научная статья по теме НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРАХ С КВАНТОВАНИЕМ И ПЕРЕПОЛНЕНИЕМ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРАХ С КВАНТОВАНИЕМ И ПЕРЕПОЛНЕНИЕМ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 2, с. 179-185

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

УДК 537.86:530.182

нелинейные процессы в цифровых фильтрах

с квантованием и переполнением © 2015 г. Ю. А. Брюханов, Ю. А. Лукашевич

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова Российская Федерация, 150000, Ярославль, ул. Советская, 14 E-mail: bruhanov@uniyar.ac.ru Поступила в редакцию 21.05.2013 г.

Рассмотрены процессы в цифровых фильтрах с учетом эффектов квантования при произвольном числе разрядов в представлении чисел и переполнения при периодических внешних воздействиях. Использован метод исследования, основанный на представлении стационарных колебаний в виде инвариантного множества нелинейных дискретных точечных отображений. Расчеты спектрального состава реакции системы и нелинейных искажений сигналов с произвольным периодом выполнены при классическом и модернизированном дискретных преобразованиях Фурье. Приведены результаты расчета процессов в цифровых полосовых фильтрах Баттерворта и Чебышева. Показаны зависимости коэффициента нелинейных искажений от вида кодирования и числа разрядов в представлении чисел, а также от порядка цифрового фильтра. Установлено влияние числа разрядов на вид амплитудно-частотных характеристик фильтров.

DOI: 10.7868/S0033849415020011

ВВЕДЕНИЕ

Цифровые фильтры широко используются в современных системах передачи информации, например, для селекции и усиления сигналов высокой, промежуточной и низкой частоты в радиоприемных устройствах [1]. Специфическими для таких фильтров являются ошибки, обусловленные конечной точностью представления (квантованием) чисел, называемые эффектами квантования, и переполнением разрядной сетки, называемые эффектами переполнения [2, 3]. Влияние этих эффектов наиболее сильно проявляется при использовании арифметики с фиксированной запятой. В общем случае задачи исследования процессов в цифровых фильтрах очень сложны, так как операция квантования и явление переполнения существенно нелинейные.

Если число уровней квантования Ь и связанное с ним число разрядов Я в представлении чисел достаточно велики, то можно использовать линейную модель фильтра и линейную статистическую модель ошибок квантования е(п) [2, 3]. Эти модели основаны на следующих предположениях: во-первых, последовательность значений ошибки является последовательностью выборок стационарного случайного процесса; во-вторых, последовательность значений ошибки не коррелирована с последовательностью точных значений сигнала; в-третьих, ошибки не корре-

лированы между собой (представляют собой белый шум) и, в-четвертых, распределение вероятностей ошибки равномерно во всем диапазоне ошибок квантования. Такой подход используется в большей части работ, посвященных исследованию эффектов квантования в цифровых фильтрах.

Вышеуказанные предположения до некоторой степени произвольны. Приведем примеры, для которых они неверны: например, если на вход системы воздействует постоянный сигнал или гармонический сигнал, дискретизированный с частотой, рационально кратной частоте синусоиды. В первом случае все ошибки будут одинаковы и равны, а во втором они образуют периодическую последовательность.

При другом подходе необходимо использовать малое число разрядов. Отметим, что свободные колебания и колебания при постоянном входном сигнале в цифровых рекурсивных фильтрах первого порядка с различными характеристиками квантователя (сумматора) при произвольном числе Ь исследованы в [4—8]. В работе [9] рассмотрены свободные колебания и колебания при постоянном и периодических воздействиях в рекурсивной системе второго порядка с бинарным квантованием. Методика исследования установившихся процессов в системах дискретного времени с нелинейным сумматором (нелинейность обусловлена эффектами переполнения) без учета

х(п + О)

у(п + О)

к аО N /2(ф)

1/

Рис. 1. Структурная схема нелинейного рекурсивно—нерекурсивного полосового фильтра, реализуемого в прямой форме 1.

