§ 4.7. Вопросы реализации и применения цифровых фильтров

Мы рассмотрели основные параметры и алгоритмы работы цифровых фильтров. Эти алгоритмы могут быть практически реализованы двумя способами.

1. Реализация алгоритмов цифровой фильтрации в виде программ на универсальной цифровой вычислительной

машине. Этот способ удобен при моделировании различных систем цифровой обработки сигналов, так как позволяет легко изменять алгоритм фильтрации. Примеры реализации некоторых алгоритмов цифровой фильтрации в виде программ для ЭВМ «МИР» приведены в приложении 2.

2. Реализация цифровых фильтров в виде логических и цифровых схем, содержащих триггеры, регистры сдвига, счетчики и другие логические элементы. Вопросы схемной реализации цифровых фильтров подробно рассмотрены в [3] и [7].

Реализация цифровых фильтров в виде электрических схем удобна при создании систем цифровой обработки сигналов, работающих в реальном масштабе времени. Этот способ реализации довольно трудоемок, так как для создания даже простейшего цифрового фильтра требуются десятки интегральных микросхем. Однако такое устройство все же несравненно дешевле, чем универсальная цифровая вычислительная машина.

О преимуществах цифровых фильтров перед аналоговыми уже говорилось в гл. 1. Сейчас цифровые фильтры применяются в основном там, где эти преимущества наиболее значительны. Это в первую очередь системы управления различными объектами и процессами, где алгоритм обработки сигналов обычно бывает настолько сложен, что практически не может быть реализован с помощью аналоговых устройств.

Вторая важная область применения цифровых фильтров — это обработка низкочастотных и инфранизкочастотных сигналов в миниатюрной аппаратуре, когда использование аналоговых устройств затруднено вследствие больших габаритов основных элементов схем: индуктивных катушек и конденсаторов. Даже самые современные катушки и конденсаторы, пригодные для использования в фильтрах инфранизких частот, имеют габариты несколько кубических сантиметров. Современная микроэлектроника позволяет изготовить устройство для цифровой обработки инфранизкочастотных колебаний значительно более компактным, чем соответствующий аналоговый фильтр.

Весьма перспективной областью применения цифровых фильтров является обработка экспериментальных данных в геофизике, геологии и других естественных науках, которые связаны с проведением экспериментов в натурных и полевых условиях. За сезон экспериментальной работы

накапливается такое количество данных, на обработку которых даже при использовании ЭВМ требуется несколько месяцев напряженного труда. Значительная часть этого времени затрачивается на программирование и ввод в ЭВМ огромных массивов экспериментальных результатов.

Поэтому было бы очень заманчиво обработку экспериментальных результатов производить непосредственно в процессе эксперимента. До недавних пор это было невозможно, так как аналоговые устройства не позволяют решить эту задачу, а универсальные ЭВМ были слишком громоздки для того, чтобы их можно было использовать в полевых условиях. Теперь благодаря развитию микроэлектронной техники стало возможным создание малогабаритных цифровых устройств, предназначенных для обработки экспериментальных данных непосредственно в процессе их получения.

Список возможных областей применения устройств для цифровой обработки сигналов можно продолжить; читатель сам, после некоторых размышлений, может назвать несколько конкретных примеров, где цифровые фильтры были бы полезны.

Основными факторами, которые препятствуют широкому применению цифровых фильтров, являются их значительная сложность и высокая стоимость.

По поводу стоимости цифровых фильтров можно сказать следующее. Конечно, цифровые фильтры дороже аналоговых, однако они позволяют решать совершенно новые задачи, а в отдельных случаях экономить месяцы человеческого труда, так что в итоге применение цифровых фильтров часто оказывается экономически оправданным.

Сложность цифровых фильтров является более серьезным препятствием к их широкому применению. Ведь даже относительно простой цифровой фильтр вместе с устройствами сопряжения содержит тысячи схемных элементов. Поэтому в недавнем прошлом разработка таких устройств была под силу лишь довольно большому коллективу специалистов. Однако в последние годы ситуация существенно изменилась. Разработаны и серийно выпускаются микропроцессоры, БИС памяти и др. Комбинируя эти устройства надлежащим образом, можно создавать устройства для цифровой обработки сигналов самого различного назначения.

ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)