Transcript Partie 3.2
3-3 Calcul des filtres RII • Méthodologies de calcul des filtres RII y(n) b(0) x(n) b(1) x(n 1) b(Q) x(n Q) a (1) y(n 1) a ( P) y(n P) Y ( z) b(0) b(1) z 1 b(Q) z Q G( z) X ( z) 1 a (1) z 1 a ( P) z P Q b(0) (1 z z 1 i i 1 P (1 p z i i 1 ) 1 ) Ressemblance avec les filtres analogiques (Equation différentielle et fonction de transfert) Filtres analogiques Filtres numériques RII Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 113 Filtres de Butterworth 2 H() 1 1 2n H().H() Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 114 Filtres de Chebyshev Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 115 Calcul des filtres RII • Différentes approches de la synthèse des filtres numériques RII Plan des z Plan des p Spécifications sur le cercle unité Spécifications sur l'axe imaginaire Approximation Fonction de transfert g(z) Fonction de transfert G(p) Synthèse Filtre discret Filtre analogique 1) Approximation dans le plan des z et synthèse du filtre discret Méthodes d’optimisation par ordinateur (Decsky, Remez...) Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 116 Calcul des filtres RII 2) Approximation dans le plan de Laplace et synthèse du filtre discret G(p) G(z) ! Réponse en fréquence conforme au gabarit initial Problèmes de repliement de spectre dû à l’échantillonnage Filtre numérique stable Méthodes • transformation bilinéaire • invariant impulsionnel • équivalence de la dérivation ou de l'intégration Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 117 Calcul des filtres RII 3) Approximation et synthèse dans le domaine analogique Transformation du circuit analogique en un filtre numérique par simulation des éléments (L,C) Filtre d’ondes 4) Autres méthodes Transposition passe-bas passe-bas passe-haut passe-bande coupe-bande Exemple: Passe-bas passe-haut 1 cos( ( f pb f ph )) z 1 z 1 avec 1 z cos( ( f pb f ph )) Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 118 Synthése des filtres RII par transformation bilinéaire • Transformation du plan de Laplace (H(p)) vers le plan des Z (H(z)) Im(z) Im(s) 6Fe 4Fe f=0 f=1 2Fe 0 Re(s) 1 -2Fe Re(z) -4Fe -6Fe Plan des Z Plan de Laplace • Préserver la réponse en fréquence • Préserver la stabilité du filtre • Eviter les problèmes de repliement de spectre Pas de solution idéale Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 119 Transformation bilinéaire • H(p) H(z) 1 1 z pK 1 z 1 p 1 K z p 1 K •p=0 z=1 • p = j = jK tan(f/2) z = exp(jf) Axe imaginaire du plan de Laplace cercle unité dans le plan des Z •p=j z = -1 Axe imaginaire complet 1 tour du cercle unité • p= - K z=0 •p=K z= • Reel(p) < 0 |z|<1 Partie gauche du plan de Laplace Intérieur du cercle unité Stabilité du filtre préservée Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 120 Transformation bilinéaire • p = ja = jK tan(f/2) f=Fe=1/2T d=/T f z = exp(jf) f f=0 d0 f0 f=Fe=1/T d=2/T f2 d f / Pulsation «discréte» T a K tan(d ) Pulsation analogique 2 2 a d arctan( ) T K Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 121 Transformation bilinéaire • On choisit généralement K=2/T pour avoir d a (artan(x) x) si d<< 2/T (pulsation d’échantillonnage) • Equations de la transformation bilinéaire 2 1 z 1 p T 1 z 1 2 T a tan(d ) T 2 2 Ta d arctan( ) T 2 Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 122 Transformation bilinéaire • Passage de la pulsation analogique à la pulsation numérique d a Déformation de l’axe des fréquences Correction avant calcul du filtre analogique Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 123 Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 124 Application • Calcul d’un filtre numérique passe-bas Atténuation en dB 40 3 2 15 Fréquence (kHz) Choix de la fréquence d’échantillonnage Fe=50 kHz, T= 2 10-5s Objectif: trouver H(p) filtre analogique tel que après transformation bilinéaire, la réponse en fréquence de H(z) respecte le gabarit. Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 125 Application • Comme la transformation bilinéaire déforme l’axe des fréquences il faut pré-déformer le gabarit 2 T a tan(d ) T 2 pour fd = 2 kHz et 15 kHz, avec d=2 fd on trouve fa = 2,0106 kHz et 21,906 kHz Nouveau gabarit «analogique» Atténuation en dB 40 3 2,0106 21,906 Fréquence (kHz) Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 126 Application • • • • Abaques Butterworth ordre 2 Matlab (par exemple) Calcul 1 décade 40 dB : ordre 2 } 1 H ( s) 1 2 s s2 s : variable de Laplace normalisée p/0 • Réponse en fréquence pour s = jW 0.1 10 W 1 -3dB -40 dB 20 log10( |H(jW)| ) Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 127 Application • Sur le gabarit initial, à 3dB 0= 2 2010,6 = 12633 rd/s Dénormalisation H(s) avec s = p/0 1 H ( p) 1 112 , 104 p 6,27 109 p ² Application de la transformation bilinéaire 2 1 z 1 p T 1 z 1 T = 1/Fe = 2 10-5s (1 z 1 )² H ( z) 0,01596 1195 , 1,968z 1 0,8373z 2 Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 128 Application (1 z 1 )² H ( z) 74,87 123,3z 1 52,46z 2 (1 z 1 )² H ( z) 0,01336 1 1,647 z 1 0,7007 z 2 • Réponse en fréquence de H(z) z = exp(j2f/Fe), tracé de H(j2f/Fe) dB Fe Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 129 Application Tracé en échelle log Fe/2 Module -40db/dec Phase Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 130 Fonctions du 2nd ordre et transformation bilinéaire • Fonction normalisée d’ordre 2 analogique – Q: facteur de surtension 1 H ( p) – Pulsation de résonance s 1 s2 Q • transformation bilinéaire 1 2 z 1 z 2 H ( z) 4 2 8 1 4 2 2 (1 2 ) (2 2 ) z (1 2 )z T QT T T QT Pour éviter la déformation de la transformation bilinéaire: T<<1 ! 1 2 z 1 z 2 H ( z) 4 2 8 1 4 2 2 ( 2 ) ( 2 )z ( 2 )z T QT T T QT T2 4 1 2 z 1 z 2 T T 2 1 (1 ) 2 z (1 )z 2Q 2Q Pôle z = 1 Instable Problème de la précision de codage des coefficients Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 131 Fonctions du 2nd ordre et transformation bilinéaire • Exemple Q=1 1 H ( s) 1 s s2 T=0.01 Calcul exact 1 2 z 1 z 2 H ( z) 40201 79998z 1 39801z 2 Calcul approché : Filtre instable 1 2 z 1 z 2 H ( z) 40200 80000z 1 39800z 2 0,0025% d’erreur sur les coefficients = instable ! Codage des coefficients sur plus de 16 bits Traitement du Sigal - 3TC Transparents C. Odet, Prof. GE 132