Média móvel Este exemplo ensina como calcular a média móvel de uma série temporal no Excel. Uma média móvel é usada para suavizar irregularidades (picos e vales) para reconhecer facilmente as tendências. 1. Primeiro, vamos dar uma olhada em nossas séries temporais. 2. Na guia Dados, clique em Análise de dados. Nota: não consigo encontrar o botão Análise de dados Clique aqui para carregar o complemento Analysis ToolPak. 3. Selecione Média móvel e clique em OK. 4. Clique na caixa Intervalo de entrada e selecione o intervalo B2: M2. 5. Clique na caixa Intervalo e digite 6. 6. Clique na caixa Escala de saída e selecione a célula B3. 8. Traçar um gráfico desses valores. Explicação: porque definimos o intervalo para 6, a média móvel é a média dos 5 pontos de dados anteriores e o ponto de dados atual. Como resultado, picos e vales são alisados. O gráfico mostra uma tendência crescente. O Excel não pode calcular a média móvel para os primeiros 5 pontos de dados porque não há suficientes pontos de dados anteriores. 9. Repita os passos 2 a 8 para o intervalo 2 e o intervalo 4. Conclusão: quanto maior o intervalo, mais os picos e os vales são alisados. Quanto menor o intervalo, mais perto as médias móveis são para os pontos de dados reais. Um filtro digital introdutório Bem aberto MicroModeler DSP e selecione um filtro digital na barra de ferramentas na parte superior e arraste-o para nossa aplicação. Bem, escolha um filtro de média móvel porque é um dos tipos mais simples de filtros. Depois de soltar o filtro, as telas serão atualizadas automaticamente. (Clique para iniciar o MicroModeler DSP em uma nova janela) Todos sabemos o que é uma média - adicione os números juntos e divida por quantos existem. Um filtro médio móvel faz exatamente isso. Ele armazena um histórico dos últimos N números e produz sua média. Toda vez que um novo número entra, a média é efetivamente recalculada das amostras armazenadas e um novo número é emitido. A resposta de freqüência de um filtro No canto superior direito, vemos o gráfico de Magnitude vs Frequência, ou a quantidade de freqüências diferentes serão amplificadas ou reduzidas pelo filtro médio móvel. Como você pode esperar, a média das últimas N amostras aplicará algum tipo de suavização ao sinal, mantendo as baixas freqüências e removendo as altas freqüências. Podemos controlar o número de entradas anteriores, ou amostras que mede, ajustando o comprimento do filtro, N. Ao ajustar isso, podemos ver que temos algum controle básico sobre quais passagens podem ser passadas e descartadas. O interior de um filtro Se olharmos a visão da estrutura, podemos ver o que o interior de um filtro médio móvel pode parecer. O diagrama foi anotado para mostrar o significado dos diferentes símbolos. Os símbolos Z-1 significam atraso em uma amostra de tempo e os símbolos significam adicionar ou combinar os sinais. As setas significam multiplicar (pense amplificar, reduzir ou dimensionar) o sinal pela quantidade mostrada à direita da seta. Para uma média de 5 amostras, tomamos um quinto (0.2) da amostra mais recente, um quinto da segunda amostra mais recente e assim por diante. A cadeia de atrasos é chamada de linha de atraso, com o sinal de entrada atrasado por um passo de tempo adicional à medida que você segue a linha de atraso. As setas também são chamadas de torneiras, de modo que você quase pode imaginar elas como torneiras como a que está na pia da cozinha que são todas um quinto aberto. Você poderia imaginar o sinal que flui da esquerda e sendo progressivamente atrasado à medida que se move ao longo da linha de atraso, depois recombinado em diferentes forças através das torneiras para formar a saída. Também deve ser fácil ver que a saída do filtro será: Qual é o equivalente à média das últimas 5 amostras. (Entrada t-N significa a entrada atrasada do tempo t-N) Na prática, o código gerado pelo MicroModeler DSP usará truques para fazer isso de forma mais eficiente, de modo que apenas as primeiras e as últimas amostras precisam ser envolvidas, mas o diagrama é bom para fins ilustrativos. Se você pode entender isso, então, você pode ter uma idéia do que é um filtro FIR. Um filtro FIR é idêntico ao filtro de média móvel, mas em vez de todas as forças da torneira serem as mesmas, elas podem ser diferentes. Aqui temos um filtro médio móvel e um filtro FIR. Você pode ver que eles são estruturalmente os mesmos, a única diferença é os pontos fortes das torneiras. A próxima seção irá apresentá-lo aos filtros de Resposta de Impulso Finito (FIR). Ao variar as forças de toque, podemos criar perto de qualquer resposta de freqüência que desejamos. FIR Filter Basics 1.1 O que são quotFIR filtersquot Os filtros FIR são um dos dois principais tipos de filtros digitais usados nas aplicações DSP (Digital Signal Processing), o outro tipo Sendo IIR. 1.2 O que quotFIRquot significa quotFIRquot significa quotFinite Impulse Responsequot. Se você colocar um impulso, isto é, uma única amostra de quot1quot seguida por muitas amostras de quot0quot, os zeros sairão depois que a amostra de quot1ch foi feita através da linha de atraso do filtro. 