§ 1.2. Дискретные и цифровые фильтры

Рассмотрим, из каких элементов должно состоять устройство цифровой обработки сигналов. Разумеется, универсальную структурную схему изобразить невозможно,

так как существует очень много разнообразных цифровых систем различного назначения. Однако все они содержат некоторые специфические общие элементы.

Система цифровой обработки сигнала должна содержать устройство для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Обычно такое устройство состоит из двух частей: дискретизатора непрерывного сигнала по времени и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), превращающего выборочные значения сигнала в числовую последовательность, элементы которой — это числа, представленные в коде вычислительной машины. Цифровой сигнал, получающийся на выходе АЦП, уже готов для цифровой обработки.

Далее следует электронное вычислительное устройство, в котором происходит обработка цифрового сигнала по заданному алгоритму. Алгоритмы обработки сигналов могут быть очень разнообразными как по характеру, так и по степени сложности. Цифровые устройства, производящие линейную обработку сигнала, называют цифровыми фильтрами.

Методы анализа цифровых фильтров во многом родственны методам анализа обычных аналоговых фильтров. Каждый цифровой фильтр эквивалентен некоторому аналоговому устройству, называемому фильтром-прототипом. Многие характеристики цифровых фильтров аналогичны соответствующим характеристикам фильтров-прототипов.

Сигнал на выходе цифрового фильтра имеет вид последовательности чисел, представленных в коде машины. Дальнейшая обработка этого сигнала может быть различной в зависимости от назначения устройства. Например, выходной сигнал непосредственно в цифровой форме без преобразования можно использовать для управления некоторыми процессами или можно вывести на дисплей для считывания информации. Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый (рис. 1.2) используют восстанавливающее устройство, состоящее из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и выходного сглаживающего фильтра. ЦАП преобразует цифровой сигнал в импульсы напряжения, которые подаются на сглаживающий фильтр, и на выходе этого фильтра получается непрерывный сигнал. Процесс преобразования сигнала в устройстве цифровой обработки проиллюстрирован временными диаграммами на рис. 1.2.

Наряду с цифровыми фильтрами существуют аналоговые устройства, которые могут производить обработку неквантованных дискретных сигналов по алгоритмам, аналогичным алгоритмам цифровой фильтрации. Такие устройства называют дискретными фильтрами. На вход дискретного фильтра можно подать дискретный сигнал, например, в виде АИМ-колебания, и этот сигнал может быть обработан в соответствии с заданным алгоритмом.

Рис. 1.2. Структурная схема системы цифровой обработки непрерывных сигналов и временные диаграммы: Д - дискретизатор; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ЦФ - цифровой фильтр; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; СФ - сглаживающий фильтр

Дискретные фильтры могут быть реализованы в виде некоторой аналоговой схемы, состоящей из линий задержки, сумматоров и перемножающих элементов типа тех, которые применяют в аналоговых вычислительных машинах. Практическое применение таких фильтров ограничено. Значительно больший интерес представляют разработанные недавно дискретные фильтры на приборах с зарядовой связью [12].

Подробное рассмотрение различных типов дискретных фильтров не входит в задачу данной книги. Однако математический аппарат теории дискретных фильтров очень полезен при теоретическом анализе прохождения сигналов через цифровые фильтры, так как позволяет, пренебрегая эффектами квантования, сформулировать и определить все основные параметры цифровых фильтров.