Dpt GEII IUT Bordaux I FILTRAGE AALOGIQUE t UMERIQUE (Vol. 8) G. Couturir Tl : 5 56 84 57 58 mail : couturir@lc.iuta.u-bordaux.fr
Sommair I-Itroductio p. II-Filtrag aalogiqu p. 4 II-- Filtrs pass-bas d'ordr dux p. 5 II-- Réalisatio d'u filtr pass-bas d'ordr égal à dux p. 8 II-3- Filtrs pass-bas d'ordr supériur à dux p. II-4- Sythès ds filtrs pass-bas p. 5 II-5- Filtrs pass-haut d'ordr dux p. 8 II-6- Réalisatio d'u filtr pass-haut d'ordr égal à dux p. 9 II-8- Sythès ds filtrs pass-haut p. 5 II-9- Filtrs pass-bad du duxièm ordr p. 7 II-- Filtrs réjcturs du duxièm ordr p. 9 II-- Filtrs uivrsls p. 3 II-- Filtrs à capacités commutés p. 36 α) approch simplifié du filtr p. 36 β) traitmt complt du filtr à capacités commutés p. 38 III-Filtrag umériqu p. 4 III-- Critèr d stabilité ds filtrs umériqus p. 44 III-- Comportmt fréqutil ds filtrrs umériqus p. 45 III-3- Sythès ds filtrs RII p. 46 α) la foctio modèl st la répos fréquc : trasformé biliéair p. 46 β) xmpl d calcul d'u filtr par utilisatio d la trasformé biliéair p. 5 γ) la foctio modèl st la répos impulsioll : ivariac impulsioll p. 53 ε) xmpl d calcul d'u filtr par utilisatio d l'ivariac impulsioll p. 54 III-4- Sythès ds filtrs RIF p. 58 III-5- Implémtatio ds filtrs RII t RIF das ls procssurs d d sigaux p. 68 III-5-- Implémtatio d'u filtr RIF das u DSP p. 68 III-5-- Implémtatio d'u filtr RII das u DSP p. 69 ) Méthod d'implémtatio dirct p. 69 ) Méthod d'implémtatio cascad p. 7 III-5-3- Prformacs ds filtrs p. 73 ax I : Ls outils d traitmt ds sigaux umériqus p. 77 I- Répos impulsioll d'u systèm umériqu t trasformé Z p. 77 I- - Répos impulsioll p. 77 I- - Produit d covolutio p. 77 I- 3- Trasformé Z p. 78
II- Répos harmoiqu d'u systèm umériqu : foctio d trasfrt isochro p. 8 II- - Propriétés d la foctio d trasfrt isochro d'u sytèm umériqu p. 8 II- - Exmpls p. 8 ax II : Tabl ds trasformés Z p. 86 B + Cz ax III : Calcul d la trasformé ivrs d H( z) βz + α z p. 87 ax IV : Uivrsal Activ Filtr UAF4 - Burr-Brow p. 89 ax V : MF6 6th Ordr Switchd Capacitor Buttrworth Lowpass Filtr, atioal Smicoductor MF Uivrsal Moolithic Dual Switchd Capacitor Filtr, atioal smicoductor p. 9 I- Itroductio
Das ctt itroductio ous allos motrr à partir d'u xmpl simpl la écssité d dévloppr ds forms stadards ds foctios d trasfrt ds filtrs aalogiqus t d la mêm maièr ous motrros l bsoi d'u méthodologi d cocptio ds filtrs umériqus. Pros doc l cas simpl d'u filtr pass-bas du prmir ordr, dot l schéma élctriqu st rprésté ci-dssous : V R V s C Fig. Filtr aalogiqu pass-bas du prmir ordr Ecrivos l'équatio différtill régissat l foctiomt d c filtr, il vit : ( ) V ( t) V ( t) RC dv t s s + () dt Soit V (p) t V s (p) ls trasformés d Laplac d V (t) t V s (t), écrivos la foctio d trasfrt H(p) V s (p)/v (p) du filtr, o suppos V s (t - )V s (t + ) : ( ) H p ( p) ( ) Vs V p + RCp () La foctio d trasfrt H(p) st ici du prmir ordr car l'équatio différtill régissat l circuit st du prmir ordr. Ls filtrs du prmir ordr sot gééral pu prformats (pt d'attéuatio limité à -db/décad). O put à partir d la simpl cllul R-C précédt costruir ds filtrs dot la pt d'attéuatio st -db/décad, il suffit par xmpl d disposr plusiurs clluls cascad. L'équatio différtill régissat l foctiomt d'u tl filtr costitué d clluls srait d l form : a d V ( t ) ( ) s d Vs t a V ( t) V ( t) + + + s (3) dt dt Soit V (p) t V s (p) ls trasformés d Laplac d V (p) t V s (p), la foctio d trasfrt H(p) du filtr s'écrit : ( ) H p ( p) ( ) Vs (4) V p a p + a p + + Il st facil d prédir l comportmt pour f t f, fft :
