dsp. ChannelSynthesizer

Набор фильтров синтеза многофазного БПФ

Описание

dsp.ChannelSynthesizer Система object™ объединяет множество узкополосных сигналов в широкополосный сигнал, используя банк фильтров синтеза на основе БПФ. Набор фильтров использует прототип фильтра нижних частот и реализован с использованием многофазной структуры. Коэффициенты фильтра можно задать непосредственно или через параметры конструкции.

Для объединения нескольких узкополосных сигналов в широкополосный сигнал:

Создать dsp.ChannelSynthesizer и задайте его свойства.
Вызовите объект с аргументами, как если бы это была функция.

Дополнительные сведения о работе системных объектов см. в разделе Что такое системные объекты?.

Создание

Синтаксис

синтезатор = dsp. ChannelSynthesizer

синтезатор = dsp. StartSynthesizer (имя, значение)

Описание

пример

synthesizer = dsp.ChannelSynthesizer создает объект синтезатора с использованием свойств по умолчанию.

synthesizer = dsp.ChannelSynthesizer(Name,Value) задает дополнительные свойства с помощью Name,Value пар. Неопределенные свойства имеют значения по умолчанию.

Пример: synthesizer = dsp.ChannelSynthesizer('NumTapsPerBand',20,'StopbandAttenuation',140)

Свойства

развернуть все

Если не указано иное, свойства не настраиваются, что означает невозможность изменения их значений после вызова объекта. Объекты блокируются при их вызове, и release функция разблокирует их.

Если свойство настраивается, его значение можно изменить в любое время.

Дополнительные сведения об изменении значений свойств см. в разделе Проектирование системы в MATLAB с использованием системных объектов.

`Specification` - Расчетные параметры или коэффициенты фильтра
`'Number of taps per band and stopband attenuation'` (по умолчанию) | `'Coefficients'`

Параметры конструкции фильтра или коэффициенты фильтра, указанные как один из следующих вариантов:

'Number of taps per band and stopband attenuation' - Укажите расчетные параметры фильтра через NumTapsPerBand и StopbandAttenuation свойства.
'Coefficients' - Укажите коэффициенты фильтра непосредственно с помощью LowpassCoefficients.

`NumTapsPerBand` - Количество коэффициентов фильтра в полосе частот
`12` (по умолчанию) | положительное целое число

Число коэффициентов фильтра, используемых каждой многофазной ветвью, указанное как положительное целое число. Количество многофазных ветвей соответствует числу полос частот. Общее количество коэффициентов фильтра для прототипа фильтра нижних частот задается произведением числа полос частот и NumTapsPerBand. При данном затухании полосы останова увеличение числа отводов на полосу сужает ширину перехода фильтра. В результате, существует более полезная полоса пропускания для каждой полосы частот за счет увеличенных вычислений.

Зависимости

Это свойство применяется при установке Specification кому 'Number of taps per band and stopband attenuation'.

`StopbandAttenuation` - Затухание полосы останова
`80` (по умолчанию) | положительный вещественный скаляр

Затухание полосы останова фильтра нижних частот, определяемое как положительный действительный скаляр в дБ. Это значение управляет максимальным количеством псевдонимов из одной полосы частот в следующую. Больше - затухание полосы останова, меньше - пульсация полосы пропускания.

Зависимости

Это свойство применяется при установке Specification кому 'Number of taps per band and stopband attenuation'.

Типы данных: single | double

`LowpassCoefficients` - Коэффициенты прототипа фильтра нижних частот
`[1×49 double]` (по умолчанию) | вектор строки

Коэффициенты фильтра нижних частот прототипа, заданные как вектор строки. Вектор коэффициентов по умолчанию получается с помощью rcosdesign(0.25,6,8,'sqrt'). На полосу частот должен быть по крайней мере один коэффициент. Если длина фильтра нижних частот меньше, чем количество полос частот, то объект нуль-заполняет коэффициенты.

При указании комплексных коэффициентов объект проектирует фильтр прототипа, центрированный с ненулевой частотой, также называемый полосовым фильтром. Модулированные варианты полосового фильтра прототипа появляются относительно фильтра прототипа и оборачиваются вокруг частотного диапазона [− _Fs Fs].

Настраиваемый: Да

Зависимости

Это свойство применяется при установке Specification кому 'Coefficients'.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

Использование

Синтаксис

synthOut = синтезатор (вход)

Описание

пример

synthOut = synthesizer(input) объединяет узкополосные входные сигналы, содержащиеся в виде столбцов в input в широкополосный сигнал, synthOut.

