Synthèse de filtres

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Transcript Synthèse de filtres

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Synthèse de filtres numériques

B. David
SI 240, TSMECS
Octobre 2006

Généralités
T. Bilinéaire
RIF à  linéaire

1


Slide 2

Généralités

Critères de choix

RIF ou RII ?
RII :
 + : complexité, imitation des filtres analogiques
 - : pb d’arrondis de calcul cumulatifs, sensibilité à la représentation finie
des coefficients, phase non linéaire

RIF :
 + : phase exactement linéaire possible, garantie de stabilité, non
cumulation des erreurs de calcul (non récursifs)
 - : complexité (par ex. pour traduire des résonances ou pour assurer une
bonne sélectivité)

Oct. 2006

SI240-TSMECS

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Généralités

Spécifications d’un filtre numérique

Oct. 2006

SI240-TSMECS

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Généralités

construction empirique d’un filtre passe-bas IIR
on suppose
pour construire la bande atténuée, on place des zéros en 0.1, 0.2...

Magnitude (dB)

0.5.

20

-20
-40
0

Phase (degrees)

Code

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0

freqz(N,1,4096,1)

-100

-200
0

Oct. 2006

z = exp(j*2*pi*[0.1 .2
.3 0.4 0.5]);
z = [z conj(z)];
N = poly(z);

0.1

0.2
0.3
Frequency (Hz)

0.4

0.5

SI240-TSMECS

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Généralités

construction empirique d’un filtre passe-bas IIR
le filtre n’est pas « plat » dans sa bande passante
on cherche à compenser par le placement d’un pole tel que

Phase (degrees)

Magnitude (dB)

Dénominateur seul

Oct. 2006

40
20
0
-20
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.4

0.5

100
0
-100
-200
0

0.1

0.2
0.3
Frequency (Hz)

SI240-TSMECS

5


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Généralités

Magnitude (dB)

construction empirique d’un filtre passe-bas IIR

20
0
-20
-40

Phase (degrees)

0

Oct. 2006

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.4

0.5

0
-100
-200
-300
0

0.1

0.2
0.3
Frequency (Hz)

SI240-TSMECS

6


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Généralités > construction empirique IIR

diagramme poles-zeros typique

o
o

Bande de transition

o


o







o


o

o
o
Oct. 2006

SI240-TSMECS

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Synthèse des RII par T.B.

Transformation bilinéaire

Définition et propriétés
Laplace Ha(p)  fonction de transfert en H(z) en posant

Transforme
 le demi-plan gauche  intérieur du C1 (conserve la stabilité)
 la droite imaginaire  C1

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Synthèse des RII par T.B.

Transformation bilinéaire
Plan P
Plan Z










Oct. 2006

SI240-TSMECS

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Synthèse des RII par T.B.

Exemple du passe bas du premier ordre

fonction de transfert du type
soit c = 1/.
Ex: Fe = 8000 Hz, fc = 1000 Hz
  conduit à choisir la fréquence de coupure du filtre numérique !

on peut par exemple prendre c = 1
conduit à

calcul final

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Synthèse des RII par T.B.

Exemple du passe bas du premier ordre

Oct. 2006

SI240-TSMECS

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Synthèse des RII par T.B.

Exemple : maximalement plat en  = 0

Magnitude (dB)

filtre de Butterworth
0

-20 fréquence
Réponse en
-40
2N-1 dérivées
nulles en 0 :
-60
-80

Phase (degrees)

-100

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0
-50
-100
-150
-200

Frequency (Hz)
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Synthèse des RII par T.B.

Exemple : filtres à ondulations constante
c

1

Filtre elliptique d'ordre 4 (0.1, -20dB,  c =0.15)

Filtres elliptiques

0.9
0.8

|H|

forme particulière du gain faisant intervenir des fonctions elliptiques
0.7
condition
sur les fréquences de transition : c A = 1
obtenue0.6itérativement à partir des données initiales c et A
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

0

0.05

0.1

0.15

0.2

A

Oct. 2006

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

fréquence

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Synthèse des RIF

Synthèse des filtres à RIF

Filtres RIF à phase linéaire
intérêt majeur des RIF : peuvent avoir une phase exactement
linéaire
Définition

propriété : si le support fréquentiel du signal d’entrée est dans la
bande passante (avec HR()=c dans la BP), alors 
où xa(t) est la reconstruction parfaite analogique à partir des
échantillons x(n) à la cadence 1.
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Synthèse des RIF > RIF à phase linéaire

Exemple IIR (phase NL) vs FIR à phase lin.
signal d’entrée : SF du carré à 3 composantes
entrée
1.5
elliptique
IIR = filtre
elliptique, RIF à phase lin. à ondulationyconstantes
y rif
même niveaux d’ondulation dans les bp et ba
1
même fréquences de coupure, > fréq. supérieure du spectre d’entrée
amplitude

