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제 8장 무한 임펄스 응답 필터 설계 1. 서론 무한 임펄스 응답 디지털 필터의 설계 – 아날로그 필터 설계를 바탕으로 원하는 특징을 가지는 디지털 필터로의 변환 • 임펄스 응답불변(impulse invariant) 변환 • 양선형(bilinear) z 변환 2/53 2. IIR 필터의 기본특성 IIR 디지털 필터 y ( n) h( k ) x (n k ) k 0 N M ak x(n k ) bk y (n k ) k 0 (8-1) k 1 여기서 h(k ) 는 필터의 임펄스응답이며, ak 와 bk 는 필터의 계수들이다. – IIR 필터의 전달함수 a0 a1 z 1 a2 z 2 aN z N H ( z) 1 b1 z 1 b2 z 2 bM z M N a z k 0 M k k 1 bk z k 1 (8-2) k 3/53 – 인수분해 형식의 IIR 필터 전달함수 H ( z) 여기서 z1 , z2 , K ( z z1 )( z z2 ) ( z z N ) ( z p1 )( z p2 ) ( z pM ) , zN 은 영점들을, p1 , p2 , (8-3) , pN 은 극점들은 나타내고, K 는 상수이다. – IIR 필터의 특성 • 필터의 현재의 출력인 y (n) 은 과거의 출력들인 y(n k ) 과 현재 및 과거의 입력들인 x(n k ) 의 합으로 표현 – FIR에 비해 적은 계수들을 가지고도 급격한 차단특성을 지님 • 시스템의 불안정성을 초래 – 설계 과정에서 안정도 판별 필요 4/53 3. 아날로그 필터를 이용한 IIR 필터 설계 IIR 디지털 필터의 설계 – 임펄스 응답불변 변환 • 디지털 필터의 임펄스 응답이 표본점에서 아날로그 필터의 응답 과 같은 값을 가짐 그림 8-1. 임펄스 응답 불변변환 방법 5/53 – 양선형 z 변환 • s 평면에 있는 아날로그 영점과 극점들을 z 평면의 디지털 영점과 극점들로 일대일 사상(mapping)하여 변환 • 주파수 휨(frequency warping) – s 평면의 jw 축 전체가 z 평면의 단위원으로 유일하게 사상되기 때문 에 주파수 축의 압축효과 가 나타남 6/53 그림 8-2. 임펄스 응답 불변변환 방법 7/53 그림 8-2. 임펄스 응답 불변변환 방법 8/53 임펄스 응답불변 변환 – 간단한 저역통과 아날로그 필터 a H ( s) sa (8-4) – 임펄스 응답 • 역 라플라스 변환 h(t ) aeat , t 0 (8-5) – 임펄스 응답열 • 임펄스 응답의 샘플링 (주기=T) hn h(nT ) aeanT (8-6) 9/53 – 디지털 필터의 임펄스 응답 • z 변환 H ( z ) hn z n n0 ae anT z n n0 a (e aT z 1 ) n n0 a 1 e aT z 1 (8-7) 10/53 – 임펄스 응답불변 변환의 일반화 • 단극점(single pole)로 구성되는 전달함수를 갖는 아날로그 필터 N H ( s) i 1 여기서 pi 및 Ci 는 i 1, 2, Ci s pi (8-8) , N 에 대한 실수 또는 복소수 값을 갖는 상수들이다. • 임펄스 응답 – 역 라플라스 변환 N h(t ) Ci e pit i 1 (8-9) • 임펄스 응답열 – 임펄스 응답의 샘플링 (주기=T) N h(nT ) Ci e pi nT (8-10) i 1 11/53 • z 변환 H ( z ) h(nT ) z n n0 N Ci e pi nT z n (8-11) n 0 i 1 • 교환법칙 적용 N i 1 n0 N H ( z ) Ci e pi nT z n Ci (e pit z 1 )n i 1 (8-12) n0 • 무한급수 정리 적용 (e piT z 1 )n n0 1 1 e piT z 1 (8-13) 12/53 • 임펄스 응답불변 변환 방법에 의해 설계된 디지털 필터 N Ci piT 1 z i 1 1 e H ( z) (8-14) – 중근(repeated poles)을 가진 아날로그 필터 • l 차의 중근을 가지는 전달함수 H ( s) Ci ( s pi )l (8-15) • z 변환 Ci (1)l 1 l 1 H ( z) (l 1)! a l 1 1 e aT