H( jω) si f t H( jω) si f (5) ω a La pt d'attéuatio st doc d -xdb/décad, il s'agit ici d'u filtr pass-bas du ièm ordr. Il st par cotr plus difficil d prédir l comportmt du filtr pour ls fréqucs itrmédiairs, clui-ci dépd ds cofficits a j (j, -,..., ), rmarquos qu'il xist u ifiité d filtrs pass-bas du ièm ordr. Pour facilitr la sythès ds filtrs (fair la sythès c'st chrchr la foctio d trasfrt H(p) tll qu la courb d répos fréquc obéiss à u crtai gabarit), o utilisra doc ds foctios stadards, c'st à dir ds foctios d trasfrt H(p) avc ds cofficits a j choisis tls qu H(jω) prést crtais caractéristiqus itérssats. La réalisatio ds filtrs fait d plus plus souvt appl aux tchiqus umériqus. Très succictmt, il s'agit d'échatillor l sigal aalogiqu d'tré V (t), o dispos doc d V (t) aux istats T, où T st la périod d'échatilloag, t o fait subir à cs échatillos u trasformatio mathématiqu. Pros l cas par xmpl du filtr pass-bas d prmir ordr, à l'équatio différtill précédt o fait corrspodr u équatio aux différcs fiis d la form : ( ) (( ) ) V ( T ) V ( T ) RC V T V T s + T s s (6) O obtit alors la rlatio d récurrc suivat prmttat d calculr l ièm trm d V s coaissat l (-) ièm trm t l ièm trm d V. ( ) (( ) ) ( ) V T s RC T RC V T T T RC V T s + (7) + + U filtr umériqu, c'st d'abord u algorithm d calcul. O put bi tdu ' rstitur u sigal aalogiqu V ( t) s à partir ds échatillos Vs ( T ) ffctuat par xmpl la covolutio par u bloquur d'ordr zéro d répos impulsioll ' h( t) [ U ( t) U ( t T )], l sigal d sorti st alors oté volotairmt V ( t) s pour l distigur du sigal V s (t) corrspodat à l'opératio d filtrag aalogiqu. ous étudiros par la suit ls différcs tr cs dux sigaux. Ici cor l'itérêt ds filtrs du prmir ordr st limité ; il ous faut doc établir ds rlatios d récurrc corrspodat à ds filtrs d'ordr. Comm précédmmt, il st à priori possibl d partir d l'équatio différtill d'ordr t d'écrir l'équatio aux différcs fiis corrspodat. O voit tout d suit la "lourdur" d ctt démarch. E fft, écrir par xmpl la dérivé d'ordr 4 sous form d différcs fiis rlèv prsqu ds "travaux d'hrcul"!.... Il ous faut doc dévloppr u méthodologi simpl prmttat d'obtir rapidmt ls foctios d récurrc ds filtrs umériqus. Ls cofficits ds filtrs sot gééral calculés par utilisatio d foctios modèls. Ls foctios modèls utilisés pour la sythès ds filtrs sot soit la répos impulsioll soit la répos fréquc d filtrs aalogiqus cous. Das l cas d'u foctio modèl d typ répos impulsioll, ls élémts h(k) d la répos impulsioll umériqu sot obtus calculat h(t), la répos
impulsioll du filtr aalogiqu, aux istats tkt. La foctio d trasfrt Z du filtr s'écrit doc : H( z) h( k ) z k k (8) Si la foctio d trasfrt H(z) st cou, alors il st facil d'écrir l'équatio d récurrc. E gééral, o priviligi la répos fréquc plutôt qu la répos impulsioll, das c cas la foctio modèl utilisé st la répos fréquc d'u filtr aalogiqu cou. La procédur st alors la suivat : coaissat la foctio d trasfrt aalogiqu H(p) (ou H(jω)) o chrch u rlatio foctioll p f ( z) tll qu la foctio d trasfrt isochro T ( j ) T ( jω ) st égal H(z) calculé pour z ( j T ) ω du filtr umériqu soit la plus proch possibl d H(jω) ; rapplos qu xp ω. Foctio d trasfrt aalogiqu H(p) Rlatio foctioll p f(z) Foctio d trasfrt umériqu H(z) Rlatio d récurrc y( ) Ctt démarch écssit d'u part d coaîtr ls filtrs aalogiqus t d'autr part d trouvr u rlatio foctioll p f(z). Ls filtrs umériqus, dot ous vos d parlr coduist à ds rlatios d récurrc, c'st à dir qu l'échatillo Vs ( T ) st obtu à partir d V (( ) s T ) t das l ( ) Vs j T, avc j,,... tc. Fialmt s dépd d tout l'histoir du sigal V ( t), ou plutôt ds V ( T ). C'st égalmt vrai das l cas ds filtrs aalogiqus, autrmt dit cs filtrs ot ds réposs impulsiolls ifiis. Ls filtrs umériqus aisi réalisés sot classés das la catégori ds filtrs RII ou IIR (Répos Impulsioll Ifii ou Ifiit Impuls Rspos), ou cor filtrs récursifs. Ls tchiqus umériqus prmttt cpdat d réalisr ds filtrs o récursifs. cas plus gééral à partir ds échatillos ( ) l'échatillo V ( T ) E fft, o put réalisr ds filtrs dot l'échatillo Vs ( T ) st simplmt calculé à partir d'u ombr fii d'échatillos V ( jt ) avc j,,, M. Cs filtrs ot doc ds réposs impulsiolls fiis, il sot classés das la catégori ds filtrs RIF ou FIR (Répos Impulsioll Fii ou Fiit Impuls Rspos). Ls cofficits ds filtrs RIF puvt êtr calculés par trocatur d la répos impulsioll d'u filtr idéal. Ls filtrs RIF ot l'avatag d'êtr toujours stabls, par cotr ils écssitt u grad ombr d cofficits c qui augmt l tmps d calcul t la plac mémoir.
