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Procesamiento de señales II




Enviado por Pablo Turmero



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    Presentación Objetivo general Presentar una
    introducción a los fundamentos de filtros digitales,
    así como sus parámetros importantes y
    clascificación. Temática Introducción al
    procesamiento digital de señales y a los filtros
    digitales. Metodología Presentación general de la
    temática, discusión del tema por parte de los
    estudiantes.

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    Contenido de la presentación Introducción a los
    fundamentos de filtros digitales. Conceptos básicos.
    ¿Cómo se representa la información en las
    señales? Parámetros en el dominio del tiempo.
    Parámetros en el dominio de la frecuencia. Filtros Pasa
    Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Clasificación de
    filtros.

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    Introducción a los filtros digitales Definiciones. El
    término filtro es comúnmente usado para describir
    un dispositivo que discrimina, acorde a algún atributo los
    objetos aplicados a su entrada (Proakis, Manolakis, 1996). En
    general, el filtrado es el procesamiento sobre una señal
    en el dominio del tiempo que ocasiona algún cambio en el
    contenido espectral de la señal original. Con el objetivo
    de reducir o filtrar ciertos componentes espectrales no deseados.
    (Lyons, 2004). Una aplicación de un sistema discreto LTI
    es dejar pasar ciertos componentes de frecuencia de una secuencia
    de entrada sin ninguna distorsión (si es posible) y
    bloquear otros componentes de frecuencia. Esos sistemas se llaman
    filtros. (Mitra, 2005)

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    Introducción a los filtros digitales Los propósitos
    generales de los filtros digitales son: Separación de
    señales que han sido combinadas. Restauración de
    señales que han sido distorsionadas de alguna manera.
    (Smith, 1999)

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    Introducción a los filtros digitales La separación
    de señales es necesaria cuando una señal ha sido
    contaminada con interferencia, ruido Un ejemplo se puede
    encontrar, cuando se quiere examinar el latido del corazón
    de un bebe cuando se encuentra aún en el útero de
    su madre. Se hace un dispositivo que discrimine entre el latido
    del corazón de la madre con la del bebe.

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    Introducción a los filtros digitales La
    restauración de una señal se usa cuando la
    señal ha sido distorsionada de alguna manera. Un ejemplo
    de ello, es cuando se trata de restaurar una señal de
    audio, contaminada con el ruido que se produce por la mala
    calidad de la grabadora, o por ejemplo en una imagen que ha sido
    contaminada con ruido granular, o por lentes mal enfocados.

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    Contenido de la presentación Introducción a los
    fundamentos de filtros digitales. Conceptos básicos.
    ¿Cómo se representa la información en las
    señales? Parámetros en el dominio del tiempo.
    Parámetros en el dominio de la frecuencia. Filtros Pasa
    Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Clasificación de
    filtros.

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    Conceptos básicos Cada filtro lineal tiene una respuesta
    al impulso (impulse response), una respuesta al escalón
    unitario (step response), y una respuesta en frecuencia
    (frequency response) . Cada una de estas respuestas contiene una
    información completa de todo el filtro. Estas
    representaciones son importantes, porque describen como
    reaccionará el filtro bajo diferentes
    circunstancias.

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    Conceptos básicos Figura 1.1. En el siguiente
    gráfico se muestra a) la respuesta al impulso, b) la
    respuesta al escalón y c) la respuesta en frecuencia .
    (Smith, 1999)

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    Conceptos básicos La manera más directa de
    implementar un filtro digital es a través de la
    convolución de la señal de entrada con la respuesta
    al impulso del filtro digital. Todos los filtros lineales
    posibles se pueden realizar de esta manera. Cuando los
    diseñadores de filtros utilizan a la respuesta al impulso
    de esta manera, se la conoce como kernel del filtro.

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    Conceptos básicos

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    Conceptos básicos Como vimos en la figura 1.2. La
    respuesta al impulso es la salida del sistema cuando la entrada
    es un impulso. De la misma manera la respuesta al escalón
    es la salida cuando la entrada es un escalón. Hay dos
    maneras de obtener esta respuesta. (1) Alimentado la entrada del
    filtro con un escalón y ver que se obtiene a la salida.
    (2)Integrar la respuesta al impulso. La respuesta en frecuencia
    se encuentra, tomando la DFT (usando el algoritmo FFT) de la
    respuesta al impulso.