0.5

0

-0.5

-1

-1.5

0

50

100

150

200

250

300

350

400

temps discret
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Synthèse des RIF > RIF à phase linéaire

Symétrie de la réponse impulsionnelle

on considère un filtre h(n) causal, réèl, à phase linéaire. Montrer que
 est nécessairement un demi-entier,  = p/2 p 2 Z
en déduire que HR() est au moins périodique de période 2.
Montrer que d = ej2 vaut 1 ou j.
On pose G(ej2) = HR(2). Etudier les symétries possibles pour g(n).
Montrer la relation

interpréter le résultat en terme de suréchantillonnage. En déduire la
valeur de p en fonction de la longueur N de la RI.

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Synthèse des RIF > RIF à phase linéaire

Cas longueur impaire,  entier
si d=1 : G est paire, réelle  g est paire et réelle.
type I

g(n)

1

0.5

0
-15

-10

-5

0

5

10

15

-10

-5

0

5

10

15

-10

-5

0

5

10

15

g(n-p)

1

0.5

h(n)

0
-15
1

0.5

0
-15

temps discret
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Synthèse des RIF > RIF à phase linéaire

Cas longueur paire,  demi-entier
si d=1 : G est paire, réelle  g est paire et réelle.
type II

g(n)

1

0.5

0
-15

-10

-5

0

5

10

15

-10

-5

0

5

10

15

-10

-5

0

5

10

15

g(n-p)

1

0.5

h(n)

0
-15
1

0.5

0
-15

temps discret
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Synthèse des RIF > RIF à phase linéaire

Cas longueur impaire,  entier
si d=j : G est impaire, réelle  g est impaire et imaginaire.
type III

d g(n)

1

0

-1
-15

-10

-5

0

5

10

15

-10

-5

0

5

10

15

-10

-5

0

5

10

15

d g(n-p)

1

0

h(n)

-1
-15
1

0

-1
-15

temps discret
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Synthèse des RIF > RIF à phase linéaire

Cas longueur paire,  demi-entier
si d=j : G est impaire, réelle  g est impaire et imaginaire.
type IV

d g(n)

1

0

-1
-15

-10

-5

0

5

10

15

-10

-5

0

5

10

15

-10

-5

0

5

10

15

d g(n-p)

1

0

h(n)

-1
-15
1

0

-1
-15

temps discret
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Synthèse des RIF > RIF à phase linéaire

En résumé
Type I
N impair
symétrique

-

Type II
N pair
symétrique

H(-1) = 0

Type III
N impair
anti-sym.

H(0)=
H(-1) = 0

Type IV
N pair
anti-sym.

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H(0) = 0

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Passe-bas
Passe-Haut
Passe-Bande
Passe-bas,
Passe-bande
Différentiateur,
Transformateur
de Hilbert,
Passe-bande
Différentiateur,
Transformateur
de Hilbert,
Passe Haut
21


Slide 22

Synthèse des RIF > RIF à phase linéaire

Filtres spéciaux
lié au facteur j dans la réponse en fréquence des types III et IV.
Différentiateur : réalise une approximation de l’opérateur différentiel
en temps, dans le domaine fréquentiel :
Transformateur de Hilbert. Soit H la réponse en fréquence du filtre
linéaire tel que
 H: x(n) → x_h(n)
 H: cos(20 n) → sin(20 n), 8 0 2 [-0.5 0.5]

Déterminer la fonction H(ej2) pour  2 ]-0.5 0[ U ]0 0.5[. Préciser
ensuite sa valeur aux points 0 et 0.5
En déduire l’intérêt présenté par les types III et IV pour réaliser le
filtre H.
Signal analytique. Soit le filtre H_a: x(n) → x_a(n) = x(n)+j x_h(n).
x_a(n) est le signal analytique associé au signal réel x(n).
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Synthèse des RIF > RIF à phase linéaire > filtres spéciaux

Différentiateur : exemple
0.5
x
y  dx/dt
0

-0.5

0

20

40

60

80

100

120

140

n
3

10
0

|H|

H

2

-10

1

0

-20

0

0.1

0.2

0.3

0.4

-30

0



0.1

0.2

0.3

0.4



h = remez(11,[0 0.49]*2,[0 2*pi*.49],'d');
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Synthèse des RIF > RIF à phase linéaire > filtres spéciaux

Transformateur de Hilbert : exemple
2
x(n)=cos(20 n)
1

xh

0
-1
-2

0

20

40

60
n

20

80

100

120

0

0
-20

H

|H|

dB

-20
-40
-60

-40

-80
-100

0

0.1
0.2
0.3
0.4
fréquence réduite 

-60

0

0.1

0.2

0.3

0.4



h = remez(60,2*[.01 .25 .3 .5],[1 1 0 0],[1 10],'h');
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Slide 25

Synthèse des RIF

Synthèse : méthodes pour les RIF

méthode de la fenêtre : permet de comprendre le compromis à
atteindre entre le niveau d’ondulation et la largeur de transition
méthode d’optimisation sous contrainte, notion de « filtre propre »
méthode d’optimisation par minimisation de la norme L1 d’une fonction
d’erreur pondérée.

