h(n)]. Pro z = ejiii jednotkové kružnici (r = 1 ) v komplexní z-rovinì bude: tj. pro body ležící na cožje frekvenèní charakteristika digitálního filtru. Pro pøenosovou funkci Ha(P) platí: Ha(P) = L[h(t)]. Pro P = io, tj. pro body ležící na imaginární ose io v p-rovinì bude: což je frekvenèní charakteristika analogového filtru, kde.q je úhlová frekvence v [rad/s] na rozdíl od {ij [rad]. Dále ještì frekvenèní charakteristika Ha (.Q) analogového filtru má aperiodický prùbìh (není periodická). Podle (9.3) a (9.4) se body z imaginární osy j.q v p-rovinì transformují (mapují) na jednotkovou kružnici (r = 1 ) v z-rovinì a obrácenì. Existuje tedy pøímá souvislost mezi frekvencemi v tìchto dvou rovinách (ovšem H(iii) je periodická, kdežto Ha(.Q) je aperiodická). 9.2 Metoda aproximace derivací diferencemi Již v odst. 5.5 byl uveden elementární pøíklad transformace analogového filtru (RC obvodu) na digitální strukturu s použitím aproximace derivace: -113 -
b) a) Derivaci na levé stranì si pøedstavíme jako výstup analogového systému s pøenosovou funkcí H~(P) podle obr. 9.1a). _~~r-~ ~~ ~L_~ ~ y(n)-y(n-1).--!j~~~~[~~-~=::::!:=.. Obr. 9.1 K aproximaci derivace diferencerni Pøenosová funkce H~(P) je dána pomìrem L-obrazu vstupu, tj. Ya(p), kl-obrazu výstupu, tj. pya(p), takže bude: H~(P) = p Tento analogový systém aproximujeme digitálním systémem se systémovou funkcí H'(z) podle obr. 9.1b). Systémová funkce H'(z) je dána pomìrem Z-obrazu vstupu, tj. Y(z), k Z- obrazu výstupu, tj.! T ~(z) -z-i Y(z)l takže bude: H'(z) = 1- z-i T Tato systémová funkce aproximuje pøenosovou funkci H~(p). Tedy z dané H~(P) pøejdeme na H'(z) substitucí p= I-z' T -1 Obecnì, bude-li zadána pøenosová funkce Ha (P) vzorového analogového filtru, která má tvar podle (9.1), potom systémová funkce H(z) odpovídajícího digitálního filtru bude: Z rovnice (9.9) dostaneme pro z: 1z=l-=-p"T (9.10) Tato rovnice vyjadøuje, jak se body p transformují z p-roviny do bodù z v z-rovinì (mapuje p- rovinu do z-roviny). -114-
~ --~ Zvolíme-li p = j.q, pak analýzou zjistíme, že imaginární osa j.q v p-rovinì se takto mapuje na kružnici o polomìru 0,5 se støedem v bodì z = 0,5 v z-rovinì a levá polorovina do plochy této kružnice -viz obr.9.2. j.qt joo ----- p-rovina ~,--- Imzt jednotková kružnice ~, z-rovina '.' ~ o O' I, 1 Rez J.Q ~ -JOO ;/,/ Obr. 9.2 Mapování osy j.q zp-roviny do z-roviny pøi aproximaci derivací diferencemi Z uvedeného vyplývá: -bude-li vzorový analogový filtr stabilní, bude stabilní i takto navržený digitální filtr (transformace zachovává stabilitu) frekvenèní charakteristika takto navrženého digitálního filtru bude odlišná, nebo pro její zachování by bylo tøeba, aby se osa io transformovala na jednotkovou kružnici. Pouze v malé oblasti v okolí bodu z = 1 (tj. v oblasti nízkých frekvencí m«7t/2) se budou body na malé kružnici pøibližovat bodùm na jednotkové kružnici, takže v této oblasti frekvencí se bude také H(m) digitálního filtru pøibližovat Ha (O) analogového filtru. To by mohlo vyhovìt návrhu filtrù typu DP, nikoliv PP nebo HP. 9.3 Metoda impulznì invariantní transformace Tato metoda zachovává hodnoty impulzní odezvy h(t) analogového filtru. Impulzní odezva h(n) navrženého digitálního filtru totiž vychází z jejích vzorkù h(n): h(n) = h(t)1 t=nt n=o,1,2, (9.11 ) kde T je vzorkovací interval. Tyto hodnoty h(n) ovšem nemùžeme pokládat za koeficienty digitálního filtru, nebo h(t) má teoreticky neomezenou délku. Postup návrhu bude následující. Ze zadaných požadavkù na filtr navrhneme nìkterou známou metodou pøenosovou funkci Ha (p) vzorového analogového filtru ve tvaru: _11,-
