4.2
Způsoby aproximací
Každá aproximační metoda má specifické vlastnosti, které ji odlišují od ostatních. Nejvýznamnějším rozdílem je absence nebo prezence zvlnění v propustném nebo nepropustném frekvenčním pásmu. Jednotlivé aproximační metody prodiskutujeme v následujících kapitolách. Jako ukázku aproximace uvedeme princip aproximace ideální charakteristiky dolní propusti. Modulová frekvenční odezva ideální dolní propusti a její aproximace jsou znázorněny na obrázku 19.
+
19. Princip aproximace dolní propusti
Obr. 19. Princip aproximace dolní propusti
Všechny frekvence od 0 do  fp jsou propouštěny s přenosem M=1 a všechny frekvence vyšší než fp jsou potlačeny s přenosem M=0 . Taková ideální modulová charakteristika je prakticky nerealizovatelná. Čím více se praktická frekvenční charakteristika skutečného filtru blíží charakteristice ideální, zvyšuje se řád filtru, počet prvků filtru, počet zpoždění atd. Zvyšují se tak realizační náklady filtru. Praktické charakteristiky filtru se nazývají aproximace ideální charakteristiky.
Definice
Existuje několik způsobů klasifikace aproximací ideální frekvenční charakteristiky. My se v našem rozboru i v budoucích metodách návrhu filtrů zaměříme na základní klasifikace podle jména objevitelů aproximací a také podle jejich vlastností, především podle zákmitů v propustném nebo nepropustném pásmu. Dle tohoto klasifikačního kritéria můžeme rozlišit čtyři základní druhy aproximací. Ty se používají u filtrů s nekonečnou impulsní odezvou IIR (Infinite Impulse Response). Jsou to aproximace:
  • Butterworthova,
  • normální Čebyševova (Čebyšev I),
  • inverzní Čebyševova (Čebyšev II),
  • eliptická, resp. Cauerova.
Nyní si jednotlivé druhy aproximací popíšeme.
4.2.1
Butterworthova aproximace
Butterworthova aproximace představuje klasickou aproximaci, která má hladkou charakteristiku jak v propustném, tak v nepropustném pásmu. Butterworthův filtr má nejméně zkreslenou fázovou charakteristiku, ale potřebuje podstatně vyšší řád pro dosažení stejné šířky přechodového pásma než eliptický nebo Čebyševovy filtry, jak uvidíme v dalších lekcích. Na obrázku 20 je znázorněna modulová charakteristika filtru dolní propusti realizovaná Butterworthovou aproximací.
+
20. Dolní propust aproximací Butterworth
Obr. 20. Dolní propust aproximací Butterworth
Na obrázku 20 je znázorněna typická modulová charakteristika filtru dolní propusti, která znázorňuje závislost modulu v dB na frekvenci v Hz.
4.2.2
Normální Čebyševova aproximace
Normální Čebyševova aproximace se označuje též Čebyšev I. Vyznačuje se tím, že v propustném pásmu je zvlněná a v nepropustném pásmu je hladká. Oproti Butterworthově aproximaci dosahuje při stejné specifikaci tolerančním schématem nižšího řádu. Normální Čebyševovu aproximaci znázorníme na filtru horní propusti na obrázku 21.
+
21. Horní propust aproximací Čebyšev I
Obr. 21. Horní propust aproximací Čebyšev I
Filtr horní propusti byl specifikován tolerančním schématem na obrázku 18 b).
Inverzní Čebyševova transformace se označuje také Čebyšev II. Vyznačuje se tím, že v propustném pásmu je hladká a v nepropustném pásmu je zvlněná.
4.2.3
Inverzní Čebyševova aproximace
Znázorníme ji na filtru pásmové zádrže na obrázku 22. Její specifikace byla uvedena tolerančním schématem na obrázku 18 c).
+
22. Pásmová zádrž aproximací Čebyšev II
Obr. 22. Pásmová zádrž aproximací Čebyšev II
4.2.4
Eliptická aproximace
Je uváděna též pod názvem Cauerova aproximace. Vyznačuje se tím, že má zvlnění jak v propustném, tak v nepropustném pásmu. Eliptická aproximace má ze všech aproximací nejužší tranzientní pásmo, a proto dosahuje pro danou specifikaci nejnižšího řádu. Eliptická aproximace je znázorněna na obrázku 23 pro pásmovou propust.
+
23. Pásmová propust Eliptickou aproximací
Obr. 23. Pásmová propust Eliptickou aproximací
Její specifikace byla uvedena tolerančním schématem na obrázku 18 d).
Zdroj: Autor Vratislav Davídek, Tomáš Stejskal, VOV T221/04 – Digitální filtry, licence Creative Commons BY 3.0.