ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ İLETİŞİM LABORATUARI SAYISAL FİLTRELER

Transkript

1 SAYISAL FİLTRELER Deney Amacı Sayısal filtre tasarımının ve kullanılmasının öğrenilmesi. Kapsam Ayrık zamanlı bir sistem transfer fonksiyonunun elde edilmesi. Filtren frekans tepkes elde edilmesi. Direct Form-1 ve Direct Form-II ile filtre gerçekleştirilmesi. Sayısal filtre tasarımı. FIR ve IIR filtreler. 1. Giriş Girişi çıkışı ile ifade edilmektedir. ile gösterilen sayısal bir sistem aşağıdaki gibi bir fark denklemi (1) Yukarıda belirtilen sayısal sistem bir filtreyi de ifade edebilir. Herhangi bir girişe karşılık gelen çıkış değerleri; başlangıç koşullarının ( gibi) bilmesi durumunda denklem (1) yardımı ile elde edilebilir. Matlab taki filtic ve filter komutları yardımı ile sayısal bir filtren çıkışı elde edilebilir. Zi=filtic(B,A,Yi,Xi) y=filter(b,a,x,zi) (2) Yukarıdaki denklemlerde A=[1 a1 a2.an] ve B=[b0 b1 bm] dir. Deney1 𝑦 𝑛 4 0.5𝑦 𝑛 𝑦 𝑛 olan sistem girişi 0.8 𝑛 𝑢 𝑛 olduğunda çıkışının ilk 20 örneği Matlab yardımı ile bulup çizdiriz. a) Başlangıç koşullarını 𝑦 𝑦 0𝑥 alınız. b) Başlangıç koşullarını sıfır alınız. Başlangıç koşulları 0 kabul edilir ve denklem (1) Z dönüşümü alınırsa transfer fonksiyonu aşağıdaki gibi elde edilir. (3) Laplace dönüşümü ve Z dönüşümü arasındaki ; (T : örnekleme periyodu) dönüşüm kullanılarak sayısal bir sistem frekans tepkesi elde edilebilir. Bildiği gibi yakınsama bölgesi ekseni kapsayan bir sistem frekans tepkesi yazılarak bulunabilir. ( ) (4) 1

2 Denklem (4) teki nın 0 ile arasındaki değerleri iç yı elde etmek yeterlidir çünkü periyodiktir ve bir periyodu 0 ile arasındadır. nın 0 ile arasındaki değerleri dışında kalan değerleri zaten ADC de bulunan alçak geçiren süzgeç tarafından geçirilmeyecektir. Sayısal bir filtren genlik tepkesi db csden aşıdaki gibi elde edilir. ( ) 0 ( ) (5) Filtren radyan csden elde edilen frekans tepkesi dönüşümü ile Hz e çevrilebilir. Matlab ta bulunan freqz() komutu ile filtren frekans tepkesi elde edilebilir. Aşağıda freqz() komutunun kullanılışı gösterilmektedir. [h,w]=freqz(b,a,n) (6) Yukarıdaki denklemdeki N frekans tepkesi elde edilirken kaç tane nokta kullanılacağını belirtmektedir yani değerler adımlarla elde edilmektedir. Deney 2 a) 𝐻 𝑧 b) 𝐻 𝑧 c) 𝐻 𝑧 𝑧 𝑧.5 0.5𝑧.5𝑧.3 𝑧.5𝑧. 5 Transfer fonksiyonları yukarıda verilen filtreler genlik (db) ve faz tepkeleri Matlab ile çizdiriz. Sayısal bir filtre b ve a katsayılarının bilmesi durumunda gerçekleştirilebilir. Yani filtreyi sayısal olarak gerçekleştirebilmek iç b ve a katsayılarını bulmak gerekir. Katsayıları elde edilen bir sayısal filtre Direct Form-I, Direct Form-II, seri ve paralel olmak üzer 4 farklı şekilde gerçekleştirilebilir. Aşağıda bu elde etme yöntemlere ilişk blok şemalar gösterilmektedir. Şekil 2. Direct Form-I Şekil 1. Direct Form -II Not: 𝑤 𝑛 𝑎 𝑤 𝑛 Şekil 4. Seri Şekil 3. Paralel 2 𝑎𝑀 𝑤 𝑛 𝑀