эффектов квантования при периодических внешних воздействиях разработана в [10]. В работе [11] предложен метод исследования периодических процессов в неавтономных системах дискретного времени с квантованием. Метод расчета вынужденных колебаний в нелинейных системах дискретного времени при периодических внешних воздействиях разработан в [12].

Цель данного исследования — анализ нелинейных процессов в цифровых полосовых фильтрах Баттерворта и Чебышева, расчет спектральных характеристик и нелинейных искажений гармонических сигналов, обусловленных эффектами квантования (при произвольном числе разрядов К) и переполнения, для разных способов аппроксимации и кодирования чисел, а также изучение влияния эффектов квантования и переполнения на избирательные свойства фильтров.

Цифровые фильтры реализуются в прямой, каскадной и параллельной формах [2, 3]. Структурная схема нелинейного рекурсивно-нерекурсивного цифрового полосового фильтра, реализуемого в прямой форме 1, изображена на рис. 1. Здесь z—1 — элементы задержки, а^ и Ь1 — умножители в нерекурсивной и рекурсивной частях системы соответственно, блоки /1(ф) и /2(ф) определяют вид характеристик нелинейных элементов — квантователей сумматора и умножителей соответственно, учитывающих и переполнение разрядной сет-

ки. Колебания в таком фильтре порядка О описываются разностным уравнением

( о

У(п + О) = /

X / (о+1-У(п +' -1)) +

V 1=\

+ /2 (о+1-Х(п + I -1)) + х(п + О)),

(1)

где у(п) — реакция системы, х(п) — входное воздействие.

На рис. 2а приведена блок-схема каскадной реализации цифрового полосового фильтра, содержащего О последовательно соединенных каскадов. При последовательном соединении О нелинейных рекурсивно-нерекурсивных цепей второго порядка (структурная схема 1-го каскада приведена на рис. 2б) колебания на выходе 1-го каскада описываются разностным уравнением

Уи(п + 2) = /1(/2(Ьь- уп(п + 1)) + +/2(ЬцУи(п)) + /2(таъУи(п)) + +/2(та1Уи — 1(п + 1)) + /2(таоя Ун — 1(п + 2))). (2)

Здесь а0, а1; и аъ — коэффициенты нерекурсивной части 1-го каскада; Ь1(- и Ь2! — коэффициенты рекурсивной части 1-го каскада; т I — весовой (масштабирующий) коэффициент 1-го каскада, обеспечивающий заданный динамический диапазон; Ую(п) = х(п).

(а)

х(п + 2) #1 Уп(« + 2) н Уи(п + 2) Но У1о(п + 2)

Ун- \(п + 2) У1о-х(и + 2)

ш,

Уи- 1<и + 2)

(б)

а2(

/2(Ф)

/2(ф)

Ун(п + 2)

Рис. 2. Блок-схема каскадной реализации цифрового полосового фильтра (а) и структурная схема г'-го каскада (б).

Ошибки квантования и переполнения связаны с видом характеристик квантователей, которые являются существенно нелинейными, что и определяет характер процессов в цифровых фильтрах. На практике существуют два вида характеристик переполнения квантователей:

с насыщением, описываемая функцией

©( Ф) =

ф, ф< 1, 1, ф> 1, -1, Ф<-1,

пилообразная, где соответствующая функция имеет вид

0(ф) = (ф + 1)(шоё2) -1.

Здесь и ниже полагаем, что для представления чисел используется арифметика с фиксированной запятой и дробными числами. В таблице приведены характеристики квантователей с насыщением для различных способов представления чисел. Здесь q — шаг квантования, [.] — целая часть числа.

