19 sept 2005 · 1 1 7 Étude des filtres numériques RII en virgule fixe Les calculs d'une cellule du second ordre d'un filtre RII sont donnés par l'équation ci-dessous où les ai et bi sont des On prendra N = 7 dans la suite de l'exercice
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filtre RII 9) [ V ] Les filtres à transformée de Fourier permettent d'obtenir des réponses en fréquence de forme arbitraire 10) [ V ] La transformation bilinéaire
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Exercice 1 (56) On considère un signal temps discret non-périodique défini par xn = δn − 1 1δn−4 avec fe Exercice 5 (33) Un filtre anti-repliement de spectre est souvent placé avant l'échantillon- nage A quoi Le type de filtre (RII,RIF) 2
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1) De quel type de filtre s'agit-il (RII, RIF) et quel est On considère le filtre RII suivant : TRAITEMENT NUMERIQUE DU SIGNAL - CORRIGE DU TD N°1 -
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Introduction En traitement du signal, on appelle filtre un système destiné à impulsionnelle infinie, en abrégé “filtre RII” 13 M1 RI Exemple (exercice) 40
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7 2 EXEMPLE 2: FILTRE PASSE-BAS DU DEUXIÈME ORDRE On dit que c' est un filtre à réponse impulsionnelle infinie ou filtre RII (ou encore IIR) { } { }
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ÉlectroniqueetInfo rmatiqueIndustrielle2
nde année- EII219septembre 2005
TraitementNumériqueduSignal
Fasciculedetravaux dirigéset examens
OlivierSentieys, DanielMénard
ENSSAT-Universitéde Rennes1
sentieys@enssat.fr http://www.irisa.fr/R2D26Rue deKerampont -BP447
22305LANNION- France
IRISA - ENSSAT
SATENSENSSAT
Institutde RechercheenInfo rmatiqueetSystèmes Aléatoires ÉcoleNationaleS upérieured eSciencesAppliquéesetdeTechnologieTechnopôleAnticipaLannion
iiTabledesmatières
1.1Analyse desfiltresnumérique s........ .............. .......1
1.1.1Celluleélé mentairedupremierord reRII...................1
1.1.2Celluledu secondordreRIIpuremen trécur sive.............. ..1
1.1.3Analysed'un filtrenumériqueRIF.. ............ .........2
1.1.4Filtragenumérique RIF(1) ... ... ..... ... ... ... ... ... 4
1.1.5Filtragenumérique RIF(2) ... .. ...... ... ... ... ... .. .4
1.1.6Filtragenumérique RIFc ascade.. ... ...... ... .. ... ... ..4
1.1.7É tudedesfiltresnumériquesRII envirgulefixe ... ... ..... ... ..5
1.2Synthèse desfiltresRII. ... ... ...... .. ... ... ... ... ... ..9
1.2.1Filtrepasse basdu deuxièmeo rdre.. ..... ...... ...... ... 9
1.2.2Filtrepasse haut. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ..10
1.3Synthèse desfiltresRIF... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .. .10
1.3.1Méthodedufe nêtrage............. ...... ..........10
1.3.2Métho dedel'échantillonnagefréquentiel..... ... .. ... ... ... 11
1.4Trans forméedeFourierDiscrèteetRapide(T FDetTF R)..............13
1.4.1TFDbidimensionnelle.... ... ... .. ... ... ... ... ... ..13
1.4.2Transformée deFourierGlissante........... ..... .......13
1.4.3Transformée deFourierenBase4............. ..... ....13
1.4.4Optimisationdu calculdela TFRd'unesuite denombres réels. ... ... 13
1.4.5Optimisationdu calculdela TFRdedeux suitesdenomb resréels ... ..14
1.4.6ComparaisonentreTFSDetTFD ...... ... .. ... ... ... ..14
1.4.7TFDparconvo lution... ........ ..................15
1.4.8BruitsdanslaTFD. ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... 15
1.4.9Étude desbruitsdec alculdans latransformée deFourierRapide. .....16
1.4.10CalculsdeTFD... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... 17
1.4.11Transforméee ncosinusdiscretrapide........ ...... .......17
1.5Analyse spectrale........ .......................... .19
1.5.1Questions..... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .19
1.5.2Analysespe ctraled'unsignals inusoïdal................. ...19
1.5.3Analysespe ctraled'unsignal. ........................19
1.6Convolu tion......................... ... ... .. ... ..19
1.6.1Calculd'un econvolution...... ............... ......19