3 Deney 3 Ses yüksek frekanslı bileşenleri diğerlere oranla daha zayıf olabilir. Ses kodlama gibi uygulamalarda bu frekansları gözden kaçırmamak amacı ile ön vurgulama filtresi kullanılır. Böyle bir ön vurgulama işlemi gerçekleştirebilecek basit bir sayısal filtren fark denklemi aşağıdaki gibidir. 𝑦 𝑛 𝛼 a) Matlabın freqz ve filter komutlarını kullanarak 𝛼, 𝑓𝑆 8000𝐻𝑧 alıp filtren genlik ve faz tepkesi frekansa göre çizdiriz. b) Matlabta bulunan load komutu ile daha önce kaydedilmiş ses.dat isimli dosyayı (load ses.dat) yükleyip bu dosyadaki sesi filtreden geçiriz. c) Filtrelenmiş ve filtrelenmemiş sesi zaman domende ve frekans domende çizdiriz. Frekans domende çizdirirken yatay eksen Hz, zaman domende ise sn olacaktır. Ayrıca frekans domene geçmek iç fft komutu kullanılacaktır. d) Elde ettiğiz spektrumları tek taraflı tayf biçimde çizdiriz. e) Bildiği gibi ayrık Fourier dönüşümü işlemde dönüşümü alınacak işaret dönüşümde kullanılan nokta adedden sonra ve önce periyodik bir biçimde devam ettiği varsayılmaktadır. Yani periyodik bir ayrık zamanlı işaret, 0 N-1 arasındaki değerler, 0.N-1 arasındaki örnek değerleri 1 diğerleri 0 olan bir darbe ile çarpıldığı varsayılmaktadır. Buna pencereleme denilmektedir. Bazı durumlarda kare darbe pencerelemesi yere üçgen, Hammg gibi başka pencereler kullanılması daha iyi sonuç vermektedir. Matlabtaki fft komutunun kullanımını yardım dosyasından araştırıp c ve d seçeneğdeki işlemleri farklı pencere fonksiyonları iç tekrarlayınız. Deney 4 Deney 3; a,b,c deki işlemleri transfer fonksiyonu aşağıda verilen filtre iç gerçekleştiriz. 𝐻 𝑧 𝑧 𝑧 𝑧 𝑧.69 4𝑧 𝑧 4 2. FIR Filtre Bir FIR filtres birim vuruş tepkesi sonlu sayıda örnek içerir ve aşağıdaki fark denklemi ile tanımlanır. (7) Denklem (7) n Z dönüşümü alındığında aşağıdaki ifade elde edilir. 3

4 (8) Aşağıda ideal alçak geçiren süzgec frekans tepkesi gösterilmektedir. Bildiği gibi transfer fonksiyonunda yazılırsa elde edilir. Şekil 5. İdeal alçak geçiren süzgec frekans tepkesi İdeal alçak geçiren filtren frekans tepkesi yukarıdaki şekilden de görüldüğü gibi 0 iç 1 diğer yerlerde 0 dır ( ). Burada Filtre tasarımında kullanılan Fourier dönüşümü yöntemden kısaca bahsedilecektir. Frekans tepkesi ( ) periyodik olduğundan (periyodu= ) yı Fourier serise açarsak ( ) ifadesi elde edilir. Şekil 6. Sayısal ideal alçak geçiren süzgec frekans tepkesi ( ) ifadesde dir. Fourier sersi katsayısı geçiren süzgec frekans karakteristiği kullanılırsa; olarak elde edilir. Sonuç olarak ideal alçak geçiren süzgeç iç ve biçimde elde edilir. İdeal alçak ( ) ; 0 (9) biçimde tasarlanmış olur. Daha önce bahsedildiği gibi FIR filtren vuruş tepkesi sonlu sayıda bileşen içerir. Dolayısı ile katsayılarının baskın olan M tanesi tasarımda kullanılmalıdır. Nedensel olmayan FIR filtre iç alınırsa; 0 (10) elde edilir. Filtren nedensel olması iç vuruş tepkesi M örnek kadar geciktirilir ve aşağıda transfer fonksiyonu verilen 2M+1 tap lık filtre elde edilir. ve 0 (11) 0 4