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Synthèse des RIF > synthèse des RIF

Synthèse à fenêtre

Algorithme simple :
 inversion de Hidéal
 troncature symétrique  multiplication par une fenêtre finie
 décalage pour rendre le filtre causal

Donne nécessairement type I ou III (N impair)
Exemple :
j2)
H
(e
i
j2
 soit Hi(e

) ci-contre
 calculer hi(n)
 en déduire h(n) par troncature
rectangulaire de longueur 2P-1,
P = 4.
 Représenter H(ej2)

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c

0.5

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Synthèse des RIF > synthèse des RIF

Synthèse à fenêtre : Gibbs et transition

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Slide 28

Synthèse des RIF > synthèse des RIF

Optimisation de la synthèse à Fenêtre

Fenêtre paramétrable de Kaiser
qques pb liés à la méthode à fenêtre
 ajuster indépendamment le niveau d’ondulation en bande coupée et la
largeur de transition
 le niveau d’ondulation est le même en bande coupée et passante

fenêtre de Kaiser
 dépend d’un paramètre  qui ajuste 2 en bande atténuée
 on joue ensuite sur la longueur du filtre pour la bande de transition
 longueur N =2M+1, I0 : fonction de Bessel modifiée de 1ere espèce

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Synthèse des RIF > synthèse des RIF

Optimiser la fenêtre sous contrainte

Prolates sphéroïdes
on cherche à maximiser l’énergie en bande passante sous
contrainte unitaire, i.e.
 on cherche
 sous contrainte
 montrer que ce pb peut se ramener à la maximisation de la forme

quadratique

sous la contrainte hH h = 1, avec

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Synthèse des RIF > synthèse des RIF

Optimiser la fenêtre sous contrainte

Prolates sphéroïdes et filtres propres
terme général de R :
définie positive (Réelle symétrique)
 algorithme de calcul
 1. calcul de R
 2. décomposition aux valeurs propres
 3. h = vecteur propre unitaire associé à la plus grande valeur propre

extension : contrainte en minimisation d’erreur quadratique sur les
différentes bandes → filtres propres.

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Synthèse des RIF > synthèse des RIF > optimisation sous contrainte

Exemple
0.35
0.3
0.25

h(n)

Magnitude (dB)

50

0

0.15
0.1
0.05

-50

0
0

-100

0

0.05

0.1

0.15

0.2
0.25 0.3
Frequency (Hz)

0.35

0.4

0.45

0.5

100
Phase (degrees)

0.2

10

20
n

30

40

clear all
nu0 = 0.05; % freq de coupure
N = 33 ;
% longueur du filtre
n = 0:N-1;

0

L1 = sincard(2*pi*nu0*n)
R = nu0*toeplitz(L1);
[V,lambda]=eig(R,'nobalance');
lambda = diag(lambda);
ind = find(lambda==max(lambda));

-100
-200
-300
-400

0

0.05

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0.1

0.15

0.2
0.25 0.3
Frequency (Hz)

0.35

0.4

0.45

0.5

h = V(:,ind);

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Slide 32

Synthèse des RIF > synthèse des RIF

Méthodes itératives : principe

rappel : la forme de la rf =
on cherche à minimiser le maximum d’une erreur pondérée

soit

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Synthèse des RIF > synthèse des RIF > méthodes itératives

illustration de l’erreur pondérée (Chebychev)

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Synthèse des RIF > synthèse des RIF > méthodes itératives

algorithme d’échange (remez)
Sur un exemple de type I (N impair, symétrique)
Montrer que la réponse zéro-phase s’écrit sous la forme
On en déduit qu’on peut encore l’écrire sous la forme d’un
polynôme en c() = cos(2) soit :
qui admet une dérivée =0
en 0 et P-1 autres maxima
algorithme d’échange :
 0: init : on réparti dans B les candidats au max en prenant les bords
 1: a l’aide d’une interpolation, on calcule les coeffs du polynome
 2: on recalcule les candidats comme les max du polynome
 3: si non convergence de l’erreur, retour à 1:
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Synthèse des RIF > synthèse des RIF > méthodes itératives

algorithme d’échange (remez)

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