1.6.2Complexitéd ecalculd'uneconvolution.... ..... ...........20
1.7Interpolationet décimation..... ... ... ... .. ... ... ... ... ..20
1.7.1Interpolationlinéaire... ...... .. ... ... ... ... ... ... .20
11.7.2Suréchantillonnage ...... ... .. ... ... ... ... ... ... .. 20
2Cor rectionsdesTravauxDirigésenTN S21
2.1Analyse desfiltresnumérique s........ .............. .......21
2.1.1Celluleél émentairedupremieror dreRII...................21
2.1.2Celluledus econdordreRIIpurement récurs ive............... .21
2.1.3Analysed'un filtrenumériqueRIF.. ............ .........21
2.1.4Filtragenumérique RIF(1) ... ... ..... ... ... ... ... ... 21
2.1.5Filtrage numériqueRIF( 2).. ... ...... .. ... ... ... ... .21
2.1.6FiltrageNumérique RIFcascade ... ... ..... ... ... ... ... 23
2.1.7Étude desbruitsdec alculdans lesfiltresnumériquesRI I..... .....23
2.2Synthèse desfiltresRII.. ... .. ...... ... ... ... ... .. ... ..23
2.2.1Filtrepasse basd udeuxième ordre. ...... ..... ...... ... .23
2.2.2Filtrepasse haut.. ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .23
2.3Synthèse desfiltresRIF... ... .. ... ... ... ... ... ... .. ... .23
2.3.1Méthodedu fenêtrage............ ...... ...........23
2.3.2Métho dedel'échantillonnagefréquentiel.... ... ... .. ... ... .24
2.4Transf orméedeFourierDiscrèteetRapide(TF DetTFR )..............26
2.4.1TFDbi-dimensionnelle.... ... ... .. ... ... ... ... ... ..26
2.4.2Transformée deFourierGlissante........... ..... .......26
2.4.3Transformée deFourierenBase4............. ..... ....26
2.4.4Optimisationdu calculdela TFRd'unesuite denombres réels. ... ... 26
2.4.5Optimisationdu calculdela TFRdedeux suitesdenomb resréels ... ..26
2.4.6Comparaison TFTDetTFD... ... ... .. ... ... ... ... ..27
2.4.7TFDparconvo lution... ........ ..................28
2.4.8CalculsdeTFD.. ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... .28
2.4.9Transformée enCosinusRapide............... ..... ....29
2.5Analyse spectrale........ .......................... .31
2.5.1Questions..... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .31
2.5.2Analysespe ctraled'unsignals inusoïdal................. ...32
2.5.3Analysespe ctraled'unsignal. ........................32
2.6Convolu tion......................... ... ... .. ... ..32
2.6.1Calculd'un econvolution...... ............... ......32
2.6.2Complexitéd ecalculd'uneconvolution.... ..... ...........32
2.7Interpolationet décimation..... ... ... ... .. ... ... ... ... ..32
2.7.1Interpolationlinéaire... ...... .. ... ... ... ... ... ... .32
2.7.2Suréchantillonnage ...... ... .. ... ... ... ... ... ... .. 32
3Exa mens33
3.1DSnovemb re2004 ...... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ..33
3.2DSnovemb re2003. ...... ... .. ... ... ... ... ... ... ... .37
3.3DSnovemb re2002. ...... ... ... .. ... ... ... ... ... ... .41
3.4DS novembre2001 ...... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ..44
2 34Cor rectionsdesexamens49
4.1Co rrectionduDSdedécembre 2004.. ... ... ..... ... ... ... ... 49
4.2Correction duDSdenovembre2003 ... ... .. ...... ... ... ... ..52
4.3Correction duDSdenovembre2002 ... ... .. ...... ... ... ... ..54
4.4Correction duDSdenovembre2001 ... ... .. ...... ... ... ... ..56
AAbaquesdefiltrageanalogique59
A.1Filtresde Butterworth ... ........ ... ... ... ... ... ... ... .59 A.2Filtres deB essel..... ...... ... .. ... ... ... ... ... ... .. 59 A.3Filtresd eC hebyshev.... ......... .. ... ... ... ... ... ... .62 A.4Filtrese lliptiquesde Cauer.... ..... ...... ... ... ... .. ... .63Chapitre1
TravauxDirigésenTraitement
Numériquedu Signal
1.1Analyse desfiltresnumériques
1.1.1Celluleélémen tairedu premierordreRII
Soitlesystè mequi,à lasuitededonnéesx(n),f aitcorrespon drelasuitey(n)telleque: y(n)=x(n)+b.y(n-1) oùbestuneconstan te.1.Donn erlesréponsesimpul sionne llesetindiciellesdecesys tème.pardeuxméthodes
(suitenumérique, transforméeenZ).Que peutondir edelastabilit édufil tre.2.Étud ierl'analogieaveclesy stèmecontinudeconstantedetemp st,échantillonnéavec
lapé riodeT.3.Étudierla réponse fréquentielle dufiltre.
