СРАВНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ И АНАЛОГОВЫХ ФИЛЬТРОВ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 62

А.А. Ожиганов

СРАВНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ И АНАЛОГОВЫХ ФИЛЬТРОВ

Статья посвящена фильтрации сигнала, причине необходимости создания фильтров и сфере их применения. Рассматриваются преимущества и недостатки цифровых и аналоговых фильтров.

Ключевые слова: фильтрация, сигнал, аналоговый фильтр, цифровой фильтр.

С появлением радио, затем телевидения, различного вида телефонной и радиосвязи, интернет соединений возникла необходимость получения четкого сигнала при его передаче от передаточного устройства к приемнику, а нередко и получения обратного сигнала. Для этого понадобилась некое устройство, программное обеспечение, осуществляющие сглаживание сигнала, очищает его от помех. Такое устройство или программа называется фильтром, а принцип его работы - фильтрацией.

Фильтрация - это такое преобразование сигнала, которое сохраняет его полезные особенности, а нежелательные - подавляются. Фильтр - это динамическая система, имеющая определенные динамические свойства.

Фильтры решают следующие задачи:

1) подавляют шумы;

2) устраняют искажение сигнала, которое возникает при несовершенстве канала передачи или погрешности измерения;

3) разделяют различные сигналы, присутствующие в канале связи, смешанные для его максимального использования;

4) они осуществляют разложение сигналов на частотные составляющие;

5) производят сигнальную демодуляцию;

6) осуществляют дискретизацию аналогового сигнала;

7) ограничивают частотные полосы, занимаемые сигналами.

Фильтрацию можно представить в форме процесса изменения в сигнале спектра частот в нужном направлении. Данный процесс усиливает или ослабляет частотные составляющие, подавляет или выделяет их.

На практике фильтрация процессов базируется на следующем принципиальном допущении: спектры полезного сигнала и сигнала помехи не перекрываются.

Фильтр выделяет полосу частот, которые пропускают или усиливают сигнал, называют полосой пропускания, а также полосу частот, подавляющих или ослабляющих сигнал, называется полосой задерживания. Те частоты, которые лежат на границе этих полос называется граничными частотами.

Фильтры, широко применяющиеся при обработке данных и сигналов, называются базовыми. К ним относятся фильтры нижних частот, верхних частот, полосовые фильтры и заграждающие.

Также выделяют аналоговые и цифровые фильтры.

К аналоговым фильтрам относятся фильтры обрабатывающие аналоговый (непрерывный) сигнал -напряжение, звук, механическое движение.

Применение аналоговых фильтров происходит в электронике. Они производят антиалиасинговую обработку выводимого изображения, выборку радиостанций в радиоприемниках, разделение звукового сигнала на басы, твитер и др.

Аналоговые фильтры существуют в форме механических устройств осуществляющих фильтрацию механических вибраций или акустических волн, а также в форме пассивных RLC-цепочек или кристальных фильтров, использующих для узкополосной фильтрации сигналов. В последних механическая акустическая волна с помощью преобразователя превращается в электрический сигнал на выходе используемого кристалла.

Цифровые фильтры в отличие от аналоговых обрабатывают не непрерывный сигнал, а дескрети-зированный (цифровой). Цифровые фильтры представлены в форме программного и апппаратного обеспечения вычислительных машин. Они используются для спектрального анализа, обработки изображений, видео, речи и звука и др.

Цифровые фильтры делятся на КИХ-фильтры и БИХ-фильтры.

© Ожиганов А.А., 2017.

ISSN 2223-4047

Вестник магистратуры. 2017. № 12-1(75)

Первый вид фильтра - фильтр с конечной импульсной характеристикой, импульсная характеристика которого ограничена временным отрезком, по окончанию которого импульс становится равным нулю. Передаточная функция такого фильтра - константа.