II- Filtrag aalogiqu O distigu ciq typs d filtrs : - filtr pass-bas - filtr pass-haut - filtr pass-bad - filtr réjctur - filtr déphasur pur (gai costat q.q.s. la fréquc t phas dépdat d la fréquc). U filtr aalogiqu st caractérisé par sa foctio d trasfrt H(p) ; l gai complx H(jω) st obtu faisat pjω das H(p). D'u maièr gééral H(p) s prést sous la form : H( p) M i j a p i b p j i j avc M (9) L'ordr d'u filtr st doé par l dgré du polyom du déomiatur, c'st à dir. C'st l dgré d l'équatio différtill régissat l foctiomt du filtr (voir par xmpl équatios (3) t (4) ci-dssus). L'ordr du filtr défiit l comportmt asymptotiqu quad ω td vrs zéro ou l'ifii. Par xmpl, pour u filtr pass-bas d'ordr 4, la pt d ( ) Log H jω foctio d Log ω sra d -8dB/décad quad ω. L'ordr d'u filtr st doc u caractéristiqu importat. Ls filtrs d'ordr dux t d'ordr u occupt u plac d tout prmièr importac, fft u filtr d'ordr qulcoqu put êtr réalisé à partir d'u smbl d filtrs d'ordr dux t u si écssair. filtr ordr 5 filtr ordr filtr ordr filtr ordr Fig. Réalisatio d'u filtr d'ordr 5 Ls filtrs d'ordr u préstt pas d difficulté. Lur foctio d trasfrt st soit + p H p τp + τp pour u filtr pass-haut ( ) ( τ ) pour u filtr pass-bas, soit ( ) ( ) H p avc τ rél. O put s posr la qustio d l'itérêt ds filtrs d'ordr dux, fft il st à priori possibl d réalisr u filtr d'ordr dux à partir d dux filtrs d'ordr u. La mis cascad d dux filtrs d'ordr u costitu bi u filtr d'ordr dux, ll prmt pas toutfois d réalisr tous ls filtrs d'ordr dux, fft ls pôls d H(p) sot das c cas toujours réls. E coséquc ombr d filtrs d'ordr dux sot pas réalisabls par la mis cascad d dux filtrs d'ordr u.
ous allos ous itérssé plus particulièrmt aux filtrs d'ordr dux d typ pass-bas. Ls filtrs pass-bas sot d tout prmièr importac, d'u part parc qu'ils sot très utilisés t d'autr part parc qu la sythès ds autrs filtrs st gradmt facilité par la coaissac ds foctios d trasfrt ds filtrs pass-bas (voir suit du cours). II-- Filtrs pass-bas d'ordr dux La foctio d trasfrt d'u filtr pass-bas d'ordr dux st doc d la form : H( p) a () b + b p + b p A ctt form, o préfèr la form caoiqu suivat : H( p) A LP ω () p + pω Q + ω das laqull A LP st la gai aux basss fréqucs, fft H( j ) ω ω A LP, ω st la fréquc caractéristiqu t Q st applé cofficit d surtsio, la justificatio d cs dux gradurs apparaîtra clairmt par la suit. L modul d H(jω) st doé par : ( ω) H j A LP ω ω ω + ω Q () U étud rapid d H( jω ) foctio d ω motr qu ( ) d H( jω) ; fft impliqu qu ω ω ( ) maximum si Q dω Das l cas où Q. 77, il st facil d motrr qu : H jω préstra u Q. ( ω) ω ω ( Q ) H j A LP 4 Q Q QA LP si Q (3) c'st la raiso pour laqull Q st applé cofficit d surtsio. Pour u mêm valur du cofficit Q, ls tracés log H( jω ) foctio d log ω s déduist ls us ds autrs par u simpl traslatio, avc c systèm d'ax il xist doc u ifiité d tracés suivat la valur d la pulsatio caractéristiqu ω. Il st possibl d ramr tous ls tracés ayat u mêm valur d Q à u tracé uiqu à coditio d prdr comm ax ds x o plus log ω mais log (ω/ω ).