Входные аргументы

развернуть все

`input` - Узкополосные сигналы
матрица | массив 3-D

Узкополосные сигналы, определяемые как матрица или 3-D массив. Каждый узкополосный сигнал сохраняется в виде столбца во входном сигнале. Количество столбцов в input соответствует количеству полос частот банка фильтров. Если input является трехмерной, каждая матрица соответствует отдельному каналу. Если M - количество полос частот, и input является матрицей L-by-M, то выходной сигнал, synthOut, имеет размеры L × M-by-1. Еслиinput имеет более одного канала, то есть имеет размеры L-by-M-by-N, то synthOut имеет размеры L × M-by-N.

Этот объект также принимает входные данные переменного размера. То есть, как только объект заблокирован, можно изменить размер каждого входного канала. Количество каналов не может изменяться.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

Выходные аргументы

развернуть все

`synthOut` - Объединенный широкополосный сигнал
матрица | массив 3-D

Объединенный широкополосный сигнал, возвращаемый в виде матрицы или массива 3-D. Если M - количество полос частот, и input является матрицей L-by-M, то выходной сигнал, synthOut, имеет размеры L × M-by-1. Еслиinput имеет более одного канала, то есть имеет размеры L-by-M-by-N, то synthOut имеет размеры L × M-by-N.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

Функции объекта

Чтобы использовать функцию объекта, укажите объект System в качестве первого входного аргумента. Например, для освобождения системных ресурсов объекта System с именем obj, используйте следующий синтаксис:

release(obj)

развернуть все

Специфично для dsp. ChannelSynthesizer

`coeffs`	Коэффициенты прототипа фильтра нижних частот
`tf`	Функция обратного переноса всего прототипа фильтра нижних частот
`polyphase`	Возвращаемая многофазная матрица

Общие для всех системных объектов

`step`	Запустить алгоритм объекта System
`release`	Деблокирование ресурсов и разрешение изменений значений свойств объекта системы и входных признаков
`reset`	Сброс внутренних состояний объекта System

Примеры

свернуть все

Банк квадратурных зеркальных фильтров

Открыть сценарий

Квадратурный зеркальный набор фильтров (QMF) содержит блок набора фильтров анализа и блок набора фильтров синтеза. dsp.Channelizer реализует банк фильтров анализа. dsp.ChannelSynthesizer реализует набор фильтров синтеза, используя эффективную многофазную реализацию на основе прототипа фильтра нижних частот.

Инициализация

Инициализируйте dsp.Channelizer и dsp.ChannelSynthesizer Системные объекты. Каждый объект настроен с 8 полосами частот, 8 многофазными ветвями в каждом фильтре, 12 коэффициентами на многофазную ветвь и затуханием стоп-полосы 140 дБ. В качестве входного сигнала используйте синусоидальную волну с несколькими частотами. Просмотрите входной спектр и выходной спектр с помощью анализатора спектра.

offsets = [-40,-30,-20,10,15,25,35,-15];
sinewave = dsp.SineWave('ComplexOutput',true,'Frequency',...
    offsets+(-375:125:500),'SamplesPerFrame',800);

channelizer = dsp.Channelizer('StopbandAttenuation',140);
synthesizer = dsp.ChannelSynthesizer('StopbandAttenuation',140);
spectrumAnalyzer =  dsp.SpectrumAnalyzer('ShowLegend',true,'NumInputPorts',...
    2,'ChannelNames',{'Input','Output'},'Title','Input and Output of QMF');

Вытекание

Используйте каналообразователь для разделения широкополосного входного сигнала на несколько узких диапазонов. Затем передают множество узкополосных сигналов в синтезатор, который объединяет эти сигналы для формирования широкополосного сигнала. Сравните спектры входного и выходного сигналов. Входные и выходные спектры очень близко совпадают.

for i = 1:5000
    x = sum(sinewave(),2);
    y = channelizer(x);
    v = synthesizer(y);
    spectrumAnalyzer(x,v)
end

Подробнее

развернуть все

Банк фильтров синтеза

Набор фильтров синтеза состоит из набора параллельных полосовых фильтров, которые объединяют множество входных узкополосных сигналов, _y0 (n), _y1 (n),..., _yM-1 (n) в один широкополосный сигнал, v (n). Входные узкополосные сигналы находятся в основной полосе частот. Каждый узкополосный сигнал интерполируется на более высокую частоту дискретизации с использованием повышающей дискретизации и затем фильтруется фильтром нижних частот. Комплексная экспонента, которая следует за фильтром нижних частот, центрирует сигнал основной полосы _вокруг wk.