1.3 Por que a resposta ao impulso é quotfinitequot No caso comum, a resposta ao impulso é finita porque não há feedback na FIR. A falta de feedback garante que a resposta ao impulso será finita. Portanto, o termo quotfinite impulso responsequot é quase sinônimo de quotno feedbackquot. No entanto, se o feedback for empregado, a resposta ao impulso é finita, o filtro ainda é uma FIR. Um exemplo é o filtro de média móvel, no qual a Nth amostra anterior é subtraída (alimentada de volta) cada vez que uma nova amostra entra. Esse filtro possui uma resposta de impulso finito mesmo que use feedback: após N amostras de um impulso, a saída Será sempre zero. 1.4 Como faço para quotFIRquot Algumas pessoas dizem que as letras F-I-R outras pessoas pronunciam como se fosse um tipo de árvore. Nós preferimos a árvore. (A diferença é se você fala sobre um filtro F-I-R ou um filtro FIR). 1.5 Qual é a alternativa aos filtros FIR Os filtros DSP também podem ser QuotInfinite Impulse Responsequot (IIR). (Consulte as perguntas frequentes de dspGurus IIR). Os filtros IIR usam comentários, então, quando você insere um impulso, a saída toca teoricamente indefinidamente. 1.6 Como os filtros FIR se comparam aos filtros IIR Cada um tem vantagens e desvantagens. No geral, porém, as vantagens dos filtros FIR superam as desvantagens, então são usadas muito mais do que IIRs. 1.6.1 Quais são as vantagens dos filtros FIR (em comparação com os filtros IIR) Em comparação com os filtros IIR, os filtros FIR oferecem as seguintes vantagens: podem ser facilmente concebidos para serem quotlinear phasequot (e geralmente são). Simplificando, os filtros de fase linear atrasam o sinal de entrada, mas donrsquot distorce sua fase. Eles são simples de implementar. Na maioria dos microprocessadores DSP, o cálculo do FIR pode ser feito fazendo uma única instrução em loop. Eles são adequados para aplicações de taxa múltipla. Por taxa múltipla, queremos dizer quotdecimationquot (reduzir a taxa de amostragem), quotinterpolationquot (aumentar a taxa de amostragem), ou ambos. Se diz ou interpola, o uso de filtros FIR permite que alguns dos cálculos sejam omitidos, proporcionando assim uma eficiência computacional importante. Em contraste, se os filtros IIR forem usados, cada saída deve ser calculada individualmente, mesmo que a saída seja descartada (então o feedback será incorporado no filtro). Eles têm propriedades numéricas desejáveis. Na prática, todos os filtros DSP devem ser implementados usando aritmética de precisão finita, ou seja, um número limitado de bits. O uso de aritmética de precisão finita em filtros IIR pode causar problemas significativos devido ao uso de feedback, mas os filtros FIR sem feedback geralmente podem ser implementados usando menos bits e o designer tem menos problemas práticos para resolver relacionados à aritmética não ideal. Eles podem ser implementados usando aritmética fracionada. Ao contrário dos filtros IIR, sempre é possível implementar um filtro FIR usando coeficientes com uma magnitude inferior a 1,0. (O ganho global do filtro FIR pode ser ajustado na sua saída, se desejado.) Esta é uma consideração importante ao usar DSP de ponto fixo, porque torna a implementação muito mais simples. 1.6.2 Quais são as desvantagens dos filtros FIR (em comparação com os filtros IIR) Em comparação com os filtros IIR, os filtros FIR às vezes têm a desvantagem de que exigem mais memória e ou cálculo para atingir uma determinada característica de resposta do filtro. Além disso, certas respostas não são práticas de implementar com os filtros FIR. 1.7 Quais são os termos utilizados na descrição dos filtros FIR Resposta de Impulso - A resposta de preço razoável de um filtro FIR é, na verdade, apenas o conjunto de coeficientes de FIR. (Se você colocou um quotimplusequot em um filtro FIR que consiste em uma amostra de quot1quot seguida de muitas amostras de quot0quot, a saída do filtro será o conjunto de coeficientes, uma vez que a 1 amostra passa por cada coeficiente, por sua vez, para formar a saída.) Tap - Um quottaq de FIR é simplesmente um par de coeficientes de conversão. O número de torneiras FIR, (geralmente designado como quotNquot) é uma indicação de 1) a quantidade de memória necessária para implementar o filtro, 2) o número de cálculos necessários e 3) a quantidade de quotfilteringquot que o filtro pode efetuar, Mais torneiras significa mais atenuação de parada, menos ondulação, filtros mais estreitos, etc. Multiply-Accumulate (MAC) - Em um contexto FIR, quotMACquot é a operação de multiplicação de um coeficiente pela amostra de dados atrasada correspondente e acumulando o resultado. As FIR normalmente requerem um MAC por toque. A maioria dos microprocessadores DSP implementam a operação MAC em um único ciclo de instruções. Banda de transição - A faixa de freqüências entre banda passante e bordas de banda de parada. Quanto mais estreita a banda de transição, mais torneiras são necessárias para implementar o filtro. (Uma banda de transição quotsmallquot resulta em um filtro quotsharpquot.) Linha de atraso - O conjunto de elementos de memória que implementam os elementos de atraso quotZ-1quot do cálculo do FIR. Buffer circular - Um buffer especial que é quotcircularquot porque o incremento no final faz com que ele envolva ao início, ou porque decrementar desde o início faz com que ele envolva até o final. Os buffers circulares geralmente são fornecidos por microprocessadores DSP para implementar o quotmovementquot das amostras através da linha de atraso FIR sem ter que mover literalmente os dados na memória. Quando uma nova amostra é adicionada ao buffer, ele substitui automaticamente o mais antigo.
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