L'allur d log H( jω ) foctio d log (ω/ω ) st rprésté ci-dssous pour trois valurs différts du cofficit Q (Q.77, Q<.77 t Q>.77). log A LP log H(jω) Q>.77 Q.77 Q<.77 db pt d -4dB/décad log ( ω/ω ) Fig. 3 Courbs d gai pour Q.77, Q<.77 t Q>.77 A l'écritur d l'équatio () o préfèr u écritur variabl réduit, à ct fft o pos sp/ω, das c cas l'équatio () s'écrit : H( p) H( s) ALP s (4) + s Q + La foctio d trasfrt (4) st applé foctio d trasfrt ormalisé. Suivat la valur d Q ls filtrs portt ds oms différts, o distigu : a) Q.77 Buttrworth b) Q.577 Bssl c) Q.863 Chbyschv (rippl bad.5db) Q.8 Chbyschv (rippl bad db) Ls filtrs d Buttrworth ot ls courbs d répos ls plus plats das la bad passat (pas d rbod), c sot ls filtrs ls plus utilisés. Das la suit du cours, ous préstros la sythès ds filtrs uiqumt à partir ds filtrs d Buttrworth. Das l cas ds filtrs d Buttrworth, la pulsatio caractéristiqu ω st égal à la pulsatio d coupur à -3dB. E fft compt tu d la rlatio (), l modul d H(jω ) st égal à A LP / pour ωω si Q /. Ls filtrs d Chbyschv préstt u pt d'attéuatio (roll-off) supériur à 4dB/décad au voisiag d la fréquc d coupur. Ls filtrs d Chbyschv sot caractérisés par u odulatio das la bad passat (rippl bad), voir la défiitio sur l graph d la Fig. 4. Ls filtrs d Chbyschv sot caractérisés par la valur d Q t la pulsatio ω db ; c'st la pulsatio pour laqull l gai st d ouvau égal à A LP, c'st à dir l gai à la fréquc ull. Pour u filtr d rippl bad.5db, o a la rlatio :ω. 3ω db, pour u rippl baddb : ω. 97ω db.
log H(jω) log A LP rippl bad db db log ( ω /ω ) db log ( ω/ω ) Fig. 4 Filtr pass-bas d Chbyschv d'ordr dux Das l cas ds filtrs d Bssl, la pulsatio d coupur à -3dB st rlié à la pulsatio caractéristiqu ω par la rlatio : ω. 74ω 3dB. L'itérêt ds filtrs d Bssl résid das la phas liéair aux basss fréqucs. Trop souvt, o oubli la phas ϕ(ω) ds filtrs, or sa variatio avc la fréquc st u élémt importat das u opératio d filtrag, pour s' covaicr pros l cas d'u sigal costitué d trois siusoïds : ( ω ) ( ω ) ( ω ) ( t) Asi t + B si t + C si 3 t. L filtr st coçu par xmpl pour élimir la pulsatio ω 3 >ω,, ω ; l sigal spéré sorti du filtr st doc : sth ( t) Asi( ω t) + B si( ω t). Supposos qu l gai du filtr st voisi d l'uité pour ls dux pulsatios ω t ω t pratiqumt ul pour ω 3. Soit ϕ(ω ) t ϕ(ω ) ls phass rspctivs pour ls dux pulsatios ω t ω. L sigal s(t) après filtrag s'écrit doc : ( ω ϕ( ω) ) ω ϕ( ω ) s( t) A si t + + B si t + ( ) L sigal après filtrag st déformé, sauf si la phas ϕ( ω) arctg( H jω ) ( ) du filtr vari liéairmt avc la fréquc, fft das c cas o put écrit ϕ(ω)kω par xmpl, t l sigal s(t) s'écrit : ( ω ω) ( ω ω ) ( ω ( )) ( ω ) s( t) A si t + k + B si t + k A si t + k + B si ( t + k) s ( t + k) th E coclusio, si la phas ϕ(ω) vari liéairmt foctio d la fréquc, l sigal st simplmt traslaté mais o déformé. Pour quatifir la dépdac d ϕ(ω) foctio d ω, o itroduit l rtard d group τ d ϕ d ω (group dlay) ; u filtr à phas liéair a doc u rtard d group costat. E pratiqu, o put pas réalisr u filtr aalogiqu à phas liéair, l filtr d Bssl st clui dot la phas vari la plus liéairmt foctio d la fréquc das la bad passat.