5 Anlatılan yöntemle yüksek geçiren, bant durduran, bant geçiren gibi diğer FIR filtre çeşitleri de tasarlanabilir. Ancak bu işlemler her defasında tekrarlanmasına gerek yoktur. İzlenecek olan adımlar belli olduğundan Matlab gibi programlarla filtre tasarımı gerçekleştirilebilir. Bu tasarım yöntemde Fourier serisi kullanımıştır ancak Fourier serisi süreksiz olan noktalarda (ideal filtredeki kesim frekansı) Gibbs olayından ötürü orijal işarete yakınsamamaktadır. Bu sorunun etkisi azaltmak iç pencere (wdow) fonksiyonu tasarımlarda kullanılabilir ( ). Öte yandan filtre tasarımında Fourier dönüşümü yöntemden farklı yöntemler de kullanılmaktadır. Filtre tasarımında kullanılabilecek yöntemlerden biri de frekansta örnekleme yöntemidir. Frekansta örnekleme yöntemde istenilen filtren frekans tepkesden faydalanarak filtre tasarlanmaktadır. Bu sebeple tasarımı daha esnektir. Nedensel bir FIR filtren birim vuruş tepkes 0 olduğunu varsayalım. Birim vuruş tepkesi e denk gelen ayrık Fourier dönüşümü katsayıları da 0 gösteriliyor olsun. Tasarılmak istenen bir filtren frekans tepkesi örneklendiğde elde edilmiş olacaktır. Ayrık ters Fourier dönüşümü ile filtre katsayıları aşağıdaki gibi elde edilebilir. 0 (12) Filtren tap sayısı ( ) ( ) (13) olarak alınırsa denklem (12) aşağıdaki gibi tekrar yazılabilir. { ( )} 0 (14) Yukarıdaki denklemde tasarılmak istenen filtren frekans tepkes örneklenmesi sonucu elde edilen örnek değerleri göstermektedir. Şekil 7. Tasarlanmak istenmek istenen filtren frekans tepkesi Şekil 8. Örneklenmiş frekans tepkesi 5

6 Şekil (8) den de görüldüğü gibi tasarlanmak istenen filtren frekans tepkesi aralıklarla alınan örneklerle elde edilmektedir. Filtre katsayılarının ilk yarısı elde edildikten sonrakiler olduğundan hesaplama yapmadan elde edilebilir. Deney 5 Parametreleri aşağıda verilen 5 taplık band geçiren bir filtreyi Matlab ın fdatool() filtre tasarlama aracını kullanarak tasarlayınız. Frekans ve faz tepkesi çizdiriz. Not: Dikdörtgen (rectangular) pencere kullanınız. Alt kesim frekansı=2khz Üst kesim frekansı=2.4khz Örnekleme frekansı=8khz Deney 6 Parametreleri aşağıda verilen 25 taplık alçak geçiren bir filtreyi Matlab ın fdatool() filtre tasarlama aracını kullanarak tasarlayınız. Frekans ve faz tepkesi çizdiriz. Not: Dikdörtgen (rectangular), ve Hammg pencere kullanınız. Kesim frekansı=2khz Örnekleme frekansı=8khz Tasarladığınız filtreden daha önce kaydedilmiş olan we.dat isimli ses dosyasını geçiriz. Ses dosyasının filtreden geçtikten sonra ve geçmeden önceki frekans tepkesi çizdiriz. Deney 7 Bir veri yakalama sistemde 500Hz lik süs dalgası kaydedilmiştir. Gürültülü olarak kaydedilen dalga aşağıda gösterilmektedir. 𝜋500𝑛.4 4 𝑣 𝑛 8000 Tasarlanacak bir alçak geçiren filtre ile gürültü azaltılmak istenmektedir. Zira istenen syal spektrumu 0-800Hz arasındadır. Buna göre kesim frekansı 900Hz olan 133taplık alçak geçiren filtreyi Hammg penceresi kullanarak tasarlayınız. İşaret ( filtrelenmiş ve filtrelenmemiş hali hem zaman hem frekans bölgesde çizdiriz. 3. IIR Filtre IIR filtren girişi ve çıkış arasındaki ilişki denklem (1) deki gibi transfer fonksiyonu da denklem (3) teki gibidir. IIR filtren birim vuruş tepkesi sonsuz sayıda bileşen içerir. Öte yandan IIR filtren transfer fonksiyonu, n paydası 1 olmadığından tasarımında kutuplar göz önüne alınmalı ve kararlı olabilmesi iç kutupların birim çember içde olması sağlanmalıdır. FIR filtreye göre daha az sayıda hesaplama gerektirir ancak FIR filtren kolay sağlayabildiği doğrusal fazı elde etmesi zordur. Bu sebeple IIR filtre daha az işlem ile gerçekleştirilebilecek bir filtreye ihtiyaç duyulduğunda ancak doğrusal fazın önemli olmadığı 6

