【笔记整理】数字信号处理复习——IIR和FIR滤波器

IIR数字滤波器原理,设计方法及嵌入式应用 基于STM32的二阶直接II型巴特沃斯低通滤波器设计方法及应用 阅读详情

IIR滤波器和FIR滤波器都是数字滤波器。根据冲激响应的不同分为以下两种滤波器

IIR滤波器(无限冲激响应IIR: infinite impulse response)

对于IIR滤波器,冲激响应理论上应会无限持续,其输出不仅取决于当前和过去的输入信号值,也取决于过去的信号输出值(反馈)

  • 设计方法:
    • 根据要设计滤波器的参数去确定一个模拟滤波器的传输函数Ha(s)H_a(s)Ha​(s)
      • 模拟滤波器类型:巴特沃斯型滤波器,切比雪夫型滤波器,椭圆滤波器(选择性最好,等波纹)等
    • 根据传输函数,通过脉冲响应不变法或是双线性变换法进行数字滤波器的设计。
      Ha(s)→H(z)H_a(s) \rightarrow H(z)Ha​(s)→H(z)
      • 脉冲响应不变法:
        Ω=ωT\Omega=\frac{\omega}{T}Ω=Tω​
        Z=eSTZ=e^{ST}Z=eST
      • 双线性变换法:
        Ω=2Ttan⁡(ω2)\Omega=\frac{2}{T}\tan(\frac{\omega}{2})Ω=T2​tan(2ω​)
        H(z)=Ha(s)∣s=2T⋅1−z−11+z−1H(z)=H_a(s)|_{s=\frac{2}{T} \cdot \frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}}}H(z)=Ha​(s)∣s=T2​⋅1+z−11−z−1​​
        双线性变换法有预畸变的问题

FIR滤波器(有限冲激响应FIR: finite impulse response)

对于FIR滤波器,冲激响应在有限时间内衰减为零,其输出仅取决于当前和过去的输入信号值。

  • 设计方法:

    • 选择窗函数的类型和长度,根据阻带最小衰减选择窗函数的类型——保证阻带衰减满足要求的情况下,尽量选择主瓣窄的窗函数
      • 窗函数类型:矩形窗、三角窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗、凯瑟窗
    • 构造希望逼近的频率响应函数Hd(ejω)H_d(e^{j\omega})Hd​(ejω)
    • 对Hd(ejω)H_d(e^{j\omega})Hd​(ejω)进行逆傅里叶变换求出hd(n)h_d(n)hd​(n)
    • 加窗得到单位脉冲响应h(n)=hd(n)w(n)h(n)=h_d(n)w(n)h(n)=hd​(n)w(n)

以下引出几个问题:

FIR和IIR的比较
  • 从效率、选择性上比较:
    • IIR滤波器:存在反馈,因而可用比FIR滤波器较少的阶数来满足指标要求。存储单元少,运算次数少,较为经济
    • FIR滤波器:不存在反馈,只能用较高的阶数达到高的选择性
  • 从稳定性上比较:
    • IIR滤波器:传输函数的极点可位于单位圆内的任何地方,有稳定性的问题
    • FIR滤波器:传输函数的极点固定在原点上,不存在稳定性的问题
  • 从性能上比较:
    • IIR滤波器:高效率(高效性体现在:以较低的阶数达到指标)是以相位的非线性为代价。选择性越好,则相位非线性越严重。如果IIR滤波器要得到线性相位,又要满足幅度滤波的技术要求,必须加全通网络进行相位校正,这样会增加滤波器的阶数
    • FIR滤波器:可以得到严格的线性相位
  • 从结构上比较
    • IIR滤波器:必须采用递归结构,极点位置必须在单位圆内。递归结构中,运算四舍五入处理,有时会引起寄生震荡
    • FIR滤波器:主要采用非递归结构,不存在稳定性问题,运算误差也小
  • 从算法上比较
    • IIR滤波器:无快速算法
    • FIR滤波器:冲激响应有限长,可用FFT算法,减小运算量
FIR滤波器的优点和缺点
  • 优点
    • 既具有严格的线性相位,又具有任意的幅度
    • FIR滤波器器的频率响应极点都在零点上,因此滤波器的性能稳定
    • 只要经过一定的延时,任何非因果有现场序列都能变成因果的有限长序列,因而能用因果系统来实现
    • 单位冲激响应式有限长的,因而可用快速傅里叶变换FFT算法来实现过滤信号,可大大提高运算效率
  • 缺点
    • 与IIR滤波器相比,FIR滤波器不存在反馈,需要用更高的阶数达到相同的指标
IIR滤波器的优点和缺点
  • 优点
    • IIR滤波器有反馈,因此可以用比较少的阶数来达到指标。存储单元少,运算次数少,较为经济
  • 缺点
    • IIR滤波器频率响应的极点,可位于单位圆上的任何一个地方,因此有稳定性的问题
    • IIR滤波器的高效率(以更少的阶数来达成指标)是以线性相位为代价的。选择性越好,相位非线性越严重。如果IIR滤波器要得到线性相位,又要满足滤波要求,必须加全通网络进行相位校正,这样会增加滤波器的阶数
    • 必须采用递归结构,极点必须在单位内,才能稳定,而对于递归结构,运算中的四舍五入处理,有时会引起寄生震荡
算法学习 - 模拟滤波器(巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫、椭圆)及IIR滤波器设计 评价数据有效性判别方法: 三角循环误判检验; Spearman检验; 阅读详情

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KayViolet
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