B : L filtr pass-bas idéal srait clui dot la répos fréquc aurait l'allur suivat (gai uité das la bad passat t phas ull) : Gai -F F c c Phas f f Fig. 5 Pass bas idéal La répos impulsioll d'u tl filtr st doé par la trasformé d Fourir ivrs d H(f), avc H(f) pour -F c <f<f c t H(f) aillurs d'où : Fc si π h( t) df Fc ( πf t) j ft c Il st clair qu'u tl filtr st irréalisabl, fft il s'agit d'u filtr o causal (la sorti précèd l'tré). ous vrros das la suit du cours qu'il st possibl d réalisr ds filtrs umériqus RIF à phas liéair. πt
II-- Filtrs à capacités commutés Das ls filtrs uivrsls la pulsatio caractéristiqu ω st foctio ds costats d tmps τ t τ ds dux itégraturs. La modificatio d ω 'st doc pas très aisé. Ls filtrs à capacités commutés offrt u altrativ à c problèm, fft das cs filtrs la pulsatio ω st fixé par la fréquc f d'u sigal logiqu. L schéma élctriqu d bas d'u filtr à capacités commutés, ici u itégratur, st doé à la Fig. 6. K K U C - + C U s logiqu d commad à la fréquc f Fig. 6 Schéma d bas d'u filtr à capacités commutés (itégratur) Ls itrrupturs K t K (MOSFET commutatio) sot frmés ou ouvrts sychroism avc u sigal logiqu d fréquc f, suivat l chroogramm d la Fig. 7. Au ivau logiqu '' l codsatur C suit l sigal d'tré U. A l'istat T par xmpl la tsio aux bors d C st égal à U (T ). A l'istat T +, c'st à dir au ivau logiqu '' la charg du codstur C st trasféré itégralmt au codsatur C. Ctt opératio s'ffctu u tmps ul si o églig la résistac ds itrrupturs K t K. La tsio aux bors d C rstra costat jusqu'à l'istat (+)T, ( pratiqu C s déchargra très faiblmt, d'u part à caus du courat d polarisatio d l'amplificatur opératiol t d'autr part à caus d la coductivité élctroiqu du matériau costituat l diéltriqu du codsatur, cs dux quatités rstt cpdat très faibls). Pour détrmir l comportmt du filtr fréquc, l'utilisatio d la trasformé Z s'impos. Das u prmièr approch ous faisos cpdat u raisomt simplifié sas itroduir ct outil mathématiqu. α) Approch simplifié du filtr ous allos motrr qu l filtr s comport comm u itégratur d costat d tmps τr q C avc R q /C f T /C. A ct fft, supposos u sigal d'tré U AU(t) avc U(t) la foctio échlo. L sigal d sorti U s st costitué d marchs d'égal amplitud
comm l motr la Fig. 8. E écrivat la cosrvatio d la charg, o obtit u hautur d march d C A. C sigal logiqu d commad ds itrrupturs U '' '' K frmé K ouvrt K ouvrt K frmé K frmé K ouvrt T (+ )T (+)T t t tsio aux bors d C t U s - C U (T ) C T Fig. 7 Pricipaux sigaux du schéma d la Fig. 6 (+)T t Qull dvrait êtr la valur d R q du schéma (b) d la Fig. 9 pour qu la droit pass par ls sommts ds marchs? La droit a pour équatio : A C R q t L'accroissmt valur absolu d Us ' ( t ) (droit ) pdat u duré T st doc égal à : A C R T C A. E comparat ctt valur à la hautur d'u march, o obtit : C q R q T /C. O put coclur qu ls schémas (a) t (b) sot ds itégraturs d foctio d trasfrt H( p) τp avc τ R C T q C C. Il st clair qu l sigal U s (t) sra d'autat plus proch du sigal U s ' (t) qu ls marchs srot ptits doc qu la fréquc f sra élvé. Pour étudir plus détail l comportmt du filtr, par xmpl sa répos harmoiqu, il faut fair usag d la trasformé Z.
sigal logiqu d commad T t A Us -A T C R q droit t t -C A C -A t C R q Fig. 8 Répos du filtr à capacités commutés à u échlo d tsio K K U C - + C U s C U R q - + U s ' logiqu d commad à la fréquc f (a) (b) Fig. 9 Equivalc tr filtrs à capacités commutés t filtr aalogiqu β) Traitmt complt du filtr à capacités commutés Il st à otr qu l sigal d sorti U s srait ichagé mêm présc d'u sigal U tl qu clui rprésté poitillés à la Fig. 7. L filtr d la Fig. 6 réalis fait trois opératios disticts comm l motr la Fig., o distigu : ) u échatilloag : ls échatillos U () sot obtus par échatilloag du sigal U (t) à la fréquc f ) u traitmt umériqu ds échatillos U () : à la suit ds échatillos U () o fait corrspodr la ouvll suit ds échatillos U s () : C ( ) U U ( ) U ( ) s s C (4) L'équatio (4) traduit sulmt la cosrvatio d la charg.
3) u rcostructio aalogiqu par u bloquur d'ordr zéro U (t) échatilloag U () trasformatio ds échatillos U s () rcostructio aalogiqu par bloquur d'ordr zéro U s (t) domai tmporl domai fréqutil opératio opératio opératio 3 multiplicatio covolutio rlatio d récurrc foctio d trasfrt isochro Fig. Différts opératios réalisés par l filtr d la Fig. 6 covolutio multiplicatio Pour étudir la répos harmoiqu du filtr, supposos u tré d la form cosiusoïdal U (t)acos(ω t) t chrchos à détrmir U s (t) t so spctr. La trasformé d Fourir d U (t) s'écrit (au ss ds distributios) : A T. F. U ( ) ( ) ( ) [ t ] { δ f f + δ f + f } Ell st costitué d dux rais d'amplitud A/ situés aux fréqucs -f t f comm l motr la Fig. -a. Ls échatillos U () sot obtus par échatilloag, c'st à dir multiplicatio (au ss ds distributios) par l pig d Dirac : U ( ) U ( t) δ t kt T. F. U ( t) T. F. t kt k [ ( )] ( f f ) ( f f ) T. F. U ( ) T. F. [ U ( )] [ ] δ( ) A { δ δ } δ( f kf ) { δ( f f kf ) δ( f f kf ) A + + + + T T Il s'agit d'u spctr d rais d'amplitud A/T situés aux fréqucs...-f -f, -f +f, f, f, f -f, f +f,... comm l motr la Fig. -b. Chaqu composat d fréquc précédt st multiplié par la foctio d trasfrt isochro T (jω) d l'opératio. T (jω) st obtu calculat H(z) pour z j T ω, avc H(z) la foctio d trasfrt Z déduit d l'équatio d récurrc (4). D'après (4), o obtit rspctivmt pour H(z) t T (jω) : k k