7 durumlarda kullanılır. IIR filtre tasarımı adımlarından bahsedilmeyecektir. Konuyla ilgili daha ayrıntılı bilgi iç [1] e başvurulabilir. IIR filtre tasarlamak iç analog filtreleler transfer fonksiyonlarına dönüşüm uygulanabilir. Deney 8 Ses syali yukarıda gösterilen bir equalizer dan geçirilecektir. Equalizerda kullanılan band geçiren filtreler Butterworth filtren transfer fonksiyonundan elde edilen IIR filtrelerdir [1]. Bu filtrelere ilişk katsayılar aşağıda verilmektedir. B0=[ ]; A0=[ ]; B1=[ ]; A1=[ ]; B2=[ ]; A2=[ ]; B3=[ ]; A3=[ ]; B4=[ ]; A4=[ ]; B5=[ ]; A5=[ ]; B6=[ ]; A6=[ ]; 00𝜋𝑛 400𝜋𝑛 5000𝜋𝑛 𝜋 7 𝜋 4 800𝜋𝑛 𝜋 7 000𝜋𝑛 5𝜋 4 000𝜋𝑛 30000𝜋𝑛 3𝜋 4 3𝜋 7 Biçimde verilen bir test syali bu sistem girişe uygulanmaktadır. Filtreler kazançları 𝑔 0𝑔 0𝑔 0 𝑔3 0 𝑔4 0 𝑔5 0 𝑔6 0 dur. Laboratuarda mevcut olan ve yukarıdaki parametrelere göre çalışan programı çalıştırıp yapılan işlem sonuçlarını analiz ediz. Programda hangi fonksiyonun neden kullanıldığını belirtiz. 7

8 Deney 9 ECG syale karışan 60Hz lik şebeke gürültüsü ve bunun 120, 180Hzdeki harmonikleri eleme etmek iç aşağıdaki sistem kullanılabilir [1]. Şebeke gürültüsü elendikten sonra kalp atışlarını detekte edebilmek iç DC kayma ve kas etkileri de eleme edilmelidir. Bu amaçla da aşağıda gösterildiği gibi band geçiren süzgeç kullanılmaktadır. Band geçiren süzgeç FIR yada IIR olabilir. Laboratuarda mevcut olan ve yukarıdaki parametrelere göre çalışan programı çalıştırıp yapılan işlem sonuçlarını analiz ediz. Programda hangi fonksiyonun neden kullanıldığını belirtiz. 4. Hazırlık Soruları 1) Ayrık Fourier dönüşümü işlem nasıl yapıldığını gözden geçiriz. 2) Tek taraflı ve çift taraflı genlik spektrumunun elde edilişi gözden geçiriz. 3) Fark denklemden transfer fonksiyonunun elde edilişi ve transfer fonksiyonundan fark denklem elde edilişi gözden geçiriz. 4) Matlab taki fft komutunun kullanımını gözden geçiriz. 5) Alçak geçiren, yüksek geçiren, band geçiren ve band durduran süzgeçleri gözden geçiriz. 6) Deney föyünde bahsedilen matlab komutlarının kullanımını öğreniz. Not: Yukarıda istenenlerle ilgili bir hazırlık raporu getirilmesi gerekmektedir. 5. Raporda İstenenler 1) Tüm deneylerde elde edilen sonuçlara ilişk grafik ve yorumlar raporda bulunmalıdır. 2) Notch filtre hakkında bilgi verilmeli. 50Hz lik bir notch filtre tasarımı yapılmalı bu tasarıma ilişk parametre ve grafikler bulunmalıdır. 3) Deney 9 daki uygulamaya ilişk bir band geçiren filtre en uygun tap sayısı fdatool ile belirlenerek tasarlanmalı (hem FIR hem de IIR), ilgili tasarıma ilişk parametre ve grafikler raporda verilmelidir. 6. Kaynaklar 1. Tan, L., Digital Signal Processg Fund. and App., Academic Press,