Введение к работе
Современные радиоприемные устройства различного назначения широко используют цифровую обработку сигналов. Цифровые фильтры используются для обеспечения избирательности в радиоприемных устройствах (РПУ), входящих в состав различных радиотехнических систем. Частоты, на которых в настоящее время могут работать такие фильтры, достигают сотен мегагерц. Методы расчета цифровых фильтров интенсивно разрабатывались в течение последних десятилетий и отражены в работах Голда Б., Митры С, Рабинера Л., Шафера А., Гольденберга Л.М., Матюшкина Б.Д., Поляка М.Н., Витязева Р.В., Степашкина В.В., Мизина И.А. и многих других.
Можно выделить отдельное направление исследований, связанное с использованием идентичных звеньев при построении цифровых фильтров. Это направление базируется на работах Гребенко Ю.А., Савкова Н.Н., Семкина А.А. Использование идентичных звеньев упрощает реализацию цифровых фильтров в виде микросхемы или на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), обеспечивая удобную перестройку параметров фильтров высокого порядка (полосы, центральной частоты) при сохранении формы АЧХ.
В современных РПУ часто применяется квадратурная обработка сигнала, предполагающая использование квадратурных преобразователей частоты при переносе спектра на промежуточную частоту. Комплексный аналоговый сигнал с выхода такого преобразователя после аналого-цифрового преобразования превращается в комплексный цифровой сигнал, для фильтрации которого необходимо использовать комплексный цифровой полосовой фильтр. Комплексный цифровой полосовой фильтр не только обеспечивает требуемое подавление помех, но и обеспечивает высокую идентичность квадратурных каналов фильтрации. В низкочастотных гидролокационных приемниках квадратурные компоненты можно получить
из вещественного цифрового сигнала, пропустив его через комплексный цифровой полосовой фильтр. В ряде случаев возникает необходимость в использовании цифрового комплексного режекторного фильтра для подавления узкополосной помехи. Комплексные цифровые фильтры исследованы существенно меньше, чем вещественные цифровые фильтры. Основы проектирования комплексных цифровых фильтров заложены в работах Митры С, Регалия П., Остапенко А.Г., Гребенко Ю.А., Гадзиковского В.И. и др., однако исследования необходимо продолжить для разработки методик проектирования и обеспечения использования комплексных фильтров в инженерной практике. Особый интерес представляют методики проектирования комплексных фильтров на идентичных звеньях, которые не только упрощают проектирование, но и позволяют обеспечить удобную перестройку параметров комплексных фильтров высокого порядка при сохранении формы АЧХ.
Тема диссертационной работы отражает класс исследуемых устройств (комплексные цифровые фильтры), используемый базис (идентичные звенья).
Актуальность темы диссертации обусловлена следующим:
широким применением алгоритмов фильтрации комплексных сигналов и необходимостью разработки методов синтеза и реализации комплексных цифровых фильтров на идентичных звеньях;
необходимостью создания единых формализованных процедур расчета комплексных цифровых фильтров на идентичных звеньях, пригодных для перехода к автоматизированному проектированию;
развитием микроэлектронной элементной базы с высоким уровнем интеграции, что требует разработки методов расчета параллельных структурных схем комплексных цифровых
фильтров на идентичных звеньях;
развитием методов адаптивной фильтрации, при которых может
потребоваться перестройка параметров цифрового комплексного
фильтра при сохранении формы АЧХ.
Объектами исследования являются: структурные схемы НЧ-прототипов
(структурированные НЧ-прототипы) и структурные схемы комплексных
цифровых фильтров.
Целью диссертационной работы является разработка методик расчета и реализации комплексных цифровых фильтров на идентичных звеньях. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
Разработка методики проектирования цифровых БИХ-фильтров на идентичных звеньях с использованием последовательных, параллельных и канонических структурированных НЧ-прототипов.
Разработка набора НЧ-прототипов базовых звеньев специального вида, параметры которых не зависят от значения полосы пропускания цифрового фильтра высокого порядка.