1. РЕАКЦИЯ ПОЛОСОВОГО ФИЛЬТРА НА ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Используя метод исследования нелинейных процессов в неавтономных системах дискретного времени [11], преобразуем уравнения колеба-

ний (1), (2) в уравнения состояний. Для прямой формы 1 получим выражение

У1 (п + 1) = У1+1(я), I = 1,...,О - 1,

С о

У о (п + 1) = ¡1

о+1- I(п)) ■

(3)

V (=1

+ /2(аО+1-1х(п - 1 + 0) + х(п + О)

а для последовательного соединения О каскадов второго порядка уравнение (2) примет вид

(4)

Уи(п +1) = Уъ(п), ( Уи(п + 1) = ¡1(11(ЪцУ21(п)) + + 12ФъУи(п)) + /2(ША21Уи-1(п)) + + /2(шац У2,-1(п)) + /2ШаШ У21-1(п + 1))). Здесь I = 1,2,..., О; у2((п + 1) — реакция г'-го каскада; Ую(п) = х(п).

С позиций теории многомерных точечных отображений [13] уравнения (3) и (4) описывают нелинейное дискретное отображение некоторой точки У(п) О-мерного пространства в точку У(п + 1), т.е.

У (п + 1) = Р (7 (л)), (5)

где Ш — функция последования. При периодическом воздействии ключевым для расчета стационарного режима является соотношение

р(у*(т - 1)) = у*(0), (6)

где У*(п) — последовательность инвариантных (неподвижных) точек дискретного отображения,

Способы представления чисел и вид характеристик квантователя

Представление чисел

Характеристика квантователя /(ф)

код

аппроксимация

аналитическое выражение

график

Прямой (обратный)

Усечение

д[ф/д] при ф| < 1, ф при |ф| > 1

/(ф)

1 г-

2д Ч

1 -2ч

Ч о -ч

-2Ч

-1

Ч 2ч 1 ф

Прямой (обратный)

Округление

д[ф/д + 1/2 81§п ф] при |ф| <1, 81§п ф при |ф| > 1

/(Ф) 1 г-

2Ч Ч

1 -2Ч -Ч

Ч 2ч 1 ф

/(Ф) 1 - ЧГ

Дополнительный

Усечение

Ф + 1

1

Ч J

при —1 + д < ф < 1 — д, 1 — д при ф > 1 — д, — 1 при ф < —1 + д

1 + Ч

Ч 1 1 -

-Ч о Ч

1 - Ч Ф

-Ч'

1

1 + Ч

Дополнительный

Округление

ф+1+1

/(ф) 1 - Ч

1

I Ч 2_ при —1 + д/2 < ф < 1 — д — д/2, 1 — д при ф > 1 — д — д/2, — 1 при ф < —1 + д/2

Ч 1 Ч 1 - 2ч | 1

-Ч о Ч 1

1 Ч

_1 -1 + Ч

- 1 1-

д

Т = ТС/ТД, ТС — период входного воздействия (сигнала), ТД — период дискретизации, Т — целое число, Т > 2.

Применительно к рекурсивно—нерекурсивной системе порядка О, реализуемой в прямой форме 1, согласно уравнениям состояний (3) это означает выполнение системы равенств

y(0) = y+iT- 1), i = 1,...,G- 1,

f G

Уо (0) = fi

X ЪЬУв+i-i (T -1))

V i=1

+ fi(aG+1-ix(T - 2 + i) + x(T -1 + G)) 1.

(8)

2. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛА

Для нахождения спектрального состава реакции фильтра применяется дискретное преобразование Фурье (ДПФ). При этом для целых норми-

(7)

Эти соотношения вместе с уравнениями (3) позволяют определить значение УО(0) = УО* (0). Далее, опять используя (3), определяем все необходимые инвариантные точки от УО (1) = У* (1) до УО (Т — 1) =

= У*( Т — 1).

Соответствующие выражения получаем согласно (4) и для последовательно соединенных О цепей второго порядка:

У1(0) = У2,(Т - 1), <У2,(0) = /ШЬиУя(Т -1)) + < + М^уАТ -1))

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком