Рабочая область главного окна плагина проектирования и аналза цифровых фильтров

Область настройки параметров фильтра содержит следующие поля с элементами управления: метод проектирования фильтра, порядок фильтра, спецификация частоты, спецификация амплитуды, опции, спецификация фильтра.

Поле «Метод проектирования фильтра» (рисунок 1) позволяет выбрать тип проектируемого цифрового фильтра с помощью кнопок «БИХ» и «КИХ»; также тип фильтра меняется при выборе метода проектирования из выпадающего списка напротив соответствующих кнопок. Для БИХ-фильтров доступны следующие методы проектирования:
  • Баттерворта;
  • Чебышёва (1-го типа);
  • Чебышёва (2-го типа);
  • Эллиптический.
Методы для КИХ-фильтров:
  • Равноволновый (Метод Паркса – Мак-Клеллана);
  • Оконный.
На рисунке 1 показано поле выбора метода проектирования фильтров: БИХ(1, а) и КИХ(1, б).

Рисунок 1. Рисунок 1 - Методы проектирования: а) БИХ и б) КИХ фильтров

В поле «Параметры фильтра», изображенном на рисунке 2, имеется форма ввода, в которую можно ввести фиксированное значение порядка рассчитываемого фильтра. Также в данном поле имеется галочка активации расчёта БИХ-фильтра с использованием секций второго порядка (англ. Second Order Section, SOS) [1].

Рисунок 2. Рисунок 2 - Поле ввода порядка фильтра

Поле «Спецификация частоты», показанное на рисунке 3, позволяет настраивать единицы измерения частоты, тип фильтра, а также задать для фильтра требуемые граничные частоты и частоту дискретизации.

Рисунок 3. Рисунок 3 - Поле спецификации частоты: а) единицы измерения, б) тип фильтра, в) поля ввода частоты

С помощью выпадающего списка «Единицы измерения» можно задать требуемую единицу измерения частоты:
  • нормированная;
  • Гц;
  • кГц;
  • МГц;
  • ГГц.
Выпадающий список «Тип фильтра» позволяет выбрать необходимый тип частотной избирательности фильтра:
  • НЧ;
  • ВЧ;
  • полосовой;
  • режекторный.
В зависимости от типа частотной избирательности фильтра, а также единиц измерения частоты, меняется количество форм ввода граничных частот среза и меняется доступность формы ввода частоты дискретизации фильтра (рисунок 3(в)).

Поле «Спецификация амплитуды» (рисунок 4) содержит формы ввода уровней подавления или же ввода весовых коэффициентов частот среза. Доступность тех или иных форм ввода так же, как и для спецификации частоты, определяется типом и методом проектирования фильтра, параметром частотной избирательности и единицей измерения частоты. В данном поле могут существовать следующие формы ввода параметров: Aпроп – уровень неравномерности АЧХ в полосе пропускания, Аподавл – уровень подавления в зоне непрозрачности, Wпроп – относительное значение весовой функции, отвечающей за допустимую неравномерность АЧХ в полосе пропускания,

Wподавл – относительное значение весовой функции, отвечающей за допустимый уровень подавления АЧХ в зоне непрозрачности.

Рисунок 4. Рисунок 4 - Поле спецификации амплитуды

В поле «Опции» в зависимости от комбинации описанных выше параметров появляются дополнительные формы настройки расчёта фильтра.

При выборе равноволнового метода проектирования КИХ-фильтра в поле «Опции» станет доступен параметр «Коэф. плотности» (коэффициент плотности), показанный на рисунке 5.

Рисунок 5. Рисунок 5 - Коэффициент плотности в поле «Опции»

Коэффициент плотности определяет плотность частотной сетки, по которой оптимизация метода проектирования оценивает функцию отклика фильтра. При увеличении этого значения создается фильтр, который более точно приближается к идеальному фильтру с равными частотами, но увеличивает время, необходимое для проектирования фильтра. В данной версии приложения это значение неизменяемое и равно 16.

При выборе оконного метода проектирования КИХ-фильтра в поле «Опции» станет доступен параметр «Оконные функции» (рисунок 6), в котором можно выбрать желаемую оконную функцию:
  • Прямоугольная;
  • Треугольная;
  • Хэмминга;
  • Хеннинга (Ханна);
  • Блэкмана;
  • Чебышёва;
  • Кайзера;
Также для оконного метода проектирования в данном поле появляется галочка активации «Нормировки» (рисунок 6), сам процесс которой представляет собой масштабирование АЧХ фильтра так, чтобы центр первой полосы пропускания имел единичную амплитуду после оконной обработки.

Рисунок 6. Рисунок 6 - Оконные функции и нормировка в поле «Опции»

Для оконной функции Чебышёва (рисунок 7(а)) в поле «Опции» становится доступна форма ввода коэффициента α – величина в дБ бокового лепестка АЧХ ниже главного лепестка, а для оконной функции Кайзера (рисунок 7(б)) – форма ввода коэффициента β – уровень затухания боковых лепестков. Более высокое значение расширяет основной лепесток и уменьшает амплитуду бокового лепестка.

Рисунок 7. Рисунок 7 - Дополнительные опции для: а) окна Чебышёва б) окна Кайзера

Часть панели с настройками фильтра занимает спецификация рассчитываемого фильтра, меняющаяся в зависимости от изменения параметров, описанных выше. Пример отображения спецификации фильтра приведен на рисунке 8.

Рисунок 8. Рисунок 8 - Оконные функции и нормировка в поле «Опции»

Между областью настройки параметров и отображения спецификаций расположена кнопка «Расчёт» (рисунок 9), нажатие на которую спроектирует фильтр на основании заданных параметров и разблокирует возможность использовать доступные кнопки отображения характеристик, находящиеся на панели инструментов.

Рисунок 9. Рисунок 9 - Кнопка "Расчет"

После завершения процедуры расчета на графики в правой части будут выведены характеристики получившегося фильтра для анализа. По умолчанию на графиках в правой части главного окна плагина отображаются АЧХ, импульсная характеристика и карта нулей и полюсов фильтра.

Список источников

  1. Витязев В.В. Цифровые цепи и сигналы: учеб. пособие / Рязан. гос. радиотехн. ун-т; сост. В.В. Витязев. Рязань, 2012. 136 с.