(9.12) kde Zk jsou nuly a Pk jsou póly vzorového analogového filtru v p-rovinì. Za pøedpokladu, že tato Ha (p) neobsahuje násobné póly, vyjádøíme Ha (p) rozkladem v parciální zlomky, který bude ve tvaru: AJ Ha(P) =-:~ Az++... p-pz (9.13) kde Ak jsou reálné nebo komplexní konstanty (podle povahy pólu Pk). Tím jsme vlastnì analogový filtr vyjádøili ve tvaru paralelní kombinace elementárních filtrù s jednoduchými (reálnými nebo komplexními) póly Pk -viz obr.9.3. Obr. 9.3 Rozklad Ha (p) na paralelní kombinaci elementárních filtrù Tuto Ha (p) budeme nyní transformovat do digitální oblasti na systémovou funkci H (z). Hledaný vztah pro H(z) odvodíme následovnì. Impulzní odezva hk (f) jednoho elementárního analogového filtru na obr. 9.3 je dána inverzní LT: a hk(t) = L-1 = Ak epkt hk(t)=o pro «o pro t~o (9.14) Výsledná impulzní odezva uvedené paralelní kombinace bude dána sumací odezev jednotlivých elementárních filtrù: h(t) = Lhk(t) = LAk epkt k=l k=l (9.15) -116-
1 Impulzní odezva odpovídajícího impulznì invariantního filtru pak bude dána podle (9.12) diskrétními hodnotami (vzorky) h(n): h(n) = LAk k=l epknt n~o (9.16) Její Z-transformací již získáme odpovídající systémovou funkci H(z) navrhovaného digitálního filtru: CX> 00 00 H(z) = L h(n) z-n = L LAk epknt z-n= LAk L(z-l epkt )n n=o n=o k=l k=l n=o (9.17) S použitím vzorce pro sumaci souètu neomezené geometrické øady dostaneme: H(z) = LAk k=l 1- z-i epkt =LAk k=l z z -epkt (9.18) Podle (9.18) bude systémová funkce digitálního filtru obsahovat jednoduchých (reálných nebo komplexních) pólù k = 1,2, (9.19) kde Pk jsou jednoduché póly vzorového analogového filtru. Dále bude obsahovat nul v poèátku. Ze znalosti Ha(P) ve tvaru podle (9.13) tedy mùžeme ihned vyjádøit vztah pro H(z) podle (9.18). Obdobnì jako na obr. 9.3 pøedstavuje také sumace (9.18) paralelní kombinaci elementárních digitálních filtrù se systémovými funkcemi: k=1,2, Bude-li H k (z) v sumaci (9.18) obsahovat komplexní pól zk = exp(pkt), pak ovšem musí tato sumace obsahovat také Hk(z) s komplexnì sdruženým pólem. Obì takové èásti mùžeme slouèit do jedné dílèí systémové funkce, obsahující dva komplexnì sdružené póly. Realizace výsledné H(z) mùže odpovídat paralelnímu tvaru dílèích H k (z) podle (9.18). ebo mùžeme vztah (9.18) upravit na sériový tvar (souèet zlomkù pøevedeme na spoleèného jmenovatele). Pøíklad 9.1 Pøenosová funkce vzorového analogového filtru je dána ve tvaru: Ha(P) = 0,2 + p (0,2+p)2 +16-117-
-j4t Zøejmì obsahuje nulu v bodì p = -0,2 a pár komplexnì sdružených pólù Pl,2 = -0,2 :t j 4. ejprve rozložíme Ha (p) na parciální zlomky: medanou H(z) získáme podle vztahu (9.18): 0,5 1 -z-i e-o,2t e Zøejmì obsahuje dva komplexnì sdružené póly ZI,2 = e-o,2t:tj4t.mùžeme tedy dva èleny H(z) upravit do jediného èlenu: v Podle vztahu (9.19) mùžeme vyjádøit souvislost mezi body v z-rovinì a body v p-rovinì: z = exp(pt). Zavedeme-li substituci z = r exp(jm) a p = O' + j,q" dostaneme: r = exp(at) a m =,Q,T. Z toho vyplývá, že pro O' < O bude O < r < 1, takže levá polorovina p-roviny se bude mapovat do plochy jednotkové kružnice v z-rovinì. Dále pro O' = O bude r = 1, takže imaginární osa j,q, se bude mapovat na jednotkovou kružnici. Tato metoda tedy zachovává stabilitu filtru a zaruèuje shodu impulzních odezev digitálního filtru a vzorového analogového filtru. A však souvislost mezi frekvenèními charakteristikami Ha(Q) a H(iiJ) nebude tak jednoznaèná. Spojité impulzní odezvì h(t) pøísluší pøenosová funkce Ha(.Q) = F[h(t)] -viz obr.9.4. o Ov Q Obr. 9.4 Impulzní odezva a frekvenèní charakteristik analogového filtru Potom vzorkované h(n) = h(nt) bude podle vzorkovacího teorému -viz odstavce 2.3 a 3.1 -pøíslušet periodické opakování Ha(Q) s periodou Qv = 2n/T (Ha(Q) je spektrum impulzní odezvy h(t)). Bude tedy analogicky ke vztahu (2.17) pro frekvenèní charakteristiku digitálního filtru platit: -llr-