C H( z) C ( z ) C T ( jω) ω C ( j T ) La trasformé d Fourir ds échatillos U s () st cor costitué d rais situés aux fréqucs...-f -f, -f +f, f, f, f -f, f +f,.... L'amplitud complx d'u rai st obtu multipliat A/T par l gai T (jω) calculé à la fréquc corrspodat. Du fait d la périodicité d T (jω), o otra qu T ( j ) Fig. -c. ω st l mêm pour touts ls rais, voir la (a) T.F. d U (t)acos(ω t) A/ -f f f (b) T. F. ds échatillos U () A/T f -f -f f +f f f -f f +f - -f (c) T. F. ds échatillos U s () A T (jω ) T -f -f f +f - -f f f -f f +f f (d) T. F. d U s (t) A j ω ( CT /C ) -f f f Fig. Spctrs ds différts sigaux d la Fig. L sigal d sorti U s (t) st l résultat d la covolutio ds échatillos U s () par u bloquur d'ordr zéro d répos impulsioll h( t) U( t) U( t T ). La trasformé d Fourir d U s (t) st doc obtu ffctuat l produit : T.F.[U s ()]xh(jω), avc H( jω ) T. F. h( t) jωt. L spctr d U jω s (t) st cor costitué d rais situés...-f -f, -f +f, f, f, f -f, f +f,..., comm l motr la Fig. -d. L'amplitud complx d'u rai d fréquc f st doé par :
A T C C jωt ( ) jωt ( ) jω A C A T C jω jπf T C C avc f [...-f -f, -f +f, f, f, f -f, f +f,... ]. O rtrouv l résultat obtu α) : l filtr s comport comm u itégratur d costat d tmps T C / C. La sorti U s (t) du filtr sra d'autat plus proch d'u cosiusoïd qu la fréquc d'échatilloag f sra grad dvat la fréquc d travail f. Si par xmpl, o impos qu la rai situé f -f soit ifériur à % à la rai pricipal situé f o ; il faut satisfair l'iégalité suivat : π ( f f ) T C C < d'où f T C f πf C E pratiqu il st cosillé d travaillr avc f >5f. B : O pourra cosultr, ax V, ls caractéristiqus tchiqus ds filtrs à capacités commutés MF6 t MF d atioal smicoductor. III- Filtrag umériqu U filtr umériqu st u algorithm d calcul qui fait corrspodr à u suit d'échatillos x() u autr suit d'échatillos y(). Das l cas l plus gééral l'échatillo y() s'écrit : i M i i j y( ) b x( i) + a y( j) C'st u gééralisatio du bloc umériqu du filtr à capacités commutés, où la rlatio d récurrc s'écrivait : j (4)
y ( ) C y ( ) C x( ) (a t a i pour i> ; b -C /C t b i pour i>) A partir d la rlatio (4) o put distigur dux typs d filtrs : α) ls filtrs à répos impulsioll fii (RIF) ou FIR (Fiit Impuls Rspos). Das cs filtrs tous ls cofficits a j sot uls, o obtit doc : i M y( ) b x( i) i i (4) L'échatillo y() dépd doc qu d'u ombr limité d'échatillos. La foctio d trasfrt H(z) s'écrit : Y( z) H( z) X( z) i M i b z i i (43) La trasformé H(z) st aussi la trasformé Z d la répos impulsioll h() ; H( z) h( k) z k. Il s'suit qu b i h(i), ls cofficits h(k) sot doc uls pour k>m, c'st k la raiso pour laqull cs filtrs sot applés filtrs à répos impulsioll fii. C sot ds filtrs toujours stabls car la sorti rvit toujours à zéro après supprssio d l'xcitatio. Exmpl d filtr RIF : x( ) + x( ) Soit l filtr obéissat à la rlatio suivat : y( ), suls ls dux prmirs cofficits b t b sot différts d zéro. La répos impulsioll d c filtr st rprésté ci-dssous. / Répos impulsioll Fig. Répos impulsioll du filtr y( ) x( ) + x( ) β) Filtrs à répos impulsioll ifii (RII) ou IIR (Ifiit Impuls Rspos), cs filtrs sot cor applés filtrs récursifs. Das cs filtrs ls cofficits a j sot différts d zéro, coséquc u échatillo y() dépd d tous ls échatillos x() passés. La trasformé H(z) d cs filtrs s'écrit : M Y( z) y( ) z bi x( i) z + a j y( j) z i j
M bi x( i) z + a j y( j) z i j E ffctuat ls chagmts d variabls (-i)u t (-j)v, o obtit : M M i j i i j i i j i j Y( z) b z X( z) + a z Y( z) X( z) b z + Y( z) a z d'où la foctio d trasfrt H(z) suivat : j j Y( z) H( i z) X( z) M j b z i i b z j j (44) La répos impulsioll d cs filtrs st doc ifii, coséquc cs filtrs puvt dvir istabls. Exmpl d filtr RII : x( ) + y( ) Soit l filtr obéissat à la rlatio suivat :y( ). La trasformé Z d c filtr s'écrit : H( z). La trasformé z ivrs prmt d détrmir z l'élémt h() d la répos impulsioll : h( ). Il s'agit bi d'u répos impulsioll ifii, l systèm st stabl, fft h( ) quad. La répos impulsioll du filtr st doé ci-dssous. / Répos impulsioll /4 /8 /6 3 tc Fig. 3 Répos impulsioll du filtr y( ) x( ) + y( ) III-- Critèr d stabilité ds filtrs umériqus Comm pour ls systèms aalogiqus la stabilité ds sytèms umériqus put êtr déduit du liu ds pôls das l pla complx ds z.