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    Conceptos básicos La respuesta en frecuencia se puede
    trazar ya sea de manera lineal como en la figura 1.1(c), o a
    través de una escala logarítmica (decibeles) como
    se muestra en 1.1(d). La escala lineal es la mejor para mostrar
    el rizado en la banda de paso y el roll-off, mientras que la
    escala en decibeles es necesaria para mostrar la
    atenuación en la banda de rechazo.

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    Contenido de la presentación Introducción a los
    fundamentos de filtros digitales. Conceptos básicos.
    ¿Cómo se representa la información en las
    señales? Parámetros en el dominio del tiempo.
    Parámetros en el dominio de la frecuencia. Filtros Pasa
    Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Clasificación de
    filtros.

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    ¿Cómo se representa la información en las
    señales? Hay muchas formas en que la información
    pueda ser contenida en una señal, especialmente aquellas
    señales hechas por el hombre (Ej.: AM, FM, PCM, PWM,
    etc.). Afortunadamente, solo hay dos formas en la cual la
    información más común pueda ser representada
    naturalmente: Representación de la info en el dominio del
    tiempo. Representación de la info en el dominio de la
    frecuencia.

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    ¿Cómo se representa la información en las
    señales? En la información representada en el
    dominio del tiempo se describe cuando ocurre algo y la incidencia
    en la amplitud. En contraste, la representación en el
    dominio de la frecuencia es más indirecta. Muchas cosas en
    el universo muestran movimientos periódicos. La lectura de
    la frecuencia, fase, y amplitud de estos movimientos
    periódicos, nos pueden dar información del sistema
    que los esta produciendo.

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    ¿Cómo se representa la información en las
    señales? La respuesta al escalón describe como la
    información representada en el dominio del tiempo ha sido
    modificada en el sistema. En contraste la respuesta en frecuencia
    muestra como la representación en el dominio de la
    frecuencia es cambiada. Una buena performance en el dominio del
    tiempo resulta una pobre performance en el dominio de la
    frecuencia, y viceversa.

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    Contenido de la presentación Introducción a los
    fundamentos de filtros digitales. Conceptos básicos.
    ¿Cómo se representa la información en las
    señales? Parámetros en el dominio del tiempo.
    Parámetros en el dominio de la frecuencia. Filtros Pasa
    Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Clasificación de
    filtros.

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    Parámetros en el dominio del tiempo Figura 1.4.
    Parámetros en el dominio del tiempo

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    Parámetros en el dominio del tiempo La respuesta al
    escalón es usada para medir que tan bien un filtro se
    ejecuta en el dominio del tiempo. Hay tres parámetros que
    son importantes: Velocidad de transición (risetime), se
    muestra en (a) y (b). Overshoot, se muestra en (c) y (d).
    Linealidad de fase (simetría entre los topes alto y bajo
    del escalón), que se muestra en (e) y (f).

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    Contenido de la presentación Introducción a los
    fundamentos de filtros digitales. Conceptos básicos.
    ¿Cómo se representa la información en las
    señales? Parámetros en el dominio del tiempo.
    Parámetros en el dominio de la frecuencia. Filtros Pasa
    Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Clasificación de
    filtros.

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    Parámetros en el dominio de la frecuancia Figura 1.5. Las
    cuatro respuestas en frecuencia más comunes.

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    Parámetros en el dominio de la frecuencia En la figura 1.5
    se muestra las cuatro respuestas en frecuencia básicas. El
    propósito de estos filtros es el paso de algunas
    frecuencias de manera inalterada, mientras se bloquea
    completamente otras frecuencias. La banda de paso (passband) se
    refiere a esas frecuencias que están permitidas a pasar.
    La banda de rechazo (stopband) contiene esas frecuencias que son
    bloqueadas. La banda de transición esta entre la banda de
    paso y banda de rechazo. La división entre la banda de
    paso y la banda de transición se llama frecuencia de
    corte.

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    Parámetros en el dominio de la frecuencia Figura 1.6.
    Parámetros para evaluar la performance en el dominio de la
    frecuencia. Las respuestas en frecuencia que se muestran son para
    filtros pasa bajos. Tres parámetros son importantes:
    nitidez de roll-off, se muestra en (a) y (b), (2) rizad en la
    banda de paso se muestra en (c) y (d), y (3) atenuación en
    la banda de rechazo, que se muestra en (e) y (f).

