Analog Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri

Transkript

1 Analog Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri Analog alçak geçiren bir filtrenin genlik yanıtı H a (jω) aşağıda gösterildiği gibi verilebilir. Ω p : Geçirme bandı kenar frekansı Ω s : Söndürme bandı kenar frekansı δ p : Geçirme bandı maksimum dalgalanması δ s : Söndürme bandı m aksimum dalgalanması Dalgalanmalar db cinsinden de verilebilir: Maksimum geçirme bandı dalgalanması: Minimum söndürme bandı zayıflatması:

2 Analog Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri 0 Ω Ω p frekans aralığı GEÇIRME BANDI olarak tanımlanır. Geçirme bandında H a (jω) 1 den δ p kadar sapabilir. Yani Ω s Ω frekans aralığı SÖNDÜRME BANDI olarak tanımlanır. Söndürme bandında H a (jω) 1 den δ s kadar sapabilir. Yani

3 Analog Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri Genlik karakteristikleri aşağıda gösterildiği gibi genliğin geçirme bandındaki maksimum değeri 1 olacak şekilde de verilebilir. Maksimum geçirme bandı sapması Maksimum södürme bandı genliği Genelde iki parametre daha tanımlanır: Geçiş oranı: Ayırtedicilik parametresi:

4 Butterworth Yaklaşıklığı N. dereceden analog Butterworth alçak geçiren filtresinin genlik yanıtının karesi aşağıdaki eşitlikle verilir: Ω = 0 da H a (jω) 2 nın ilk 2N 1 türevi sıfıra eşittir. db cinsinden KAZANÇ olarak verilir. Ω c 3 db KESİM FREKANSI olarak adlandırılır. Bu adlandırmanın nedeni Ω = Ω c de kazancın yaklaşık olarak 3dB olmasıdır:

5 Butterworth Yaklaşıklığı Ω c = 1 durumunda çeşitli N değerleri için Butterworth yaklaşıklığı ile elde edilen genlik yanıtları aşağıda verilmiştir:

6 Butterworth Yaklaşıklığı Butterworth alçak geçiren filtresini tanımlayan iki parametre derece N ve 3 db kesim frekansı Ω c dir. Bu parametreler, belirtilen kenar frekansları Ω p ve Ω s ile geçirme bandı minimum genliği ve maksimum södürme bandı dalgalanmasından aşağıdaki denklemler kullanılarak hesaplanabilir: İki denklem N için çözülürse bulunur.

7 Butterworth Yaklaşıklığı Derece tamsayı olduğundan, hesaplanan N değeri en yakın tamsayıya yuvarlanır. N değeri herhangi bir denklemde yerine konularak 3 db kesim frekansı Ω c belirlenir. Analog Butterworth alçak geçiren filtresinin transfer fonksiyonu şeklinde verilir. Denklemde olup payda polinomu D N (s) ye N. Dereceden Butterworth Polinomu denir.

8 Butterworth Yaklaşıklığı Örnek: 1 db kesim frekansı 1 khz de ve 5 khz deki zayıflatması 40 db olan en düşük dereceli Butterworth alçak geçiren belirleyiniz. Verilenlerden yazarız. İki denklemi çözerek buluruz. Derece hesabı için gerekli olan 1/k ve 1/k 1 parametreleri hesaplandığında elde edilir. O halde, derece olarak hesaplanıp tamsayı olmak zorunda olduğundan N = 4 seçeriz.

9 Chebyshev Yaklaşıklığı N. dereceden analog 1. tür Chebyshev alçak geçiren filtresinin genlik yanıtının karesi aşağıdaki eşitlikle verilir: Paydadaki T N (Ω) ye N. dereceden Chebyshev Polinomu denir ve eşitliğiyle tanımlanır.

