dsp.ChannelSynthesizer

Полифазный блок фильтров синтеза БПФ

Описание

The dsp.ChannelSynthesizer Система object™ объединяет несколько узкополосных сигналов в широкополосный сигнал с помощью набора синтезирующих фильтров на основе БПФ. Банк фильтров использует прототип lowpass фильтра и реализован с помощью структуры полифазы. Можно задать коэффициенты фильтра непосредственно или через расчётные параметры.

Чтобы объединить несколько узкополосных сигналов в широкополосный сигнал:

Создайте dsp.ChannelSynthesizer Объекту и установите его свойства.
Вызывайте объект с аргументами, как будто это функция.

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

Создание

Синтаксис

synthesizer = dsp.ChannelSynthesizer

synthesizer = dsp.ChannelSynthesizer(Name,Value)

Описание

пример

synthesizer = dsp.ChannelSynthesizer создает объект синтезатора, используя свойства по умолчанию.

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

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

Свойства

расширить все

Если не указано иное, свойства являются нетронутыми, что означает, что вы не можете изменить их значения после вызова объекта. Объекты блокируются, когда вы вызываете их, и release функция разблокирует их.

Если свойство настраивается, можно изменить его значение в любой момент.

Для получения дополнительной информации об изменении значений свойств смотрите Разработку системы в MATLAB Использование Системных объектов.

`Specification` - Создание фильтра параметров или коэффициентов
`'Number of taps per band and stopband attenuation'` (по умолчанию) | `'Coefficients'`

Создания фильтра или коэффициенты фильтра, заданные как один из следующих опций:

'Number of taps per band and stopband attenuation' - Задайте параметры создания фильтра через NumTapsPerBand и StopbandAttenuation свойства.
'Coefficients' - Задайте коэффициенты фильтра непосредственно используя LowpassCoefficients.

`NumTapsPerBand` - Количество коэффициентов фильтра на полосу
`12` (по умолчанию) | положительное целое число

Количество коэффициентов фильтра, используемых каждой полифазной ветвью, заданное в виде положительного целого числа. Количество полифазы ветвей совпадает с количеством частотных полос. Общее количество коэффициентов фильтра для lowpass фильтра прототипа определяется продуктом из числа диапазонов частот и NumTapsPerBand. При данном затухании в полосе задерживания увеличение количества отводов на полосу сужает ширину перехода фильтра. В результате существует более полезная полоса пропускания для каждого диапазона частот за счет увеличения расчетов.

Зависимости

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

`StopbandAttenuation` - Затухание в полосе задерживания
`80` (по умолчанию) | положительный действительный скаляр

Затухание в полосе задерживания lowpass фильтра, заданный как положительный действительный скаляр в дБ. Это значение управляет максимальной величиной сглаживания от одной полосы частот к следующему. Больше - затухание в полосе задерживания, меньше - неравномерность в полосе пропускания.

Зависимости

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

Типы данных: single | double

`LowpassCoefficients` - Коэффициенты lowpass прототипа
`[1×49 double]` (по умолчанию) | вектор-строка

Коэффициенты прототипа lowpass фильтра, заданные как вектор-строка. Вектор коэффициентов по умолчанию получен с помощью rcosdesign(0.25,6,8,'sqrt'). Должен быть по крайней мере один коэффициент на полосу частот. Если длина lowpass меньше, чем количество полос, объект заполняет коэффициенты нули.

Если вы задаете комплексные коэффициенты, объект проектирует фильтр прототипа, который центрируется на ненулевой частоте, также известной как полосно-пропускающий фильтр. Модулированные версии полосно-пропускающего фильтра прототипа появляются относительно фильтра прототипа и обернуты вокруг частотной области значений [− _F s F s].

