СРАВНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ И АНАЛОГОВЫХ ФИЛЬТРОВ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»
Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Ожиганов А.А.
Статья посвящена фильтрации сигнала , причине необходимости создания фильтров и сфере их применения. Рассматриваются преимущества и недостатки цифровых и аналоговых фильтров .
Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Ожиганов А.А.
Текст научной работы на тему «СРАВНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ И АНАЛОГОВЫХ ФИЛЬТРОВ»
СРАВНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ И АНАЛОГОВЫХ ФИЛЬТРОВ
Статья посвящена фильтрации сигнала, причине необходимости создания фильтров и сфере их применения. Рассматриваются преимущества и недостатки цифровых и аналоговых фильтров.
Ключевые слова: фильтрация, сигнал, аналоговый фильтр, цифровой фильтр.
С появлением радио, затем телевидения, различного вида телефонной и радиосвязи, интернет соединений возникла необходимость получения четкого сигнала при его передаче от передаточного устройства к приемнику, а нередко и получения обратного сигнала. Для этого понадобилась некое устройство, программное обеспечение, осуществляющие сглаживание сигнала, очищает его от помех. Такое устройство или программа называется фильтром, а принцип его работы — фильтрацией.
Фильтрация — это такое преобразование сигнала, которое сохраняет его полезные особенности, а нежелательные — подавляются. Фильтр — это динамическая система, имеющая определенные динамические свойства.
Фильтры решают следующие задачи:
1) подавляют шумы;
2) устраняют искажение сигнала, которое возникает при несовершенстве канала передачи или погрешности измерения;
3) разделяют различные сигналы, присутствующие в канале связи, смешанные для его максимального использования;
4) они осуществляют разложение сигналов на частотные составляющие;
5) производят сигнальную демодуляцию;
6) осуществляют дискретизацию аналогового сигнала;
7) ограничивают частотные полосы, занимаемые сигналами.
Фильтрацию можно представить в форме процесса изменения в сигнале спектра частот в нужном направлении. Данный процесс усиливает или ослабляет частотные составляющие, подавляет или выделяет их.
На практике фильтрация процессов базируется на следующем принципиальном допущении: спектры полезного сигнала и сигнала помехи не перекрываются.
Фильтр выделяет полосу частот, которые пропускают или усиливают сигнал, называют полосой пропускания, а также полосу частот, подавляющих или ослабляющих сигнал, называется полосой задерживания. Те частоты, которые лежат на границе этих полос называется граничными частотами.
Фильтры, широко применяющиеся при обработке данных и сигналов, называются базовыми. К ним относятся фильтры нижних частот, верхних частот, полосовые фильтры и заграждающие.
Также выделяют аналоговые и цифровые фильтры.
К аналоговым фильтрам относятся фильтры обрабатывающие аналоговый (непрерывный) сигнал -напряжение, звук, механическое движение.
Применение аналоговых фильтров происходит в электронике. Они производят антиалиасинговую обработку выводимого изображения, выборку радиостанций в радиоприемниках, разделение звукового сигнала на басы, твитер и др.
Аналоговые фильтры существуют в форме механических устройств осуществляющих фильтрацию механических вибраций или акустических волн, а также в форме пассивных RLC-цепочек или кристальных фильтров, использующих для узкополосной фильтрации сигналов. В последних механическая акустическая волна с помощью преобразователя превращается в электрический сигнал на выходе используемого кристалла.
Цифровые фильтры в отличие от аналоговых обрабатывают не непрерывный сигнал, а дескрети-зированный (цифровой). Цифровые фильтры представлены в форме программного и апппаратного обеспечения вычислительных машин. Они используются для спектрального анализа, обработки изображений, видео, речи и звука и др.
Цифровые фильтры делятся на КИХ-фильтры и БИХ-фильтры.
© Ожиганов А.А., 2017.
Вестник магистратуры. 2017. № 12-1(75)
Первый вид фильтра — фильтр с конечной импульсной характеристикой, импульсная характеристика которого ограничена временным отрезком, по окончанию которого импульс становится равным нулю. Передаточная функция такого фильтра — константа.
БИХ-фильтры имеют бесконечную импульсную характеристику, имеющие обратную связь, так как часть его выходов используется как входы.
Передаточная функция БИХ-фильтров имеет дробно-рациональный вид. В отличие от КИХ-фильтров, БИХ-фильтры обрабатывают и аналоговый сигнал.