10 Chebyshev Yaklaşıklığı Çeşitli N değerleri için 1. tür Chebyshev yaklaşıklığı ile elde edilen genlik yanıtları aşağıda verilmiştir:

11 Chebyshev Yaklaşıklığı Ω = Ω s de genlik 1/A olduğundan yazılabilir. Yukarıdaki denklem N için çözülürse bulunur. Filtrenin derecesi tamsayı olmak zorunda olduğundan, hesaplanan sayı en yakın tamsayıya yuvarlanır.

12 Chebyshev Yaklaşıklığı N. dereceden analog 2. tür Chebyshev alçak geçiren filtresinin genlik yanıtının karesi aşağıdaki eşitlikle verilir: Paydadaki T N (Ω) terimi N. dereceden Chebyshev polinomudur. 1. tür Chebyshev yaklaşıklığında olduğu gibi, 2. tür Chebyshev alçak geçiren filtresinin derecesi eşitliği kullanılarak hesaplanan sayı en yakın tamsayıya yuvarlanarak belirlenir.

13 Chebyshev Yaklaşıklığı Çeşitli N değerleri için 2. tür Chebyshev yaklaşıklığı ile elde edilen genlik yanıtları aşağıda verilmiştir:

14 Chebyshev Yaklaşıklığı Örnek: 1 db kesim frekansı 1 khz de ve 5 khz deki zayıflatması 40 db olan Chebyshev alçak geçiren filtrenin en küçük derecesini belirleyelim. Verilen değerlerden derece olarak hesaplanır. Sonuç yuvarlanırsa N = 3 olur.

15 Elliptik Yaklaşıklığı N. dereceden analog Elliptik alçak geçiren filtresinin genlik yanıtının karesi aşağıdaki eşitlikle verilir: Paydadaki R N (Ω) terimi, R N (1/Ω) = 1/ R N (Ω) eşitliğini sağlayan N. dereceden rasyonel bir fonksiyonudur. R N (Ω) nın sıfırları 0 < Ω < 1 aralığında, kutupları ise 1 < Ω < aralığındadır. Filtrenin derecesi aşağıdaki denklemler kullanılarak hesaplanır:

16 Elliptik Yaklaşıklığı Örnek: 1 db kesim frekansı 1 khz de ve 5 khz deki zayıflatması 40 db olan elliptik alçak geçiren filtrenin en küçük derecesini belirleyelim. k = 0.2 ve 1/k 1 = olarak bulunmuştu. Bu değerleri derece formülünde yerine koyarsak buluruz. Sonuç olarak derece N= olarak hesaplanır N = 3 seçilir.

17 Elliptik Yaklaşıklık Ω p = 1 durumunda çeşitli N değerleri için elliptik yaklaşık ile elde edilen genlik yanıtları aşağıda verilmiştir:

18 MATLAB Kullanılarak Analog Alçak Geçiren Filtre Tasarımı Örnek: 1 db kesim frekansı 1 khz de ve 5 khz deki zayıflatması 40 db olan elliptik alçak geçiren filtreyi MATLAB kullanarak tasarlayalım. Gerekli komutlar şeklindedir. Komutlar yazılırken Wp = 2π1000, Ws = 2π5000, Rp = 1, Rs = 40 girilirse kazanç grafiği aşağıda verilen filtre tasarlanmış olur.

19 Analog Yüksek Geçiren, Band Geçiren ve Band Söndüren Filtre Tasarımı Adım 1: Uygun bir frekans dönüşümü kullanılarak gerekli filtre transfer fonksiyonu H D (s) prototip bir alçak geçiren transfer fonksiyonu H LP (s) e dönüştürülür. Adım 2: Prototip alçak geçiren filtre tasarlanır. Adım 3: Gerekli filtre transfer fonksiyonu H D (s), H LP (s) ye frekans dönüşümünün tersi uygulanarak elde edilir. Prototip alçak geçiren transfer fonksiyonu H LP (s) nin Laplace dönüşüm değişkeni s, gerekli filtre transfer fonksiyonu H D (ŝ) ninki ise ŝ ile belirtilsin. s uazyından ŝ uzayına dönüşüm tersi mevcut olan s F ŝ fonksiyonu ile verilir. O halde,