z 1 (8-16) a pi 13/53 – 복소근을 가진 아날로그 필터(1) • 전달함수 H (s) sa ( s a jb)( s a jb) (8-17) • z 변환 1 (e aT cos bT ) z 1 H ( z) 1 (2e aT cos bT ) z 1 e2 aT z 2 (8-18) 14/53 – 복소근을 가진 아날로그 필터(2) • 전달함수 H (s) b ( s a jb)( s a jb) (8-19) • z 변환 (e aT sin bT ) z 1 H ( z) 1 (2e aT cos bT ) z 1 e2 aT z 2 (8-20) 15/53 – 예제 8-1 • 2차 아날로그 버터워스 필터의 전달함수 H ( s) 1 1 2s s 2 • 부분분수 전개 H ( s) j 2 s (1 j ) 2 j 2 s (1 j ) 2 • 임펄스 응답 불변의 디지털 필터 – T =1인 경우 H ( z) j 2 1 e( 1 j ) 2 z 1 2 sin(1 1 2e 1 2 cos(1 j 2 1 e( 1 j ) 2)e 1 2 2 z 1 z 1 2) z 1 e 2 2 z 2 16/53 그림 8-3. 예제 8-1의 진폭응답 특성 17/53 – 임펄스 응답불변 변환방법에 의한 디지털 필터의 설계 • 샘플링 정리 – 임펄스 응답불변 변환방법음 전달함수가 대역제한함수인 경우로 국 한됨 H ( z ) z esT 1 H (s jms ) T n (8-21) • 필터의 이득 – 디지털 필터의 이득과 아날로그 필터의 이득이 같아지도록 H ( z ) 에 T 를 곱함 18/53 양선형 z 변환 – s 평면의 허수축을 z 평면의 단위원으로 대응시키며, 원안의 H ( z ) 값들은 좌반평면의 H ( s ) 로 취해진 값들과 대응 2 z 1 T z 1 (8-22) T s 2 z T 1 s 2 (8-23) s 1 19/53 – s j 을 대입 T ) 2 z T (1 ) 2 (1 T 2 T j 2 j (8-24) – 주파수 축적 • s j, z e jd T 대입 2 j T 2 T 2 T 여기서 e jd T e jd T e jd T e jd T 1 1 2 e jd T 2 e jd T T j tan d 2 2 2 은 아날로그 주파수, d 디지털 주파수를 나타낸다. (8-25) 20/53 그림 8-4. 양선형 주파수 변환 21/53 – 아날로그와 디지털 주파수 사이 관계 • 주파수 휨 효과 – 아날로그 주파수가 0에서 까지의 주파수 범위를 가질 때 디지털 주파수는 0에서 / T 내에서 변화 T 2 T 2 tan d T 2 tan d T 2 (8-26) (8-27) 22/53 – 예제 8-2 • 1차 버터워스 아날로그 저역통과 필터를 사용하여 디지털 필터 설계 – 전달함수 H ( s) 1 1 ( s c ) • 양선형 z 변환 1 H ( z) 1 k z 1 ( ) z 1 H ( z) 1 1 1 z 2 2 • 디지털 필터 – k 일 경우 23/53 • 아날로그와 디지털 필터의 특성 c e T 이다 – 아날로그 필터의 임펄스 응답은 c – 아날로그 필터의 진폭 및 위상의 주파수응답 특성은 다음과 같다 진폭응답 = 1 1 ( c ) 2 위상응답 = -tan ( -1 1/2 c ) 1 1 , , 0, 0, 이다 2 2 – 디지털 필터의 임펄스 응답은 – 디지털 필터의 주파수응답 특성은 각각 다음과 같다 진폭응답 = cos d T 1 2 sin d T 1 cos T d 위상응답 = -tan 24/53 • 와 d 는 다음의 관계를 갖는다 T tan d c 2 25/53 – 예제 8-3 • 다음사양을 만족하는 저역통과 디지털 필터를 설계하라 – 필터의 응답은 1000[Hz]에서 -3[dB]의 전력이득을 가짐 – 필터의 응답은 3000[Hz]에서 -10[dB]의 전력이득을 가짐 – 표본화 주파수는 10kHz – 필터 응답은 1000~3000[Hz] 사이의 천이대역(transition region)에서 단조 감소 • 디지털 매개변수 계산 – 표본화 주기: T 1/10000[sec] – 차단주파수: dp 2 1000[rad/sec], drT 0.2 – 소거주파수: dr 2 3000[rad/sec], drT 0.6 26/53 • 주파수 휨 고려 pT 2 r T 2 tan( tan( dpT 2 drT 2 ) 0.3249 ) 1.3764 • 버터워스 필터의 차수 결정 1.3764 2 N 10 log 1 ( ) 10 0.3249 N 1 • 원하는 아날로그 버터워스 필터 H (s) 1 1 (s / p ) 27/53 • 양선형 z변환 – s 2 z 1 대입 T z 1 0.3949 z 1 0.3249 z 1 0.2452( z 1) z 0.5095 H ( z) 그림 8-5. 