Настраиваемый: Да

Зависимости

Это свойство применяется при установке Specification на 'Coefficients'.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного числа: Да

Использование

Синтаксис

synthOut = synthesizer(input)

Описание

пример

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

Входные параметры

расширить все

`input` - Узкополосные сигналы
матрица | трехмерный массив

Узкополосные сигналы, заданные как матрица или трехмерный массив. Каждый узкополосный сигнал запоминается как столбец в входном сигнале. Количество столбцов в input соответствует количеству полос частот группы фильтров. Если input является трехмерным, каждая матрица соответствует отдельному каналу. Если M - количество полос частот и input является L -by- M матрицей, затем выходным сигналом, synthOut, имеет размерности L×M -by-1. Если input имеет более одного канала, то есть имеет размерности L -by- M -by- N, то synthOut имеет размерности L×M -by - N.

Этот объект также принимает входы переменного размера. То есть, когда объект заблокирован, можно изменить размер каждого входного канала. Количество каналов не может измениться.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного числа: Да

Выходные аргументы

расширить все

`synthOut` - Объединенный широкополосный сигнал
матрица | трехмерный массив

Объединенный широкополосный сигнал, возвращенный как матрица или трехмерный массив. Если M - количество полос частот и input является L -by- M матрицей, затем выходным сигналом, synthOut, имеет размерности L×M -by-1. Если input имеет более одного канала, то есть имеет размерности L -by- M -by- N, то synthOut имеет размерности L×M -by - N.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного числа: Да

Функции объекта

Чтобы использовать функцию объекта, задайте системный объект в качестве первого входного параметра. Например, чтобы освободить системные ресурсы системного объекта с именем obj, используйте следующий синтаксис:

release(obj)

расширить все

Характерно для dsp. ChannelSynthesizer

`coeffs`	Коэффициенты lowpass прототипа
`tf`	Обратная передаточная функция общего прототипа lowpass фильтра
`polyphase`	Возвращает полифазную матрицу

Общий для всех системных объектов

`step`	Запуск алгоритма системного объекта
`release`	Отпустите ресурсы и допустите изменения в значениях свойств системного объекта и входных характеристиках
`reset`	Сброс внутренних состояний Системного объекта

Примеры

свернуть все

Банк квадратурных зеркальных фильтров

Открыть скрипт

Блок квадратурных зеркальных фильтров (QMF) содержит блок анализирующих фильтров и блок синтезирующих фильтров. dsp.Channelizer реализует банк фильтров анализа. dsp.ChannelSynthesizer реализует блок синтезирующих фильтров, используя эффективную полифазную реализацию, основанную на lowpass.

Инициализация

Инициализируйте dsp.Channelizer и dsp.ChannelSynthesizer Системные объекты. Каждый объект настраивается с 8 полосами частот, 8 полифаз ветвями в каждом фильтре, коэффициентами 12 на полифазу ветвь и затухание в полосе задерживания 140 дБ. Используйте синусоиду с несколькими частотами в качестве входного сигнала. Просмотрите спектр входа и спектр выхода с помощью спектрального анализатора.

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 channelizer, чтобы разделить широкополосный входной сигнал на несколько узкие полосы. Затем передайте несколько узкополосных сигналов в синтезатор, который объединяет эти сигналы, чтобы сформировать широкополосный сигнал. Сравните спектры входного и выходного сигналов. Входной и выходной спектры совпадают очень близко.

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

Подробнее о

расширить все

Банк синтезирующих фильтров

Блок синтезирующих фильтров состоит из набора параллельных полосно-пропускающих фильтров, которые объединяют несколько 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 до более высокой частоты дискретизации при помощи усилителя, а затем фильтруется lowpass. Система комплексной экпоненты, следующая за фильтром lowpass, центрирует сгенерированный модулированный сигнал _вокруг wk.

Фильтр Lowpass прототипа

Для эффективной реализации банка синтезирующих фильтров синтезатор использует прототип lowpass. У этого фильтра есть импульсная характеристика <reservedrangesplaceholder4>[n], нормализованная двухсторонняя пропускная способность 2π / M, и частота среза π / M. M - количество полос частот, то есть ветвей банка синтезирующих фильтров. Это значение соответствует длине БПФ, которую использует банк фильтров. M может быть высоким, порядка 2048 или более. Это затухание в полосе задерживания определяет минимальный уровень интерференции (сглаживания) от одной частотной полосы к другой. Эта неравномерность в полосе пропускания должен быть маленьким, чтобы входной сигнал не искажался в полосе пропускания.