20 Analog Yüksek Geçiren Filtre Tasarımı Gerekli spektral dönüşüm: H LP (s) in geçirme bandı kenar frekansı Ω p ve H HP (ŝ) in geçirme bandı kenar frekansı Ω p^ omak üzere ile verilir. s = j, ŝ jŵ yazılarak frekanslar arasındaki ilişki olur. Frekans dönüşümü aşağıda grafiksel olarak gösterilmiştir. alçak geçiren yüksek geçiren

21 Analog Yüksek Geçiren Filtre Tasarımı Örnek: Aşağıdaki karakteristiklere sahip bir analog Butterworth yüksek geçiren filtre tasarlayalım: ŵ p 4 khz, ŵ s 1 khz, α p 0.1 db, α s 40 db. Ω p = 1 seçelim. O halde, prototip alçak geçiren filtrenin karakteristikleri şöyledir: Ω p = 1, Ω s = 4, α p 0.1 db, α s 40 db. Aşağıda MATLAB komutları ve prototip alçak geçiren filtre ile gerekli yüksek geçiren filtrenin kazançları çizilmiştir.

22 Analog Band Geçiren Filtre Tasarımı Gerekli spektral dönüşüm: H LP (s) in geçirme bandı kenar frekansı Ω p ve H BP (ŝ) in geçirme bandı kenar frekansları Ω p1^ ve Ω p2^ olmak üzere ile verilir. s = j, ŝ jŵ yazılarak frekanslar arasındaki ilişki olur. B w bandgeçiren filtrenin geçirme bandı genişliği, Ω 0^ ise geçirme bandı merkez frekansıdır. Frekans dönüşümü aşağıda grafiksel olarak gösterilmiştir. alçak geçiren alçak geçiren band geçiren

23 Analog Band Geçiren Filtre Tasarımı Aşağıda verilen koşul sağlanmalıdır: Bu koşul sağlanmıyorsa, koşul sağlanacak şekilde frekanslardan birisi değiştirilmelidir. İki durumla karşılaşmak mümkündür: Durum 1: Durum 2: Her iki durumda eşitliğin nasıl sağlanabileceği aşağıda tartışılmıştır.

24 Analog Band Geçiren Filtre Tasarımı Durum 1: Aşağıda gösterildiği gibi söndürme bandı kenar frekanslarından birisi arttırılabilir, veya geçirme bandı kenar frekanslarından birisi azaltılabilir. Örneğin, Ω p1^, değerine düşürülebilir. Bu durumda, geçirme bandı genişleyecek ve soldaki geçiş bandı daralacaktır. Benzer şekilde, Ω s1^, değerine yükseltilebilir. Bu kez, geçirmebandı genişliği değişmezken soldaki geçiş bandı daralacaktır. Not: Eşitlik koşulu Ω p2^ azaltılarak veya Ω s2^ arttırılarak da sağlanabilir. Birinci durumda, gerekli geçirme bandı genişliği, ikinci durumda ise gerekli söndürme bandı genişliği daralacağından iki çözüm de geçerli değildir.

25 Analog Band Geçiren Filtre Tasarımı Durum 2: Aşağıda gösterildiği gibi söndürme bandı kenar frekanslarından birisi azaltılabilir, veya geçirme bandı kenar frekanslarından birisi arttırılabilir. Örneğin, Ω p2^, değerine yükseltilebilir. Bu durumda, geçirme bandı genişleyecek ve sağdaki geçiş bandı daralacaktır. Benzer şekilde, Ω s2^, değerine azaltılabilir. Bu kez, geçirmebandı genişliği değişmezken sağdaki geçiş bandı daralacaktır. Not: Eşitlik koşulu Ω p1^ arttırılarak veya Ω s1^ azaltılarak da sağlanabilir. Birinci durumda, gerekli geçirme bandı genişliği, ikinci durumda ise gerekli söndürme bandı genişliği daralacağından iki çözüm de geçerli değildir.