예제 8-3의 진폭응답 특성 28/53 4. 두 변환방법의 비교 아날로그 필터에서 디지털 필터로의 변환 – 임펄스 응답불변 변환 • 아날로그의 임펄스 응답을 보존 z e sT (8-28) – 양선형 z 변환 • 주파수 응답의 휨 효과 유발 s 2 z 1 T z 1 (8-29) 29/53 – 예제 8-4 • 임펄스 응답불변 방법과 양선형 z 변환 방법에의한 디지털 필터 1 비교 (a , T 0.25 sec ) 0.75 • 아날로그 전달함수 H (s) a 1.333 s a s 1.333 • 주파수 특성 H ( j ) H a ( j ) ( j ) tan 1 1.333 2 1.3332 1.333 30/53 • 임펄스 응답 불변변환에 의한 디지털 필터 (1) H ( s) a 1 e aT z 1 1.333 1 0.716 z 1 – 주파수 특성 » z e jT cos(T ) j sin(T ) cos(0.25) j sin(0.25) 대입 H (e jT ) H II ( j ) ( j ) tan 1 1.333 1 0.716cos(0.25 ) 0.716sin(0.25 ) 2 2 0.716sin(0.25 ) 1 0.716cos(0.25 ) 31/53 • 양선형 변환에 의한 디지털 필터 (2) H ( z ) H (s) s 2 z 1 T z 1 aTz aT ( aT 2) z ( aT 2) 0.333 z 0.333 2.333 z 1.667 – 주파수 특성 H (e jT ) H B ( j ) 0.777 cos 2 (0.25 ) 0.222cos(0.25 ) 0.555 0.777sin(0.25 ) 1.332sin(0.25 ) 2 2 2.333cos(0.25 ) 1.667 2.333sin(0.25 ) 2 ( j ) tan 1 2 1.332sin(0.25 ) 0.777 cos 2 (0.25 ) 0.222cos(0.25 ) 0.555 0.777sin 2 (0.25 ) 32/53 그림 8-6. 예제 8-4의 진폭응답 및 위상응답 특성 33/53 – 예제 8-5 • 아날로그 버터워스 필터의 전달함수 1 s 2 2s 1 • 전달함수의 부분분수 전개 H ( s) H ( s) j/ 2 j/ 2 1 j 1 j s s 2 2 • 역 라플라스 변환 h(t ) L 1 H ( s ) 2e t / 2 t sin 2 34/53 • 주파수 응답 H ( j ) 1 ( j ) 2 2( j ) 1 1 1 4 • c 2 1000[rad/sec] 에서 -3[dB]점을 갖는 아날로그 필터 H ( s ) H ( s c ) c2 2 s 2c s c2 3.948 107 2 s 8.886 103 s 3.948 107 (8-30) 35/53 • 식 (8-30)을 표준필터로 하여 임펄스 응답불변 방법을 이용한 필 터설계 – 표본화 주기 (T 104 [sec] ) H1 ( z ) 2c e (cT z 2 2 ze (cT 2) 2) sin(cT cos(cT 2) z 2) e 2(cT cT 2 2.449 103 z H1 ( z ) 2 z 1.158 z 0.4112 2) 0.2 0.4443 2 (8-31) 36/53 • 식 (8-30)을 표준필터로 하여 양선형 z 변환방법을 이용한 필터설 계 H B ( z ) H ( s ) s 2 z 1 T z 1 c2 2 z 1 2 z 1 2 2 c c T z 1 T z 1 c2T 2 ( z 1) 2 2 4( z 1) 2 2 2cT ( z 2 1) T 2c2 ( z 1) 2 0.064( z 2 2 z 1) 2 z 1.168 z 0.424 (8-32) 37/53 5. 주파수 변환 주파수 변환 – 저역통과 필터로부터 주파수변환읕 통해 고역통과, 대역 통과 또는 대역 소거 필터 설계 그림 8-7. 