Как уже упоминалось выше, цифровые фильтры реализованы в виде аппаратных фильтров — элементов интегральных схем, программируемых логических интегральных схем и в виде программных фильтров — программ выполняемых процессором ЭВМ.
Программные фильтры легче реализовать, чем аппаратные и их реализация стоит намного дешевле. Аппаратные фильтры более быстродейственны.
Сравним аналоговых и цифровых фильтров. Данные внесем в таблицу 1.
Сравнение аналоговых и цифровых фильтров_
Аналоговые фильтры Цифровые фильтры
меньшая точность и большие допуски высокая точность
нелинейная фаза линейная фаза (КИХ-фильтры)
дрейф характеристик из-за погрешности компонентов отсутствие дрейфа характеристик, вызванного погрешностью компонентов
сложно реализовать адаптивные фильтры гибкость, возможность адаптивной фильтрации
сложно моделировать и проектировать простота моделирования и разработки
аналоговые фильтры требуются на высоких частотах и для защиты от наложения спектров вычисления должны быть произведены раньше, чем будет сделана следующая выборка. Это ограничивает быстродействие в режиме реального времени
не требуется процессорная поддержка или обработка требуется быстродействующий процессор
Рассмотрим преимущества цифровых и аналоговых фильтров.
Преимущества цифровых фильтров:
— Настройка цифровых фильтров осуществляется программным обеспечением. С помощью ПО фильтры легко интегрировать и тестировать.
— Реализация цифровых фильтров осуществляется с помощью простых арифметических операций (сложения, вычитания, умножения).
— На работу фильтров не влияет внешняя среда, например температура или влажности.
— Оптимальное сочетание характеристик и стоимости.
— Цифровые фильтры лишены таких проблем, как физическое старение механических компонентов (ПО можно установить на более современный ПК), и производственные отклонением характеристик от заводских.
Преимущества аналоговых фильтров:
— У аналоговых фильтров присутствует фильтр защиты от наложения спектров на входе аналого-цифрового преобразователя.
— Аналоговые фильтры работают быстрее цифровых.
— У аналоговых фильтров отсутствует шум квантования.
— Аналоговые фильтры имеют более высокий динамический диапазон чем цифровые.
— Не имеют ограничения частотой Найквиста в отличие от цифровых.
Таким образом, у каждого типа фильтров есть свои минусы и недостатки. Использование цифровых или аналоговых фильтров зависит от цели их использования: в ряде случаев аналоговые фильтры, благодаря своим преимуществам удовлетворяют требования пользователей, в других же уместно применить цифровые. Выбор всегда остается за потребителем или специалистом.
1. Корпоративный портал Томского политехнического университета / Аналоговые фильтры [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://portal.tpu.rU/SHARED/v/VOS/studv/disc1/Tab/tema06.pdf, свободный. Загл. с экрана. -Яз. рус., англ.
2. Сайт «Электронные компоненты / Какой фильтр выбрать, цифровой или аналоговый? [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.elcomdesign.ru/reviews/reviews 151 .html, свободный. Загл. с экрана. — Яз. рус., англ.
3.Сайт Википедия / Аналоговый фильтр [Электронный ресурс]. — Режим доступа: ttps://ru.wikipedia.org/wiki/Аналоговый_фильтр, свободный. Загл. с экрана. — Яз. рус., англ.
4. Сайт Википедия / Цифровой фильтр [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Цифровой_фильтp, свободный. Загл. с экрана. — Яз. рус., англ.
5. Сайт Института новых информационных технологий / Цифровые фильтры [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.initkms.rU/umk/etf/d/tsifrovyie й1Ьу kester.pdf, свободный. Загл. с экрана. — Яз. рус., англ.
ОЖИГАНОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ — магистрант, Поволжский государственный технологический университет, Россия.
Сравнительная оценка цифровых и аналоговых линейных фильтров
Так как цифровой фильтр отличается от дискретного лишь способом представления отсчетов (в аналоговой или цифровой форме), то полученные ранее структурные схемы дискретных фильтров могут быть использованы и для цифровых фильтров (ЦФ), однако эти схемы будут являться условными, так как характеризуют лишь алгоритмы работы фильтров.
Реализация ЦФ может быть осуществлена двумя способами:
1) программный способ, когда алгоритм фильтрации реализуется в виде программы цифровой вычислительной машины.
