Аналитическое описание цифровых электрических цепей

Центральной задачей обработки цифровых сигналов  является цифровая фильтрация, которая осуществляется цифровым фильтром (ЦФ). ЦФ – является частным случаем цифровой ЭЦ. Таким образом,ЦФ – это цифровая ЭЦ, осуществляющая цифровую фильтрацию сигнала. Далее будем рассматривать только линейные ЦФ с постоянными параметрами, т. е. стационарные линейные ЦФ, которые для краткости будем называть просто «ЦФ».

В рамках основ теории ЭЦ в качестве оценки сигнала при обработке принимается линейный оператор - свертка входного сигнала и импульсной характеристики цепи.

Таким образом, свертка определяет линейную фильтрацию сигнала. Поскольку по определению фильтр осуществляет фильтрацию сигнала, то часто фильтром называют все, что осуществляет свертку, т.е. это может быть и схемотехническое устройство, и вычислительный процесс (программа).

Аналогия Z -преобразования и дискретных преобразований Фурье и Лапласа позволяет использовать основные методы анализа непрерывных ЭЦ применительно к исследованию цифровых ЭЦ.  Рассмотрим основные из этих методов.

Временной метод связан с таким понятием как импульсная характеристика. Импульсной характеристикой ЦФ называется его реакция на единичный импульс r (k) и обозначается h(k). Единичный импульс определяется следующим образом: если k=0, то

r (k) =1, если k>0, то r (k) =0. Отсюда следует, что для физически реализуемого ЦФ при k<0. Тогда, используя понятие дискретной свертки, находим сигнал на выходе ЦФ с импульсной характеристикой :

= ,                                          

где s₁(∙) и s₂(∙) сигнал на входе и выходе фильтра.                                             

       Переходная характеристика ЦФ - g(k) это его реакция на дискретную единичную функцию 1(k).

Частотный метод связан с таким понятием как комплексная передаточная функция.

Комплексная передаточная функция цифрового фильтра H(jn) это отношение дискретного преобразования Фурье (ДПФ) сигнала (спектра дискретного сигнала) на выходе C₂(jn) к дискретному преобразованию входного сигнала C₁(jn), т.е.

H(jn) = C₂(jn) / C₁(jn).                                            

Далее, находим

 

.                                                         

Таким образом, комплексная передаточная функция цифрового фильтра H(jn) равна дискретному преобразованию Фурье от его импульсной характеристики.

 Операторный метод связан с таким понятием как передаточная  функция ЦФ.

 Передаточная функция цифрового фильтра H(z) это отношение Z -преобразований выходного сигнала S₂(z) к входному сигналу S₁(z), т.е.

 

  H(z) = S₂(z) ∕ S₁(z).                                                              

 По аналогии можно сделать вывод, что передаточная функция цифрового фильтра H(z) равна Z - преобразованию от его импульсной характеристики

.                                                        

       Используя полученные формулы, можно эффективно исследовать и установившийся и переходный режимы работы цифровых фильтров.

В качестве примера решения тестовых заданий рассмотрим наиболее типичное ТЗ. Например, необходимо определить выходное напряжение дискретной цепи с импульсной характеристикой рис. 6.4, если входное напряжение задано.

                                                     

                                                                      

Рис. 6.4

Решение основано на знании формулы дискретной свертки. Тогда сигнал на выходе дискретной цепи с известной импульсной характеристикой (эта характеристика приведена в виде графика) определяется по формуле свертки

 

.                                   

В тестовом задании требуется найти коэффициенты перед членами   u_вх(∙). Они определяются значениями импульсной характеристики h(0) и h(1). Из графика импульсной характеристики видно, что эти коэффициенты будут равны 2 и -1.