Разработка методики расчета полосовых и режекторных цифровых БИХ-фильтров путем смещения частотных характеристик базовых звеньев фильтров нижних и верхних частот.
Проверка работоспособности предложенных методик путем схемотехнического моделирования.
Методы исследования. Применительно к объектам исследования для решения поставленных задач используются методы теории функций комплексного переменного, методы теории графов, методы линейной алгебры, методы теории чувствительности, методы математического и схемотехнического моделирования.
Научная новизна работы. В диссертации рассмотрена и в
значительной степени решена задача, имеющая существенное значение для
радиотехники - синтез и анализ новых структурных схем полосовых и режекторных комплексных цифровых фильтров на идентичных звеньях. Научная новизна заключается в следующем:
Разработаны методики и получены формулы для расчета цифровых фильтров с последовательной, параллельной и канонической и структурными схемами.
Разработана методика синтеза структурной схемы комплексного полосового цифрового фильтра на идентичных звеньях с использованием метода смешения частотных характеристик базовых звеньев фильтра нижних частот.
Разработана методика синтеза структурной схемы комплексного режекторного цифрового фильтра на идентичных звеньях с использованием метода смещения частотных характеристик базовых звеньев фильтра верхних частот.
Предложены новые НЧ-прототипы идентичных базовых звеньев, позволяющие обеспечить отсутствие влияния полосы пропускания на параметры схемы цифрового базового звена.
Предложен универсальный метод проектирования комплексных полосовых и режекторных цифровых фильтров, названный методом комплексной задержки, позволяющий практически без расчетов находить структурные схемы комплексных фильтров путем соответствующего преобразования структурной схемы вещественного цифрового ФНЧ или ФВЧ.
Показана возможность реализации комплексных полосовых и режекторных цифровых фильтров с перестройкой центральной частоты без изменения формы частотных характеристик.
Достоверность разработанных в диссертационной работе методик синтеза подтверждается результатами схемотехнического моделирования, апробацией основных результатов на научно-технических конференциях,
публикацией основных результатов в научно-технических журналах и сборниках.
Основные положения, выносимые на защиту:
Цифровые фильтры с последовательной, параллельной и канонической структурной схемами можно разрабатывать на базе комплексных идентичных звеньев, используя представленные в диссертационной работе методики.
Существуют НЧ-прототипы базовых цифровых звеньев, позволяющие обеспечить отсутствие влияния полосы пропускания фильтра на параметры базовых звеньев.
Комплексные цифровые полосовые и режекторные фильтры целесообразно разрабатывать, используя метод смещения частотных характеристик базовых звеньев.
Наиболее простые структурные схемы комплексных цифровых БИХ и КИХ фильтров получаются при использовании метода комплексной задержки.
Комплексные полосовые и режекторные цифровые фильтры на идентичных звеньях удобно перестраивать по частоте без искажения формы частотных характеристик путем изменения двух параметров в базовых звеньях.
Комплексные цифровые КИХ фильтры можно разрабатывать методом разложения частотной характеристики в ряд Фурье.
Практическая значимость работы обусловлена разработкой удобных для использования в инженерной практике методик проектирования комплексных полосовых и режекторных цифровых фильтров на идентичных звеньях. Рекомендации по выбору структурных схем носят конкретный характер, позволяют существенно сократить количество альтернативных вариантов. Результаты работы используются в курсе лекций по дисциплине «Методы и устройства цифровой обработки сигналов», а также при курсовом
и дипломном проектировании на радиотехническом факультете МЭИ.
Апробация результатов работы. По основным результатам работы сделано 4 доклада на Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов в 2007-2010 г.г.
Публикации по теме диссертационной работы. Основные результаты диссертации изложены в 6 печатных работах, среди которых одна статья в журнале «Вестник МЭИ».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации с приложениями 169 страниц, включая 132 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 90 библиографических наименований.