Прототип фильтра нижних частот

Для эффективной реализации набора фильтров синтеза синтезатор использует прототип фильтра нижних частот. Этот фильтр имеет импульсную характеристику h [n], нормализованную двустороннюю полосу пропускания 2π/M и частоту отсечки δ/M. M - количество полос частот, то есть ветвей банка фильтров синтеза. Это значение соответствует длине БПФ, используемой банком фильтров. М может быть высоким, порядка 2048 или более. Затухание полосы останова определяет минимальный уровень помех (наложения) из одной полосы частот в другую. Пульсация полосы пропускания должна быть небольшой, чтобы входной сигнал не искажался в полосе пропускания.

Прототип фильтра нижних частот моделирует первую ветвь банка фильтров. Другие ветви M-1 моделируются фильтрами, которые являются модулированными версиями фильтра-прототипа. Коэффициент модуляции задаётся $^{_{} ejwkn},_{wk} = 2πk/M, k = 0,1, . . .$ , M − 1.

Выходной сигнал каждого полосового фильтра формирует определенную часть широкополосного сигнала. Выходные сигналы всех ветвей суммируются для формирования широкополосного сигнала v (n).

Алгоритмы

развернуть все

Полифазная реализация

Набор фильтров синтеза может быть эффективно реализован с использованием полифазной структуры.

Для получения полифазной структуры начните с передаточной функции фильтра нижних частот прототипа.

$_{H0} (z)_{=}_{b0}^{+} b1z -_{1}^{+ .}$ .. + bNz − N

N + 1 - длина фильтра прототипа.

Это уравнение можно изменить следующим образом:

$_{H0} (z) \begin{matrix} =_{} (_{}^{}_{}^{} b0+bMz−M+b2Mz−2M +_{.}^{} \\ ^{+bN-M+1z- (N-M+1))}_{} {+z−1}_{(}^{}_{}^{}_{b1+bM+1z−M+b2M+1z−2M + .}^{} \\ \begin{matrix} ^{+bN−M+2z− (N−M+1)) +}_{⋮z−}_{(M−1) (}^{}_{}^{}_{}^{bM−1+b2M−1z−M+b3M−1z−2M + .} \end{matrix} \end{matrix}$ +bNz− (N−M+1))

M - количество полифазных компонентов.

Это уравнение можно записать следующим образом:

$_{H0} (z)_{=}^{E0} (^{zM)}_{+} z^{} - 1E1 (^{zM) + .} ._{. +} z^{} -$ (M − 1) EM − 1 (zM)

_E0 (^zM), _E1 ⁽zM),..., _EM-1 (zM) - многофазные компоненты прототипа фильтра нижних частот, H0 (z).

Другие фильтры в наборе фильтров, _Hk (z), где k = 1,..., M-1, являются модулированными версиями этого прототипа фильтра.

Передаточную функцию k-го модулированного полосового фильтра можно записать как $_{Hk} (z)_{=} {H0}^{(_{}}$ zejwk). Замена z ^{на _zejwk} ,

$_{Hk} (z)_{=}_{h0}^{+}^{}_{h1ejwkz}^{- 1} +^{}_{} {h2ej2wkz}^{- 2} .^{. .}$ + hNejNwkz − N

N + 1 - длина k-го фильтра.

В многофазной форме уравнение выглядит следующим образом:

$_{Hk} (z) = [^{1_{}}^{ejwk_{}} ej2wk. . .^{ej (M_{-}} 1 \begin{matrix} )_{} {wk}^{]} \\ [^{E0}_{(} {zM}^{)} \\ z \\ ^{- 1E1} (_{zM)}^{} ⋮z- \end{matrix}$ (M − 1) EM − 1 (zM)]

Для всех М каналов в наборе фильтров функция передачи MIMO H (z) задается следующим образом:

$H (z) \begin{matrix} \begin{array}{l} = & [ & 111 & . \end{array} \\ \begin{array}{l} . & .^{_{}} & ^{_{}} & {11ejw1ej2w1}^{. . . ej_{(}} \end{array} \\ M \\ \begin{array}{l} -^{1_{)}} & ^{_{}} & ^{w1⋮1ejwM−1ej2wM−1 . ._{.}} \end{array} \end{matrix} ej \begin{matrix} (_{M} -^{} 1 \\ )^{} {wM}_{} -^{1}] \\ [^{E0 (zM})_{z} -^{} \end{matrix} 1E1$ (zM) ⋮z− (M − 1) EM − 1 (zM)]

Вот многоскоростная благородная идентичность для интерполяции, предполагающая, что D = M:

На иллюстрации рассмотрим первую ветвь банка фильтров, которая содержит фильтр нижних частот.