Этот способ удобен при математическом моделировании фильтра на этапе полученных исследований или проектирования.
При технической реализации конкретного фильтра, работающего в полном масштабе времени, этот способ неэффективен (либо он дорог, либо не хватает быстродействия);
2) схемный способ, когда ЦФ реализуется в виде специального вычислителя или процессора.
Такой вариант предполагает использование стандартных элементов цифровой техники, обладающей высокой надежностью, быстродействием, малыми габаритами и массой.
ЦФ имеют ряд преимуществ перед аналоговыми:
— они не имеют реактивных элементов , поэтому нет проблем с точностью их изготовления и их стабильностью;
— характеристики ЦФ прогнозируются и реализуются с высокой точностью, так как зависят в основном от стабильности тактовой частоты, которая вырабатывается в высокостабильном кварцевом генераторе. Отсюда получение высокой добротности и чрезвычайно большой постоянной времени. Последняя особенно важна на сверхнизких частотах, где реализация аналоговых фильтров невозможна;
— характеристики цифрового фильтра легко изменяются в широких пределах путем изменения тактовой частоты;
— в цифровом фильтре возможно получение линейной ФЧХ;
— нет проблем согласования нагрузки;
— отсутствует дрейф нуля;
— ЦФ реализуется на стандартных элементах цифровой техники, причем несколько фильтров могут обслуживаться одним тактовым генератором, одним управляющим устройством и одним арифметическим блоком.
Отсюда высокая надежность, стабильность, малые габариты, вес. 1
В то же время ЦФ присуще характерные ошибки и погрешности, которые надо учитывать при проектировании и разработке:
— ошибки при временной дискретизации и восстановлении аналогового сигнала, о которых говорили ранее;
— ошибки, возникающие при амплитудном квантовании отсчетов воздействия и отсчетов импульсной характеристики, что объясняется ограниченной разрядностью АЦП (10-12 разрядов);
— ошибки округления, возникающие при перемножении многоразрядных чисел;
— ошибки, связанные с цифро-аналоговыми преобразованиями отсчетов отелика.
В чем отличие аналоговых и цифровых фильтров
Видео: ЧТО ТАКОЕ АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЫ [Уроки Ардуино #10]
Содержание
Основное отличие — аналоговые и цифровые фильтры
В электронике сигнал может состоять из комбинации компонентных сигналов на разных частотах. фильтры являются компонентами, используемыми в электрических цепях для удаления нежелательных частотных составляющих в сигнале. главное отличие между аналоговыми и цифровыми фильтрами заключается в том, что аналоговые фильтры обрабатывают аналоговые сигналы напрямую, тогда как цифровые фильтры должны сначала преобразовывать аналоговые сигналы в цифровые сигналы, прежде чем обрабатывать. После обработки сигнал необходимо снова преобразовать из цифрового в аналоговый сигнал.
Что такое аналоговые фильтры
Аналоговые фильтры используютрезонанс в электрических цепях. Комбинации резисторов и индукторов обеспечивают разные уровни импеданса для токов с разными частотами. Следовательно, они могут использоваться в схемах для подавления нежелательных частотных составляющих в сигнале.
Например,полосовой фильтр подавляет частоты, которые находятся за пределами заданного диапазона частот. Диаграмма ниже показывает, как такой фильтр может быть построен с использованием конденсаторов (C) и катушек индуктивности (L):
Полосовой фильтр, который подавляет частоты, не входящие в его диапазон.
И в выходном сигнале все частоты, которые не находятся в пропускная способность Диапазон (B) подавляется:
Полосовой фильтр подавляет частоты, которые не находятся в области, называемой шириной полосы.
Аналоговые фильтры могут фильтровать сигналынепрерывно, В некоторых случаях это дает небольшое преимущество аналоговым фильтрам, гдевсе нежелательные частоты должны быть удалены. Способность цифрового фильтра делать это зависит от частоты дискретизации (см. Ниже).
Что такое цифровые фильтры
Цифровые фильтры могут работать с цифровыми (то есть не непрерывными) сигналами. Следовательно, цифровой фильтр состоит изАналого-цифровой преобразователь (АЦП), который сначала преобразует любой аналоговый сигнал в цифровой сигнал. АЦП делает это путемотбор проб сигнал на регулярной основе. После преобразования оцифрованный сигнал обрабатывается и ненужные частотные компоненты удаляются. Затем полученный цифровой сигнал необходимо преобразовать обратно в аналоговый сигнал, используяЦифро-аналоговый преобразователь (КСР).