Прототип lowpass фильтра моделирует первое отделение банка фильтров. Другие M - 1 ветви моделируются фильтрами, которые являются модулированными версиями фильтра прототипа. Коэффициент модуляции задается как $e^{j w_{k} n}, w_{k} = 2 π k / M, k = 0, 1, ..., M - 1$ .

Выход каждого полосно-пропускающего фильтра формирует определенный фрагмент широкополосного сигнала. Выходы всех ветвей складываются для формирования широкополосного сигнала, v(n).

Алгоритмы

расширить все

Реализация полифазы

Блок синтезирующих фильтров может быть эффективно реализован с использованием структуры полифазы.

Чтобы вывести полифазную структуру, начните с передаточной функции lowpass прототипа.

$H_{0} (z) = b_{0} + b_{1} z^{- 1} + ... + b_{N} z^{- N}$

N + 1 - длина фильтра прототипа.

Можно переставить это уравнение следующим образом:

$H_{0} (z) = \begin{matrix} (b_{0} + b_{M} z^{- M} + b_{2 M} z^{- 2 M} + .. + b_{N - M + 1} z^{- (N - M + 1)}) + \\ z^{- 1} (b_{1} + b_{M + 1} z^{- M} + b_{2 M + 1} z^{- 2 M} + .. + b_{N - M + 2} z^{- (N - M + 1)}) + \\ \begin{matrix} ⋮ \\ z^{- (M - 1)} (b_{M - 1} + b_{2 M - 1} z^{- M} + b_{3 M - 1} z^{- 2 M} + .. + b_{N} z^{- (N - M + 1)}) \end{matrix} \end{matrix}$

M - количество полифазы компонентов.

Можно записать это уравнение как:

$H_{0} (z) = E_{0} (z^{M}) + z^{- 1} E_{1} (z^{M}) + ... + z^{- (M - 1)} E_{M - 1} (z^{M})$

_E0 (z^M), _E1 (z^M),..., _EM-1 (z^M) являются полифазными компонентами lowpass прототипа, _H0 (z).

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

Можно записать передаточную функцию k-го модулированного полосно-пропускающего фильтра как $H_{k} (z) = H_{0} (z e^{j w_{k}})$ . Замена z на ze^jw_k,

$H_{k} (z) = h_{0} + h_{1} e^{j w k} z^{- 1} + h_{2} e^{j 2 w k} z^{- 2} ... + h_{N} e^{j N w k} z^{- N}$

N + 1 - длина k-го фильтра.

В полифазной форме уравнение выглядит следующим образом:

$H_{k} (z) = [1 e^{j w_{k}} e^{j 2 w_{k}} ... e^{j (M - 1) w_{k}}] [\begin{matrix} E_{0} (z^{M}) \\ z^{- 1} E_{1} (z^{M}) \\ ⋮ \\ z^{- (M - 1)} E_{M - 1} (z^{M}) \end{matrix}]$

Для всех M каналов в банке фильтров передаточная функция MIMO, H (z), определяется:

$H (z) = [\begin{matrix} \begin{array}{l} 1 & 1 & 1 & ... & 1 \end{array} \\ \begin{array}{l} 1 & e^{j w_{1}} & e^{j 2 w_{1}} & ... & e^{j (M - 1) w_{1}} \end{array} \\ ⋮ \\ \begin{array}{l} 1 & e^{j w_{M - 1}} & e^{j 2 w_{M - 1}} & ... & e^{j (M - 1) w_{M - 1}} \end{array} \end{matrix}] [\begin{matrix} E_{0} (z^{M}) \\ z^{- 1} E_{1} (z^{M}) \\ ⋮ \\ z^{- (M - 1)} E_{M - 1} (z^{M}) \end{matrix}]$

Вот многоразовые благородные тождества для интерполяции, принимая, что D = M:

Для рисунка рассмотрим первую ветвь группы фильтров, которая содержит lowpass.