БИХ-фильтры имеют бесконечную импульсную характеристику, имеющие обратную связь, так как часть его выходов используется как входы.

Передаточная функция БИХ-фильтров имеет дробно-рациональный вид. В отличие от КИХ-фильтров, БИХ-фильтры обрабатывают и аналоговый сигнал.

Как уже упоминалось выше, цифровые фильтры реализованы в виде аппаратных фильтров - элементов интегральных схем, программируемых логических интегральных схем и в виде программных фильтров - программ выполняемых процессором ЭВМ.

Программные фильтры легче реализовать, чем аппаратные и их реализация стоит намного дешевле. Аппаратные фильтры более быстродейственны.

Сравним аналоговых и цифровых фильтров. Данные внесем в таблицу 1.

Таблица 1

Сравнение аналоговых и цифровых фильтров_

Аналоговые фильтры Цифровые фильтры

меньшая точность и большие допуски высокая точность

нелинейная фаза линейная фаза (КИХ-фильтры)

дрейф характеристик из-за погрешности компонентов отсутствие дрейфа характеристик, вызванного погрешностью компонентов

сложно реализовать адаптивные фильтры гибкость, возможность адаптивной фильтрации

сложно моделировать и проектировать простота моделирования и разработки

аналоговые фильтры требуются на высоких частотах и для защиты от наложения спектров вычисления должны быть произведены раньше, чем будет сделана следующая выборка. Это ограничивает быстродействие в режиме реального времени

не требуется процессорная поддержка или обработка требуется быстродействующий процессор

Рассмотрим преимущества цифровых и аналоговых фильтров.

Преимущества цифровых фильтров:

- Настройка цифровых фильтров осуществляется программным обеспечением. С помощью ПО фильтры легко интегрировать и тестировать.

- Реализация цифровых фильтров осуществляется с помощью простых арифметических операций (сложения, вычитания, умножения).

- На работу фильтров не влияет внешняя среда, например температура или влажности.

- Оптимальное сочетание характеристик и стоимости.

- Цифровые фильтры лишены таких проблем, как физическое старение механических компонентов (ПО можно установить на более современный ПК), и производственные отклонением характеристик от заводских.

Преимущества аналоговых фильтров:

- У аналоговых фильтров присутствует фильтр защиты от наложения спектров на входе аналого-цифрового преобразователя.

- Аналоговые фильтры работают быстрее цифровых.

- У аналоговых фильтров отсутствует шум квантования.

- Аналоговые фильтры имеют более высокий динамический диапазон чем цифровые.

- Не имеют ограничения частотой Найквиста в отличие от цифровых.

Таким образом, у каждого типа фильтров есть свои минусы и недостатки. Использование цифровых или аналоговых фильтров зависит от цели их использования: в ряде случаев аналоговые фильтры, благодаря своим преимуществам удовлетворяют требования пользователей, в других же уместно применить цифровые. Выбор всегда остается за потребителем или специалистом.

Библиографический список

1. Корпоративный портал Томского политехнического университета / Аналоговые фильтры [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://portal.tpu.rU/SHARED/v/VOS/studv/disc1/Tab/tema06.pdf, свободный. Загл. с экрана. -Яз. рус., англ.

2. Сайт «Электронные компоненты / Какой фильтр выбрать, цифровой или аналоговый? [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.elcomdesign.ru/reviews/reviews 151 .html, свободный. Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

3.Сайт Википедия / Аналоговый фильтр [Электронный ресурс]. - Режим доступа: ttps://ru.wikipedia.org/wiki/Аналоговый_фильтр, свободный. Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

4. Сайт Википедия / Цифровой фильтр [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Цифровой_фильтp, свободный. Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

5. Сайт Института новых информационных технологий / Цифровые фильтры [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.initkms.rU/umk/etf/d/tsifrovyie й1Ьу kester.pdf, свободный. Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.

ОЖИГАНОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - магистрант, Поволжский государственный технологический университет, Россия.