Soit doc H(z) la trasformé z d'u systèm umériqu, la décompositio élémts simpls d l'xprssio (44) coduit soit à ds trms d la form : A α) pour u pôl situé za ( az ) soit à ds trms : B + Cz pour ds pôls imagiairs cojugués situés βz + α z β) ( ) z, β ± j α β avc z, α. Ls trasformés ivrss ds cs dux xprssios sot rspctivmt (voir axs II t III) : A Aa U ( ) avc U() la séquc échlo ( az ) t B + Cz ( βz + α z ) ( ) K C / B + β α si( ωt ). [ α { ( ω ) ( ω )}] B cos T + K si T U ( ) avc cos( ωt ) β / α Cs dux suits covrgt à coditio qu a t α soit ifériurs à l'uité. E coséquc l critèr d stabilité ds systèms umériqus put s'éocr comm suit : U systèm umériqu st stabl si l modul ds pôls rst ifériur à l'uité. Das l pla complx ds z l liu ds pôls d'u systèm stabl st doc l crcl d rayo uité. Pla complx ds z zo d stabilité Fig. 4 Pla complx ds Z t liu ds pôls d'u systèm stabl Pour illustrr l critèr d stabilité, ous étudios trois filtrs umériqus simpls, u filtr RIF t dux filtrs RII dot u st istabl.
Exmpl : x( ) + x( ) Soit l filtr RIF obéissat à la rlatio y( ), c filtr a pour z trasformé Z ; H( z) +. H(z) prést doc u pôl z, l systèm st doc stabl. Suls ls dux prmirs élémts d la répos impulsioll h() sot différts d zéro ; h()h()/, h(i) pour i. Exmpl : x( ) + y( ) Soit l filtr RII obéissat à l'équatio récurrt y( ), c filtr a z pour trasformé Z ; H( z). H(z) prést doc u pôl z/, l systèm st ( z ) doc stabl. Sa répos impulsioll st : h( ) ( / )( / ), ll covrg vrs zéro quad. Exmpl 3 : Soit l filtr RII obéissat à l'équatio récurrt y( ) x( ) + y( ), c filtr a z pour trasformé Z ; H( z). H(z) prést u pôl z, doc à l'xtériur du ( z ) crcl uité, l systèm st doc istabl. Sa répos impulsioll st : h( ) ( ), ll divrg quad. III-- Comportmt fréqutil ds filtrs umériqus L comportmt fréqutil ds filtrs umériqus st obtu étudiat la foctio d trasfrt isochro T (jω); T ( jω) H( z) où T st la périod d'échatilloag z j ω T (voir ax I). T (jω) st égalmt la trasformé d Fourir umériqu ds échatillos h() d la répos impulsioll (voir Vol.4). ( ω) T j H( z) ω h( ) j T z jωt h( ) cos( ωt ) + j h( )si( ωt ) (45) O rappll qu T (jω) st u foctio périodiqu d la fréquc, d périod f /T, par aillurs la parti réll d T (jω) st pair alors qu la parti imagiair st impair. Pour illustrr la sigificatio d T (jω), pros la cas d'u systèm umériqu attaqué par u séquc Acos(ω T ). E régim prmat, la sorti du systèm sra cor u séquc cosiusoïdal, ll s'écrit : A T ( jω ) cos ω T ϕ ( ω ) ( ) + avc ( ) arctg T ( j ) ϕ ω ω ω ω Rmarqu : La foctio d trasfrt isochro T (jω) st cor la trasformé d Fourir umériqu d la répos impulsioll h().