00 H(ilJ) = H(.Q.T) = Fv LHa k=-oo (.Q. + k.qv) (9.20) Pak ovšem budou platit také poznatky z odst. 3.1 o pøekrývání (aliasing) sousedních prùbìhù Ha (O + k.o.v) -viz obr.9.5. Výsledná frekvenèní charakteristika bude dána souètem pøekrývajících se èástí, takže bude odlišná od Ha (O). Tento negativní vliv mùžeme zmenšit volbou menší hodnoty T, tj. hustìjším vzorkováním odezvy h(t). - H(ro ):H(OT) Ha(O-Ov)/ Ha(O-20v) ~~~/"--~~,,,/a ( o ) JI'. \: ~ \: ~,/"Y, '/,,~, " " '-. I I ---I-r-- o 1t 21t 31t ro=.gt Q o 1/2.o.v Oy Ov.Q Obr. 9.5 Vzorky impulzní odezvy h(n) a odpovídající frekvenèní charakteristika H(iJJ) 9.4 Metoda bilineární transformace Odvození transformaèního vztahu mezi komplexními promìnnými p a z vychází z diferenciální rovnice analogového filtru, kde se derivace neaproximuje diferencí jako v odst. 9.2, ale derivace se integruje a integrál se aproximuje podle trojúhelníkového pravidla. Po úpravì pak získáme transformaèní vztah ve tvaru: 2 (I-Z-l ) 2 z-i P=r ~=t =r;+i (9.21) nazývaný bilineámí transformace, kde T je èinitel úmìrnosti. Bude-li zadána pøenosová funkce Ha(P) vzorového analogového filtru, pak systémovou funkci H(z) odpovídajícího digitálního filtru získáme substitucí: H(z) = Ha(P) 2 z-i p=-- T z+1 (9.22) Abychom poznali vlastnosti bilineární transformace, zavedeme v rov. (9.21) substituci z = r exp(jm) a p = a + j.q. Z výsledku zjistíme, že pro a < O bude r < O a pro a = O bude r = 1, takže levá polorovina z p-roviny se bude mapovat do plochy jednotkové kružnice -119-
v z-rovinì a body z imaginární osy j.o. v p-rovinì se budou mapovat do bodù z = exp(jm) na jednotkové kružnici v z-rovinì. Stabilní analogový filtr se tak bude transformovat na stabilní digitální filtr. Uvedenou substitucí z = exp(j m) a p = j.o. (O" = O) do rov. (9.21) získáme vztah mezi body na ose j.o. v p-rovinì a body z = exp(jm) na jednotkové kružnici v z-rovinì, tj. mezi frekvencemi.o. a m : Bude tedy platit: "A 21-z-1 p = J~~ =-=-= 21-exp(-jiiJ) "2 J-tgiiJ T 1+z-1 T l+exp(-jiij) T 2 2 11>.Q =rtg2.ar nebo iij = 2 arctg. (9.23) 2 kde je.q v [rad/s] a iij v [rad]. Závislost mezi frekvencemi.qt a iij podle rov. (9.23) je graficky znázornìna na obr. 9.6. Obr. 9.6 Závislost mezi frekvencemi analogového a digitálního filtru pøi bilineární transformaci V oblasti nižších hodnot iij je závislost témìø lineární, ale se stoupající hodnotou iij se stává silnì nelineární. Dále celý frekvenèní interval O ~.Q ~ 00 analogového filtru se u digitálního filtru komprimuje na koneèný interval odpovídající pùlkružnici jednotkové kružnice v z- rovinì, tj. na interval O ~ iij ~ 7t. Potlaèení vlivu této nelinearity vyžaduje trochu pozmìnìný postup návrhu proti pøedchozím metodám. ávrh vychází ze specifikace požadavkù na frekvenèní charakteristiku digitálního filtru. Specifikují se významné frekvence, napø. frekvence vymezující pøechodové oblasti frekvenèní charakteristiky digitálního filtru -viz pøíklad na obr.9.7 v dolní èásti, kde jsou specifikovány frekvence iij1, iij2 [rad]. -120-
Podle vztahu (9.23) se k tìmto frekvencím urèí odpovídající frekvence ni, n2 v analogové oblasti -viz graf vlevo nahoøe na obr.9. 7, kde je tato transformace znázornìna graficky s využitím závislosti mezi (jj a.o. podle obr.9.6. Podle hodnot takto získaných frekvencí.o. i se potom navrhne nìkterou známou metodou pøenosová funkce Ha (p) vzorového analogového filtru. Obr. 9.7 K souvislosti mezi frekvenèními charakteristikami H(iiJ) a H(.aT) a stanovení významných frekvencí u metody bilineámí transformace S použitím bilineární transformace podle rov. (9.22) již získáme systémovou funkci H(z) navrhovaného digitálního filtru, u kterého budou zaruèeny jako významné frekvence ml' m2. Tato metoda návrhu IIR filtrù nemá omezení jako pøedchozí metody, je použitelná pro filtry typu DP, PP, a HP, vyluèuje pøekrývání (aliasing) frekvenèních charakteristik a zachovává stabilitu filtru. Avšak impulzní odezva takto navrženého digitálního filtru neodpovídá výchozímu analogovému filtru. -121-