디지털 필터의 설계방법 38/53 그림 8-8. 아날로그필터로부터 디지털필터를 얻는 여러 변환 방법들 39/53 – 저역통과 필터 • 1[rad/sec] 에서 -3[dB]점을 가진 정규화 된 저역통과 필터 H ( s) • 1 s 2 2s 1 c [rad/sec] 에서 -3[dB]점을 가진 정규화 된 저역통과 필터 H ( s) 1 ( s / c )2 2( s / c ) 1 – 고역통과 필터 • 주파수 변환을 이용 저역통과 필터에 H (s) • s s 1 s를 1 s 대체 c 에서 -3[dB]점을 가진 고역통과 필터 H (s) s s c 40/53 – 대역통과 필터 • 1[rad/sec] 에서 -3[dB]를 갖는 대역통과 필터 s 2 02 s s – 대역소거 필터 • 1[rad/sec] 에서 -3[dB]를 갖는 대역소거 필터 s s s 2 02 02 hl 이고, h l 는 소거대역폭이고, h 는 소거대역의 상한차단주 파수이고, l 는 소거대역의 하한차단주파수이다. 여기서 41/53 표 8-1. 아날로그 주파수 변환 42/53 – 예제8-6 • 정규화된 2차 전달함수를 양선형 z 변환방법을 이용하여 디지털 저역통과 필터를 설계 – 전달함수 H (s) 1 s 2 1.414 s 1 – 표본화 주파수 f:s 100[Hz] – 10[Hz]에서 -3[dB]점을 가짐 • 주파수 우선 휨 – 주파수 휘 고려 c ' T tan 0.325 2 10 c tan 43/53 • 아날로그 저역통과 필터의 전달함수 1 H ( s) 2 s s 1.414 1 0.325 0.325 0.105 2 s 0.46s 0.105 • 양선형 z 변환 H ( z ) H (s) s zz 11 0.105 z 1 z 1 0.46 0.105 z 1 z 1 2 0.105 z 2 0.21z 0.105 1.56 z 2 1.79 z 0.645 0.067 0.135 z 1 0.067 z 2 1 1.147 z 1 0.413z 2 44/53 • 양선형 z 변환 – 계산의 편의 고려 c c ' T 2 2 'T tan c T 2 s c tan 2 z 1 T z 1 s z 1 z 1 – 계산의 정확성 고려 c 2 'T tan c T 2 2 tan 65[rad / sec] 0.01 10 45/53 그림 8-9. 예제 8-6의 진폭응답 특성 46/53 – 예제8-7 • 정규화된 저역통과 전달함수를 양선형 z 변환방법을 이용하여 디 지털 고역통과 필터를 설계 – 전달함수 H L ( s) 1 s 1 – 표본화 주파수 : f s 150[Hz] – 차단 주파수 : fc 30[Hz] • 차단 주파수의 우선 휨 – 주파수 휘 고려 c ' T tan 0.7265 2 5 c tan 47/53 • 주파수 변환표를 이용한 아날로그 고역통과 필터 변환 H ( s) H L ( s) 1 c s 1 s c s s s 0.7265 • 양선형 z 변환 H ( z ) H ( s) s zz11 0.5792 0.5792 z 1 1 0.1584 z 1 48/53 그림 8-10. 예제 8-6의 진폭응답 특성 49/53 – 예제 8-8 • 다음의 사양을 만족하는 필터의 전달함수를 버터워스필터를 이용 한 양선형 z 변환을 이용하여 구하라 – 대역통과 : f p 200 ~ 300[Hz] – 표본화 주파수 : f s 2[kHz] – 필터차수 : 2 • 저역통과와 대역통과 주파수 변환 s 2 02 s s(h l ) 50/53 • 2차 대역 통과 필터 – 1차 저역통과 필터 이용 H L ( s) 1 s 1 h ' T 2 tan 0.3249 10 l ' T 2 3 tan 0.5095 20 h tan l tan 02 hl 0.1655 h l 0.1846 여기서 h , l 는 주파수 휨을 고려한 디지털 필터의 상한, 하한차단주파수이고, 는 통과대역 폭을 나타낸다. 51/53 • 아날로그 대역통과 필터 H ( s) H L ( s) s s 2 02 s 0.1846s s 2 0.1846s 0.0274 • 양선형 z 변환 H ( z ) H (s) s zz11 0.1367 0.1367 z 2 1 1.2362 z 1 0.7265 z 2 52/53 그림 8-11. 예제 8-8의 진폭응답 특성 53/53