Pour ls systèms aalogiqus, l'équivalt d T (jω) st H(jω) obtu faisat pjω das H(p). H(jω) st cor la trasformé d Fourir d la répos impulsioll h(t) du jωt systèm aalogiqu : H( jω) h( t) dt pour u systèm causal. III - 3 - Sythès ds filtrs RII Ls cofficits a j t b i d la rlatio (4) sot gééralmt obtus à partir d'u foctio modèl. La foctio modèl utilisé st soit la répos fréquc soit la répos impulsioll d'u filtr aalogiqu cou, par xmpl u filtr pass-bas d typ Buttrworth du 4 èm ordr. ous traitos succssivmt ls dux cas. α) la foctio modèl st la répos fréquc : trasformé biliéair Soit doc u filtr aalogiqu dot la foctio d trasfrt H(p) st cou. La répos fréquc du filtr H(jω) st obtu calculat H(p) pour pjω. Filtr aalogiqu H(p) ; H(jω) U U () Echatillour Filtr umériqu H(z) ; T (jω ) traitmt umériqu U s () T U s Fc filtr d rcostructio aalogiqu Fig. 5 Equivalc tr filtrs aalogiqus t umériqus L filtr umériqu équivalt comprd trois blocs. L prmir bloc réalis l'échatilloag, l duxièm bloc réalis l traitmt umériqu proprmt dit, il st caractérisé par u foctio d trasfrt H(z), l troisièm bloc st u filtr d rcostructio aalogiqu. O rappll qu si l sigal U st à bad passat limité B max t si l filtr d rcostructio st idéal avc u fréquc d coupur F c tll B max <F c <f -B max alors U s U si H(z), autrmt dit U s ()U (). E coséquc si o vut réalisr u filtr umériqu qui ffctu l mêm traitmt qu l filtr aalogiqu d répos fréquc H(jω), il faut vérifir l'égalité suivat : H( jω) H( p) T ( jω) H( z) p j z j ω T ω (46) H(z) st doc obtu faisat p log( z) das H(p). T Exmpl : pros l cas d'u filtr pass-bas avc H(p)/(+τp), o obtit pour H(z) :
H( z) τ + log( z) T O vérifi bi qu T ( jω) τ + T log jωt ( ) H( jω) τ T j T + jωτ + ω E gééral, la foctio d trasfrt H(p) st sous form ratioll (quotit d dux polyoms p), il s'suit qu la trasformé z obtu faisat p log( z) T coduit pas à u form ratioll pour H(z). Si H(z) 'st pas sous u form ratioll alors il st impossibl d'obtir la rlatio d récurrc (4), t par coséqut d'implémtr l filtr. O procèd alors à u approximatio qui cosist à dir qu T (jω) sra proch d H(jω) pour ls basss fréqucs, approximatio tout à fait légitim. E fft, u opératio d filtrag umériqu écssit au préalabl u échatilloag à la fréquc F, c qui suppos qu touts ls fréqucs supériurs à F / ot été élimiés, sio il y a rplimt ds spctrs. E coséquc, la rlatio p log( z) st approximé par la form ratioll T suivat : z p T z + (47) obtu chrchat u dévloppmt quad pt rst voisi d zéro. démostratio : Si pt rst voisi d zéro ; z st voisi d l'uité. Posos alors z(+x)/(-x) avc x <<, t chrchos u dévloppmt limité d log[(+x)/(-x)] pour x ptit dvat l'uité. Il vit : + x log log( + x) log( x) ( x x / + x 3 / 3+...) ( x x / x 3 / 3+...) x x, cosrvat qu ls trms au prmir ordr. Par aillurs, x(z-)/(z+), o obtit fialmt : log( z) ( z ), d'où la rlatio d passag d l'spac ds p à l'spac ds z : ( z + ) z p T z +
La trasformatio approché (47) fait qu ls filtrs aalogiqus t umériqus aurot l mêm gai pour dux fréqucs f a t f différts comm l motr la Fig. 6. Chrchos la rlatio tr f a t f. T (j ω ) H(jω ) f f a F / Fig. 6 Filtrs aalogiqu t umériqu ot mêm valur d gai pour dux fréqucs f a t f différts L gai du filtr aalogiqu H(p) st obtu rmplaçat p par jω a t clui du filtr umériqu H(z) rmplaçat z par jω T, d'après (47) la rlatio tr f a t f st doé par : z p j a T z + ( ) ω T jω T ( + ) T jω T jω T / jω T / jω T / jω T / ( ) jω T / jω T / ( + ) jω a ( ) T jtg T f πf ω / f a tg (48) π f Sur la Fig. 7, f a st tracé foctio d f. O rmarqu qu pour la fréquc f f /, l filtr umériqu aura l gai du filtr aalogiqu à la fréquc ifii ( f a ). f a pt -f / f / f Fig. 7 variatio d f a foctio d f
L factur /T d la rlatio (47) apparaît uiqumt comm u factur d'échll, il st rmplacé par u costat k à détrmir. Fialmt, la trasformatio pour passr du pla ds p au pla ds z s mt sous la form suivat : p k z z + (49) Ctt trasformatio st cou sous l om d trasformé biliéair. Ls filtrs aalogiqu t umériqu aurot l mêm gai pour ds fréqucs f a t f. Cs fréqucs sot obtus rmplaçat das (49) p par jω a t z par jω T, o obtit : f k tg π f / f (5) π ( ) a La costat k st calculé d tll maièr qu filtrs aalogiqu t umériqu ait l mêm gai pour u fréquc particulièr doé f p, comm l motr la Fig. 8. E gééral, ls foctios d trasfrt ds filtrs aalogiqus sot doés avc la variabl s p / ω, où ω st la pulsatio caractéristiqu, par xmpl la pulsatio d coupur à -3dB pour u filtr d typ Buttrworth. Il suffit d modifir comm suit la rlatio (49) : p k z z + p k z s K z avc K k ω ω z + z + ω (5) D la mêm maièr la rlatio (5) dvit : f k f a k f a tg ( π f / f ) tg( πf / f ) K tg( πf / f ) (5) π f πf f a f a pt T (j ω ) H(jω ) f p -f / f p f / f f p F / Fig. 8 La costat k st calculé d faço H(jω p )T (jω p )