Цифровые фильтры имеют ряд преимуществ перед аналоговыми фильтрами. После того, как они запрограммированы, программы в цифровых фильтрах могут быть легко изменены путем переписывания их алгоритмов (для перепрограммирования аналогового фильтра необходимо изменить саму схему). Это также позволяет цифровым фильтрам выполнять адаптивная фильтрация: форма фильтрации, где параметры фильтрации могут изменяться с течением времени, в зависимости от того, как изменяется входной сигнал. Цифровые фильтры также имеют тенденцию быть более точными, поскольку точность аналогового фильтра во многом зависит от емкости его компонентов. Цифровые фильтры также способны обрабатывать очень низкие частоты, которые аналоговые фильтры не могут обрабатывать.
Разница между аналоговыми и цифровыми фильтрами
Тип обработанного сигнала
Аналоговые фильтры может обрабатывать аналоговые фильтры напрямую.
Цифровые фильтрынеобходимо сначала преобразовать аналоговые сигналы в цифровые, перед обработкой. После обработки сигнал необходимо снова преобразовать из цифрового в аналоговый.
Изменение функциональности
Чтобы изменить функционированиеаналоговые фильтрысами компоненты должны быть переконфигурированы.
Цифровые фильтры обычно регулируются алгоритмами, и функциональность может быть легко изменена путем изменения этих алгоритмов.
Скорость обработки
Аналоговые фильтры отфильтровывать нежелательные частоты непрерывно.
Скорость, с которой цифровые фильтры может работать в зависимости от частоты их выборки.
Изображение предоставлено
«Принципиальная схема примера полосового фильтра в топологии Кауэра Т-образного сечения…» по Inductiveload (собственная работа) [Public Domain], через
В чем отличие аналоговых и цифровых фильтров
Аналоговые системы с сосредоточенными параметрами состоят из элементов, выполняющих интегрирование и дифференцирование:
и, кроме того, содержат масштабирующие устройства — усилители, резисторы, трансформаторы, для которых
Уравнения, описывающие такие системы, являются линейными, интегродифференциальными. Например, система первого порядка «а фиг. 1.2, а описывается дифференциальным уравнением
на фиг. 1.2, б представлена импульсная характеристика этой системы. Решения уравнений имеют вид суммы членов, соответствующих собственным затухающим либо возрастающим по экспоненте
синусоидальным или косинусоидальным колебаниям системы и вынужденным колебаниям от входного воздействия.
Если элементы системы линейны, то для нее применим принцип суперпозиции. Переменные в аналоговых системах определены в любой момент времени.
Фиг. 1.2. Непрерывная, или аналоговая, система первого порядка. а — цепь; б — импульсная характеристика.
Фиг. 1.3. Цифровая система первого порядка. а — блок-схема; б — импульсная характеристика.
В цифровых системах переменные известны лишь в дискретные моменты времени. В этих системах используются операции сложения и умножения, а также задержка, кратная интервалу времени, равному Т секунд, между отсчетами, т. е. интервалу дискретизации, или периоду синхронизации. Возможность задержки обеспечивается путем хранения значений сигнала сколь угодно долго.
Простейшим примером является система первого порядка (фиг. 1.3, а). Здесь значение на выходе равно задержанному на один интервал дискретизации, т. е. предыдущее значение х берется в качестве последующего значения у. Эта система описывается уравнением
где — оператор первых разностей, определяемый следующим образом:
Уравнение (1.3) является разностным, как, следовательно, и уравнение (1.2). Аналогично разностными являются уравнения, описывающие дискретные системы с задержкой. Эти уравнения играют здесь ту же роль, что и дифференциальные уравнения в аналоговых системах. В обоих случаях уравнения, к счастью, являются линейными, что позволяет применять принцип суперпозиции.
Приведенная система обладает импульсной характеристикой в виде экспоненты (фиг. 1.3,б), подобной той, которую имеет -цепь, но дискретизованной. В данном простом случае этот результат может быть легко получен. Пусть на вход подается единичный импульс (с последующими нулями), а у в этот момент равен нулю. В последовательные моменты отсчетов имеем
Как и в случае аналоговых фильтров, здесь наблюдаются соответствующие затухающие синусоидальные колебания, являющиеся элементарными откликами систем высших порядков.