Замените _H0 (z) многофазным представлением.

После применения благородной идентичности для интерполяции можно заменить задержки, коэффициент интерполяции и сумматор коммутатором.

Для всех М каналов в наборе фильтров функция передачи MIMO H (z) задается следующим образом:

$H (z) \begin{matrix} \begin{array}{l} = & [ & 111 & . \end{array} \\ \begin{array}{l} . & .^{_{}} & ^{_{}} & {11ejw1ej2w1}^{. . . ej_{(}} \end{array} \\ M \\ \begin{array}{l} -^{1_{)}} & ^{_{}} & ^{w1⋮1ejwM−1ej2wM−1 . ._{.}} \end{array} \end{matrix} ej \begin{matrix} (_{M} - \\ 1_{)} wM \\ -_{1]} [ \end{matrix} E0$ (z) E1 (z) ⋮EM−1 (z)]

Матрица слева является матрицей IDFT. При использовании матрицы IDFT эффективная реализация банка фильтров на основе прототипа нижних частот выглядит следующим образом.

Ссылки

[1] Харрис, Фредрик Джей, многоскоростная обработка сигналов для систем связи, Prentice Hall PTR, 2004.

[2] Харрис, Ф.Дж., Крис Дик, Майкл Райс. «Цифровые приемники и передатчики, использующие банки многофазных фильтров для беспроводной связи». IEEE Транзакции по микроволновой теории и методам. Том 51, номер 4, апрель 2003 года.

Расширенные возможности

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью MATLAB ® Coder™

Примечания и ограничения по использованию:

См. Системные объекты в создании кода MATLAB (кодер MATLAB).

См. также

Представлен в R2016b

Документация

dsp. ChannelSynthesizer

Описание

Создание

Синтаксис

Описание

Свойства

Specification - Расчетные параметры или коэффициенты фильтра 'Number of taps per band and stopband attenuation' (по умолчанию) | 'Coefficients'

NumTapsPerBand - Количество коэффициентов фильтра в полосе частот 12 (по умолчанию) | положительное целое число

Зависимости

StopbandAttenuation - Затухание полосы останова 80 (по умолчанию) | положительный вещественный скаляр

Зависимости

LowpassCoefficients - Коэффициенты прототипа фильтра нижних частот [1×49 double] (по умолчанию) | вектор строки

Зависимости

Использование

Синтаксис

Описание

Входные аргументы

input - Узкополосные сигналы матрица | массив 3-D

Выходные аргументы

synthOut - Объединенный широкополосный сигнал матрица | массив 3-D

Функции объекта

Специфично для dsp. ChannelSynthesizer

Общие для всех системных объектов

Примеры

Банк квадратурных зеркальных фильтров

Подробнее

Банк фильтров синтеза

Прототип фильтра нижних частот

Алгоритмы

Полифазная реализация

Ссылки

Расширенные возможности

Создание кода C/C + + Создайте код C и C++ с помощью MATLAB ® Coder™

См. также

Функции

Объекты

Блоки

Функции

Документация по системной панели инструментов DSP

Поддержка

`Specification` - Расчетные параметры или коэффициенты фильтра
`'Number of taps per band and stopband attenuation'` (по умолчанию) | `'Coefficients'`

`NumTapsPerBand` - Количество коэффициентов фильтра в полосе частот
`12` (по умолчанию) | положительное целое число

`StopbandAttenuation` - Затухание полосы останова
`80` (по умолчанию) | положительный вещественный скаляр

`LowpassCoefficients` - Коэффициенты прототипа фильтра нижних частот
`[1×49 double]` (по умолчанию) | вектор строки

`input` - Узкополосные сигналы
матрица | массив 3-D

`synthOut` - Объединенный широкополосный сигнал
матрица | массив 3-D

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью MATLAB ® Coder™