Рисунок 12.1.
12.2 Синтез БИХ-фильтров методом билинейного Z-преобразования.
12.2.1 Определение билинейного преобразования.
Воспользуемся соотношением и
выразим комплексный оператор p через комплексную переменную Z, что позволит
представить…………
Представим luZ в виде ряда Тейлора.
Взяв первый член этого ряда, получим
, (12.7)
Перейдем к отрицательным системам переменной Z
путем умножения числителя и знаменателя на , что
даст при обозначении
даст
, (12.8)
Обратная зависимость Z от p имеет вид
, (12.9)
Передаточная функция цифрового фильтра H(Z) получается из передаточной функции аналогового фильтра G(p) заменяем p на Z согласно (12.8), т.е.
Преобразование (12.8) представляем собой дробно-рациональную
функцию первого порядка от и называется билинейным
Z-преобразованием.
12.2.2 Свойства билинейного Z-преобразования.
Билинейное Z-преобразование обеспечивает
однозначное отображение p-плоскости на Z-плоскость а)
частотная ось однозначно отображается в единую
окружность. Действительно, единичная окружность описывается равенством
, а оператор
для
частотной оси имеет вид
, поскольку
. Тогда из (12.9) получаем
,
т.е.
имеем единичную окружность. Рассмотрим, каким образом отображается
положительная и отрицательная области частотной оси на Z-плоскость,
для чего определим аргумент Z.
Рассмотрим
отображение некоторых точек на Z-плоскость.
;
;
;
;
;
;
;
;
Полученные соответствия указаны на рисунке 12.2.
Рисунок 12.2 Отображение p-плоскости на Z-плоскость…….
Продолжая подобные вычисления, можно убедиться, что
ось однозначно отображается в единичную
окружность на Z-плоскости, причем положительная ось частотной оси
отображается на верхнюю, а отрицательная
область – на нижнюю полуокружность.
1. Левая полуокружность однозначно отображается внутрь единичного круга, а правая полуплоскость - вне его.
Для доказательства этого утверждения достаточно знать,
в каких пределах лежат значения радиуса r. Воспользуемся
выражением (12.9), куда подставим оператор , и
исследуем
при положительных и отрицательных
значениях
.
Числитель подкоренного выражения при , что соответствует левой p-полуплоскости,
оказывается меньше знаменателя, поэтому r>1 и левая
полуплоскость отображается внутрь единичного круга Z-плоскости. При
, что соответствует правой полуплоскости,
числитель оказывается больше знаменателя, поэтому r>1 и правая
полуплоскость отображается на всю Z-плоскость вне единичного круга.
2. Цифровой фильтр устойчив, если устойчив его аналоговый прототип, поскольку полосы последнего лежали в левой полуплоскости, отображаемой внутрь единичного круга Z-плоскости
3. соотношение между аналоговыми и цифровыми
частотами
принципиально нелинейно, т.е. шкала деформируется из (12.7) при
и
,
поскольку рассматривается только частотная ось и единичная окружность, можно
получить (см. н/о)
, (12.10)
(12.11)
Полученной нелинейностью преображать нельзя, поэтому в процессе синтеза фильтра необходимо пересчитывать частоты из цифровой области в аналоговую и наоборот. При этом восстановление цифровых частот происходит автоматически, поскольку оно заложено в формуле (12.9).
4. В цифровой области сохраняются свойства оптимальности АЧХ аналогового прототипа вследствие однозначности отображения частотной оси в единичную окружность, что исключает эффект наложения, характерный для метода интервальности импульсной характеристики.
5. Порядок цифрового фильтра равен порядку аналогового
прототипа, т.е. количество их полюсов одинаково. Количество нулей ЦФ совпадает
с количеством нулей прототипа, учитывая и нуль прототипа по бесконечности .
Пример
Передаточная функция прототипа.
имеет
полюс и нуль
. Для
получения H(Z) произведем в G(p) замену
(12.8)
Видно, что H(Z) имеет один ожидаемый полюс
Согласно формуле (12.8) и появился один вещественный
нуль , соответствующий нулю
, поскольку при билинейном преобразовании
отображается в точку Z=-1.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.