فیلتر چبیشف کیست؟ توضیح بده.
فیلترهای چبیشف فیلترهای آنالوگ یا دیجیتالی هستند که شیب بیشتری نسبت به فیلترهای باترورث دارند و دارای تموج در خروجی فیلترهای باند گذر (نوع I) یا باندنگذر (نوع II) هستند. فیلترهای چبیشف این خاصیت را دارند که خطای بین مشخصه فیلتر ایده‌آل شده و واقعی را در محدوده فیلتر به حداقل می‌رسانند (به منابع مراجعه کنید به عنوان مثال. [دانیلز]، [لوتواک])، اما با تموج در نوار عبور. این نوع فیلتر به نام پافنوتی چبیشف نامگذاری شده‌است زیرا خصوصیات ریاضی آن از چندجمله ای‌های چبیشف گرفته شده‌است. فیلترهای چبیشف نوع اول معمولاً به عنوان «فیلترهای چبیشف» شناخته می‌شوند، در حالی که فیلترهای نوع دوم معمولاً «فیلترهای چبیشف معکوس» نامیده می‌شوند.به دلیل موج دار بودن باند عبور ذاتی در فیلترهای چبیشف، فیلترهایی با پاسخ صاف‌تر در باند عبور اما پاسخ نامنظم تر در باند توقف برای کاربردهای خاص ترجیح داده می‌شوند.فیلترهای چبیشف نوع اول (فیلترهای چبیشف).فیلترهای چبیشف نوع اول رایج‌ترین انواع فیلترهای چبیشف هستند. پاسخ بهره (یا دامنه)، formula_1 ، به عنوان تابعی از فرکانس زاویه ای formula_2 فیلتر پایین گذر مرتبه "n" برابر با مقدار مطلق تابع انتقال است formula_3 ارزیابی شده در formula_4 :جایی که formula_6 عامل موج دار شدن است، formula_7 فرکانس قطع است و formula_8 یک چند جمله ای چبیشف است formula_9 مرتبهباند عبور رفتار متوازن را نشان می‌دهد، با ریپل که توسط ضریب ریپل تعیین می‌شود formula_6 . در باند عبور، چند جمله ای چبیشف بین ۱- و ۱ متناوب می‌شود، بنابراین بهره فیلتر بین حداکثر در "G" = ۱ و حداقل در G = ۱ متناوب می‌شود. formula_11 .بنابراین ضریب ریپل ε با موج عبور باند δ بر حسب دسی بل با:در فرکانس قطع formula_7 سود دوباره ارزش دارد formula_14 اما همچنان با افزایش فرکانس به باند توقف می‌افتد. این رفتار در نمودار سمت راست نشان داده شده‌است. روش معمول تعریف فرکانس قطع در -۳ دسی بل معمولاً برای فیلترهای چبیشف اعمال نمی‌شود. در عوض، برش به عنوان نقطه ای در نظر گرفته می‌شود که در آن بهره برای آخرین بار به مقدار ریپل سقوط می‌کند.۳ فرکانس دسی بل "ω" H با "ω" 0 با:ترتیب یک فیلتر Chebyshev برابر با تعداد اجزای واکنشی (مثلاً سلف) است که برای اجرای فیلتر با استفاده از الکترونیک آنالوگ لازم است.در صورتی که ریپل در باند توقف مجاز باشد، با در نظر گرفتن صفرهای روی نوار، می‌توان تندتر را به دست آورد. formula_2 -محور در صفحه مختلط. در حالی که این امر باعث سرکوب تقریباً بی‌نهایت در و نزدیک این صفرها می‌شود (محدود شده توسط فاکتور کیفیت اجزاء، انگلی‌ها و عوامل مرتبط)، سرکوب کلی در باند توقف کاهش می‌یابد. نتیجه یک فیلتر بیضوی نامیده می‌شود که به عنوان فیلتر Cauer نیز شناخته می‌شود.قطب و صفر.برای سادگی، فرض می‌شود که فرکانس قطع برابر با واحد است. قطب‌ها formula_17 تابع بهره فیلتر چبیشف صفرهای مخرج تابع بهره هستند. با استفاده از فرکانس مختلط "s"، اینها زمانی رخ می‌دهند که:تعریف کردن formula_19 و با استفاده از تعریف مثلثاتی چند جمله‌ای چبیشف به دست می‌آید:حل کردن برای formula_21که در آن مقادیر چندگانه تابع کسینوس قوس با استفاده از شاخص عدد صحیح "m" آشکار می‌شوند. قطب‌های تابع بهره چبیشف عبارتند از:با استفاده از ویژگی‌های توابع مثلثاتی و هذلولی، این ممکن است به شکل صریح پیچیده نوشته شود:که در آن "m" = ۱، ۲،...، "n" واین ممکن است به عنوان یک معادله پارامتریک در نظر گرفته شود formula_28 و نشان می‌دهد که قطب‌ها روی یک بیضی در فضای "s" واقع در مرکز "s" قرار دارند = ۰ با نیم محور واقعی طول formula_29 و یک‌نیمه محور خیالی به طول formula_30تابع انتقال.عبارت فوق قطب‌های بهره "G" را به دست می‌دهد. برای هر قطب مختلط دیگری وجود دارد که مزدوج مختلط است و برای هر جفت مزدوج دو قطب دیگر وجود دارد که منفی جفت هستند. تابع انتقال باید پایدار باشد، به طوری که قطب‌های آن قطب‌های بهره هستند که دارای بخش‌های واقعی منفی هستند و بنابراین در نیمه سمت چپ فضای فرکانس پیچیده قرار دارند. سپس تابع انتقال توسط داده می‌شودجایی که formula_32 فقط آن دسته از قطب‌های بهره با علامت منفی در مقابل جمله واقعی هستند که از معادله بالا به دست می‌آیند.