26 Analog Band Geçiren Filtre Tasarımı Örnek: Karakteristikleri aşağıda verilen analog bir elliptik band geçiren filtre tasarlayalım. ŵ p1 4 khz, ŵ p2 7 khz, ŵ s1 3 khz, ŵ s2 8 khz α p 1 db, α s 22 db. ŵ p1 ŵ p2 28x10 6, ŵ s1 ŵ s2 24x10 6, ŵ p1 ŵ p2 ŵ s1 ŵ s2 olduğundan ŵ p1 frekansı ŵ p1 ŵ s1 ŵ s2 / ŵ p khz değerine düşürülür. Prototip alçak geçiren filtre için Ω p = 1 seçelim. Frekans dönüşüm formülünden söndürme bandı kenar frekansı olarak hesaplanır. O halde, prototip alçak geçiren filtrenin karakteristikleri şöyledir: Ω p = 1, Ω s = 1.4, α p 1 db, α s 22 db.

27 Analog Band Geçiren Filtre Tasarımı Gerekli MATLAB kodları ve elde edilen eğriler aşağıda verilmiştir.

28 Analog Band Söndüren Filtre Tasarımı Gerekli spektral dönüşüm: H LP (s) in södürme bandı kenar frekansı Ω s ve H BP (ŝ) in söndürme bandı kenar frekansları Ω s1^ ve Ω s2^ olmak üzere ile verilir. s = j, ŝ jŵ yazılarak frekanslar arasındaki ilişki B w bandsöndüren filtrenin söndürme bandı genişliği, Ω 0^ ise södürme bandı merkez frekansıdır. Frekans dönüşümü aşağıda grafiksel olarak gösterilmiştir. Alçak geçiren Band söndüren

29 Analog Band Söndüren Filtre Tasarımı Aşağıda verilen koşul sağlanmalıdır: Bu koşul sağlanmıyorsa, koşul sağlanacak şekilde frekanslardan birisi değiştirilmelidir. İki durumla karşılaşmak mümkündür: Durum 1: Durum 2: Her iki durumda eşitliğin nasıl sağlanabileceği aşağıda tartışılmıştır.

30 Analog Band Söndüren Filtre Tasarımı Durum 1: Aşağıda gösterildiği gibi söndürme bandı kenar frekanslarından birisi arttırılabilir, veya geçirme bandı kenar frekanslarından birisi azaltılabilir. Örneğin, Ω p2^, değerine düşürülebilir. Bu durumda, geçirme bandı genişleyecek ve sğdaki geçiş bandı daralacaktır. Benzer şekilde, Ω s2^, değerine yükseltilebilir. Bu kez, geçirmebandı genişliği değişmezken sağdaki geçiş bandı daralacaktır. Not: Eşitlik koşulu Ω p1^ azaltılarak veya Ω s1^ arttırılarak da sağlanabilir. Birinci durumda, gerekli geçirme bandı genişliği, ikinci durumda ise gerekli söndürme bandı genişliği daralacağından iki çözüm de geçerli değildir.

31 Analog Band Söndüren Filtre Tasarımı Durum 2: Aşağıda gösterildiği gibi söndürme bandı kenar frekanslarından birisi azaltılabilir, veya geçirme bandı kenar frekanslarından birisi arttırılabilir. Örneğin, Ω p1^, değerine yükseltilebilir. Bu durumda, geçirme bandı genişleyecek ve soldaki geçiş bandı daralacaktır. Benzer şekilde, Ω s1^, değerine azaltılabilir. Bu kez, geçirmebandı genişliği değişmezken soldaki geçiş bandı daralacaktır. Not: Eşitlik koşulu Ω p2^ arttırılarak veya Ω s2^ azaltılarak da sağlanabilir. Birinci durumda, gerekli geçirme bandı genişliği, ikinci durumda ise gerekli söndürme bandı genişliği daralacağından iki çözüm de geçerli değildir.