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    Parámetros en el dominio de la frecuencia En la figura 1.6
    se muestran tres parámetros que nos muestran que tan bien
    se ejecuta el filtro en el dominio de la frecuencia. Para separar
    las frecuencias espaciadas muy cerca, el filtro debe tener un
    rápido roll-off, como se ilustra en las figuras (a) y (b).
    En la banda de paso para que las frecuencias se muevan a
    través del filtro sin alteraciones, no debe haber rizado
    en la banda de paso (passband ripple), como se muestra en (c) y
    (d). Para bloquear las frecuencias en la banda de rechazo, es
    necesario tener una buena atenuación en la banda de
    rechazo (stopband attenuation), se puede apreciar en (e) y
    (f).

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    Contenido de la presentación Introducción a los
    fundamentos de filtros digitales. Conceptos básicos.
    ¿Cómo se representa la información en las
    señales? Parámetros en el dominio del tiempo.
    Parámetros en el dominio de la frecuencia. Filtros Pasa
    Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Clasificación de
    filtros.

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    Filtros Pasa Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Los filtros
    pasa-altos, pasa-bandas, y rechaza banda se diseñan a
    partir de los filtros pasa-bajos. Hay dos métodos para
    convertir un pasa-bajos en un pasa-altos: Inversión
    espectral. (invertir simétricamente) Reversión
    espectral. (revertir el kernel)

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    Filtros Pasa Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Figura 1.7:
    Ejemplo de inversión espectral, El kernel del filtro
    pasa-bajos en (a) tiene su respuesta en frecuencia en (b). Un
    kernel de un filtro basa-altos, (c), se forma cambiando el signo
    de cada muestra en (a), y sumándole uno a la muestra en el
    centro de simetría. Esta acción en el dominio del
    tiempo invierte el espectro de frecuencia, como se muestra en la
    respuesta en frecuencia en (d).

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    Filtros Pasa Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Figura 1.8:
    Diagrama de bloques de la inversión espectral. En (a), la
    señal de entrada , x[n], se aplica a dos sistemas en
    paralelo, teniendo la respuesta al impulso h[n] y d[n]. Como se
    muestra en (b), el sistema combinado tiene una respuesta al
    impulso de d[n]- h[n] . Esto significa que la respuesta en
    frecuencia del sistema combinado es la inversión de la
    respuesta en frecuencia de h[n].

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    Filtros Pasa Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Figura 1.9:
    Ejemplo de reversión espectral. El kernel del filtro
    pasa-bajos en (a) tiene una respuesta en frecuencia que se
    muestra en (b). Un kernel de filtro pasa-altos, (c), se forma
    cambiando el signo de cada muestra sucesiva de las muestras en
    (a). Esta acción en el dominio del tiempo resulta en un
    vuelco en el dominio de la frecuencia de izquierda a derecha,
    resultando en la re4spuesta en frecuencia de un filtro pasa altos
    en (d).

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    Filtros Pasa Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Figura 1.10:
    Diseñar un filtro pasa-banda como se muestra en (a), se
    puede formar poniendo es cascada un filtro pasa-bajos con un
    filtro pasa-altos. Se puede reducir este proceso a un solo
    estado, como se muestra en (b). El kernel del filtro de un solo
    estado es igual a la Convolución de los kernel pasa-bajos
    y pasa-altos.

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    Filtros Pasa Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Figura 1.11: Como
    se muestra en (a), un filtro rechaza-banda se forma por la
    combinación en paralelo de un filtro pasa-bajos y un
    filtro pasa-altos con sus salidas sumadas. La figura (b) muestra
    el diagrama reducido a una sola etapa, con el kernel del filtro a
    través de la sumatoria de los kernels de un filtro
    pasa-bajos con un filtro pasa-altos.

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    Contenido de la presentación Introducción a los
    fundamentos de filtros digitales. Conceptos básicos.
    ¿Cómo se representa la información en las
    señales? Parámetros en el dominio del tiempo.
    Parámetros en el dominio de la frecuencia. Filtros Pasa
    Altos, Pasa Banda, Rechaza Banda. Clasificación de
    filtros.

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    Clasificación de filtros.

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