تأخیر گروه.تأخیر گروه به عنوان مشتق فاز با توجه به فرکانس زاویه ای تعریف می‌شود و معیاری برای اعوجاج در سیگنال است که توسط اختلاف فاز برای فرکانس‌های مختلف ایجاد می‌شود.بهره و تأخیر گروه برای فیلتر چبیشف نوع اول مرتبه پنجم با ε=۰٫۵ در نمودار سمت چپ رسم شده‌است. مشاهده می‌شود که در گام و تأخیر گروه در باند عبور موج‌هایی وجود دارد اما در باند توقف وجود ندارد.فیلترهای چبیشف نوع دوم (فیلترهای چبیشف معکوس).فیلتر Chebyshev معکوس نیز شناخته می‌شود، نوع دوم فیلتر Chebyshev کمتر رایج است، زیرا به سرعت نوع I از بین نمی‌رود و به قطعات بیشتری نیاز دارد. هیچ موجی در باند عبور ندارد، اما دارای تجهیز در باند توقف است. سود این است:در باند توقف، چند جمله ای چبیشف بین ۱- و ۱ در نوسان است به طوری که بهره بین صفر و صفر در نوسان است.و کوچک‌ترین فرکانسی که در آن این حداکثر به دست می‌آید فرکانس قطع است formula_36 . بنابراین پارامتر ε با تضعیف باند توقف γ در دسی بل به وسیله:برای تضعیف باند توقف 5 dB، ε = ۰٫۶۸۰۱; برای تضعیف ۱۰ دسی بل، ε = ۰٫۳۳۳۳. فرکانس "f" 0 = "ω" 0/2 "π" فرکانس قطع است. ۳ فرکانس دسی بل "f" H با "f" 0 به وسیله:قطب و صفر.با فرض اینکه فرکانس قطع برابر با واحد باشد، قطب‌ها formula_17 سود فیلتر چبیشف صفرهای مخرج بهره است:قطب‌های بهره فیلتر چبیشف نوع II معکوس قطب‌های فیلتر نوع I هستند:که در آن "m" = ۱، ۲، ...، "n". صفرها formula_43 از نوع دوم فیلتر چبیشف، صفرهای شمارشگر بهره هستند:بنابراین، صفرهای فیلتر چبیشف نوع دوم، معکوس صفرهای چند جمله ای چبیشف هستند.برای "m" = ۱، ۲، ...، "n".تابع انتقال.تابع انتقال توسط قطب‌های نیمه سمت چپ تابع بهره داده می‌شود و صفرهای یکسانی دارد اما این صفرها به جای صفرهای دوگانه هستند.تأخیر گروه.بهره و تأخیر گروه برای فیلتر چبیشف نوع دوم مرتبه پنجم با ε=۰٫۱ در نمودار سمت چپ رسم شده‌است. مشاهده می‌شود که در باند توقف موجی در بهره وجود دارد اما در باند عبور وجود ندارد.پیاده‌سازی.توپولوژی کوئر.فیلتر پایین گذر LC Chebyshev غیرفعال ممکن است با استفاده از توپولوژی Cauer محقق شود. مقادیر سلف یا خازن یک فیلتر نمونه اولیه Chebyshev درجه n را می‌توان از معادلات زیر محاسبه کرد:G 1, G k مقادیر خازن یا المان سلف هستند. f H، ۳ فرکانس دسی بل با موارد زیر محاسبه می‌شود: formula_50ضرایب "A", "γ", "β", "A" "k" و "B" "k" را می‌توان از معادلات زیر محاسبه کرد:جایی که formula_55 موج عبور باند در دسی بل است. شماره formula_56 از مقدار دقیق گرد شده‌است formula_57 .مقادیر "G" "k" محاسبه شده ممکن است به خازن‌های شنت و سلف‌های سری همان‌طور که در سمت راست نشان داده شده‌است، یا ممکن است به خازن‌های سری و سلف‌های شنت تبدیل شوند؛ مثلاً،یاتوجه داشته باشید که وقتی G 1 یک خازن شنت یا سلف سری است، G 0 به ترتیب با مقاومت ورودی یا رسانایی مطابقت دارد. همین رابطه برای G n+1 و G n برقرار است. مدار حاصل یک فیلتر پایین گذر نرمال شده‌است. با استفاده از تبدیل فرکانس و مقیاس امپدانس، فیلتر پایین گذر نرمال شده ممکن است به فیلترهای بالا گذر، باند گذر و باند استاپ با هر فرکانس قطع یا پهنای باند دلخواه تبدیل شود.دیجیتال.مانند بسیاری از فیلترهای آنالوگ، Chebyshev ممکن است از طریق تبدیل دوخطی به یک فرم بازگشتی دیجیتال (زمان گسسته) تبدیل شود. با این حال، از آنجایی که فیلترهای دیجیتال دارای پهنای باند محدودی هستند، شکل پاسخ چبیشف تبدیل شده تاب خورده‌است. روش دیگر، ممکن است از روش Matched Z-transform استفاده شود، که پاسخ را منحرف نمی‌کند.مقایسه با فیلترهای خطی دیگر.تصویر زیر فیلترهای چبیشف را در کنار سایر انواع فیلترهای رایج که با همان تعداد ضرایب به دست آمده‌اند نشان می‌دهد (رتبه پنجم):فیلترهای Chebyshev تیزتر از فیلتر Butterworth هستند. آنها به اندازه بیضی تیز نیستند، اما امواج کمتری روی پهنای باند نشان می‌دهند.