4.Donn erlastructurederéa lis ationdufiltre.
1.1.2Celluledu secondordreR II purementr écursive
Soitlesystèm equi,àl asuitededonnéesx(n),fa itcorrespond relasuitey(n)telleque : y(n)=x(n)-b 1 .y(n-1)-b 2 .y(n-2)1.Donn erlafonctiondetran sfe rtenZdusystème.
2.Endéduire laréponse impulsionnelledufiltre numérique.
3.Étudierla réponsefréquen tielledufiltre. Onregarderaplusparticulièrementl'influence
descoe ffi cientsb 1 etb 2 surlespôl esdelaf onctiondetransf ertH(z).4.Tracer lediagrammedespôles etzéros.
5.Don nerlesstructuresder éalis ation.
12TravauxDirigésenTrai tementNumériqueduSig nal
xy h0 h2 h3 h4 h6 T TTTTT T T T TFig.1.1:FiltreFIR
1.1.3Analysed'un filtrenumérique RIF
Soitunfiltre àréponse impulsionnellefiniedon tlesc hémadefonctionnementdans ledomaine temporelestdonnéfigure 1.1.Onp oseT
e lapério ded'échantillonnagedusystèmenumérique,T e =1.1.1.3.1E tudedelaréponse fréquentielle
1.Donn erlesexpressionsde l'équa tionauxdi
fférencesfiniesainsique lafonctiondetra ns-
fertenZ.2.Dét erminerettracerlaréponseimpuls ionnel leh(n)dufiltr e,lorsqueh
1 =h 5 =0.1, h 2 =h 4 =-0.3,h 3 =0.49.3.Calculerla réponsef réquentielleH(e
jΩ )dufilt re.Déterminersonmod uleetsaphase.Onnoteque :
e -jΩ 1 +e -jΩ 2 =2×e -j 1 2 2×cos(
2 1 24.Don nerlesvaleursdumodul eenΩ=0,π/2,,π,2π.
5.Tra cerapproximativeme ntsonmodule.Dequeltypedefiltres'agit-il?
1.1.3.2Description lel'architectureDSPcible
Nousavonsunc alculateurdety peDSP( spécialisédansletraitementdusigna l)don tles caractéristiquessont lessuivantes: -lec ycl ed'horlogeestd e100ns -les opérat ionsd'accumulation,oudemultip lication/additionsontexécutéesenuncycle; -les calcul ssontréalisésensimpl eprécision; -les donnée senentréeetensortied umulti plieursontcodéess urbbits; -les donnée senentréeetensortied el'add itionneursontcodé essurbbits; -les donnée ssontstockéesenmémoi resurbbits; -leb itd esignered ondan tissudelamultip licationn'estpasautomatiqu ementélimin é;1.1Analysedes filtresnumériques 3
-lalo id equant ificati onutiliséeestl'arrondi.1.1.3.3Complexitéd el'implantation dufiltre
1.Quel leestlacomplexitéd ufiltretel quer éaliséfigure1.1ennombredemulti plica tions
etd'ad ditions.Quelestlenombredemotsmémoiresn écessairesà l'exécuti ond ucalcul. (onconsidéreraune complexitépour Npointsdusignald' entrée traités).2.Quelleest danscecas lafréquenced'éc hantillonnagemaximale dusignal?
3.Donnerun schéma deprincipe deréalisationdufiltredansledomainefréquen tiel.Quelle
estlacomp lex itéalgorithmiquedecettenouvel lesolution(opérationsetmotsmémoire)? Comparerlesdeux approches, laméthode fréquentielleest-elleexacte?4.Donn erlecodeCdel'appli cat ionutilisant l'a rithm étiquevirguleflottante.
1.1.3.4Étude del'implantationdufiltreen virgulefixe
Lesdonnéesd'en tréeetde sortiesonts tock éesen mémoire.Nousconsidéronsquel'entrée du
filtreestcomprise dansl'interv alle]-1,1[.