Замените _H0 (z) своим полифазным представлением.

После применения благородных тождеств для интерполяции можно заменить задержки, коэффициент интерполяции и сумматор на коммутатор.

Для всех каналов M в банке фильтров передаточная функция MIMO, H (z), определяется:

$H (z) = [\begin{matrix} \begin{array}{l} 1 & 1 & 1 & ... & 1 \end{array} \\ \begin{array}{l} 1 & e^{j w_{1}} & e^{j 2 w_{1}} & ... & e^{j (M - 1) w_{1}} \end{array} \\ ⋮ \\ \begin{array}{l} 1 & e^{j w_{M - 1}} & e^{j 2 w_{M - 1}} & ... & e^{j (M - 1) w_{M - 1}} \end{array} \end{matrix}] [\begin{matrix} E_{0} (z) \\ E_{1} (z) \\ ⋮ \\ E_{M - 1} (z) \end{matrix}]$

Матрица слева является матрицей IDFT. С помощью матрицы IDFT эффективная реализация банка фильтров на основе прототипов lowpass выглядит следующим образом.

Ссылки

[1] Harris, Fredic J, Multirate Signal Processing for Communication Systems, Prentice Hall PTR, 2004.

[2] Харрис, F.J., Крис Дик, Майкл Райс. «Цифровые приемники и передатчики, использующие Polyphase Filter Banks для беспроводной связи». Транзакции IEEE по теории и методам СВЧ. Том 51, № 4, апрель 2003 года.

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ MATLAB ®

Указания и ограничения по применению:

Смотрите Системные объекты в Генерации кода MATLAB (MATLAB Coder).

См. также

Документация

dsp.ChannelSynthesizer

Описание

Создание

Синтаксис

Описание

Свойства

Specification - Создание фильтра параметров или коэффициентов 'Number of taps per band and stopband attenuation' (по умолчанию) | 'Coefficients'

NumTapsPerBand - Количество коэффициентов фильтра на полосу 12 (по умолчанию) | положительное целое число

Зависимости

StopbandAttenuation - Затухание в полосе задерживания 80 (по умолчанию) | положительный действительный скаляр

Зависимости

LowpassCoefficients - Коэффициенты lowpass прототипа [1×49 double] (по умолчанию) | вектор-строка

Зависимости

Использование

Синтаксис

Описание

Входные параметры

input - Узкополосные сигналы матрица | трехмерный массив

Выходные аргументы

synthOut - Объединенный широкополосный сигнал матрица | трехмерный массив

Функции объекта

Характерно для dsp. ChannelSynthesizer

Общий для всех системных объектов

Примеры

Банк квадратурных зеркальных фильтров

Подробнее о

Банк синтезирующих фильтров

Фильтр Lowpass прототипа

Алгоритмы

Реализация полифазы

Ссылки

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + + Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ MATLAB ®

См. также

Функции

Объекты

Блоки

Функции

Документация DSP System Toolbox

Поддержка

`Specification` - Создание фильтра параметров или коэффициентов
`'Number of taps per band and stopband attenuation'` (по умолчанию) | `'Coefficients'`

`NumTapsPerBand` - Количество коэффициентов фильтра на полосу
`12` (по умолчанию) | положительное целое число

`StopbandAttenuation` - Затухание в полосе задерживания
`80` (по умолчанию) | положительный действительный скаляр

`LowpassCoefficients` - Коэффициенты lowpass прототипа
`[1×49 double]` (по умолчанию) | вектор-строка

`input` - Узкополосные сигналы
матрица | трехмерный массив

`synthOut` - Объединенный широкополосный сигнал
матрица | трехмерный массив

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ MATLAB ®