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FIR濾波器和IIR濾波器的區(qū)別與聯(lián)系

2022-12-30
來源:FPGA設計論壇
關鍵詞: FIR濾波器 IIR濾波器

  1.根據(jù)沖激響應的不同,,將數(shù)字濾波器分為有限沖激響應(FIR)濾波器和無限沖激響應(IIR)濾波器。對于FIR濾波器,沖激響應在有限時間內(nèi)衰減為零,,其輸出僅取決于當前和過去的輸入信號值,。對于IIR濾波器,沖激響應理論上應會無限持續(xù),,其輸出不僅取決于當前和過去的輸入信號值,,也取決于過去的信號輸出值。

  2.FIR和IIR

  FIR濾波器

  定義:

  FIR濾波器是有限長單位沖激響應濾波器,,又稱為非遞歸型濾波器,,是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件,它可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性,,同時其單位抽樣響應是有限長的,,因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。

  特點:

  FIR濾波器的最主要的特點是沒有反饋回路,,穩(wěn)定性強,,故不存在不穩(wěn)定的問題;

  FIR具有嚴格的線性相位,,幅度特性隨意設置的同時,,保證精確的線性相位;

  FIR設計方式是線性的,,硬件容易實現(xiàn),;

  FIR相對IIR濾波器而言,相同性能指標時,,階次較高,對CPU的性能要求較高,。

  

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  IIR濾波器

  定義:

  IIR濾波器是無限脈沖響應濾波器,,又稱遞歸型濾波器,即結構上帶有反饋環(huán)路,。

  特點:

  IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以寫成封閉函數(shù)的形式,,具有反饋回路;

  IIR數(shù)字濾波器的相位非線性,,相位特性不好控制,,隨截止頻率變化而變化,對相位要求較高時,,需加相位校準網(wǎng)絡,;

  IIR濾波器有歷史的輸出參與反饋,同F(xiàn)IR相比在相同階數(shù)時取得更好的濾波效果,;

  IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結構,,由于運算中的舍入處理,使誤差不斷累積,有時會產(chǎn)生微弱的寄生振蕩,。

  

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  區(qū)別

  穩(wěn)定性:由于FIR濾波器沒有反饋回路,,穩(wěn)定性要強于IIR;

  相位特性:FIR 為線性相位延遲,IIR 為非線性相位延遲,。

  信號處理速度:FIR的濾波輸出取決于當前輸入數(shù)據(jù)和歷史輸入數(shù)據(jù),,IIR的濾波輸出取決于當前輸入數(shù)據(jù)、歷史輸入數(shù)據(jù)和歷史輸出數(shù)據(jù),。以基于FPGA硬件的數(shù)字濾波器為例,,F(xiàn)IR在處理信號時不需等待前一個信號的濾波輸出,只需要考慮輸入數(shù)據(jù)便可實時濾波,;IIR需要等待上一個信號的濾波輸出,,存在一定的時間延遲,所以處理速度上沒有FIR快,。

  

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  從上面的簡單比較可以看到IIR與FIR濾波器各有所長,,所以在實際應用時應該從多方面考慮來加以選擇。從使用要求上來看,,在對相位要求不敏感的場合,,如語言通信等,選用IIR較為合適,,這樣可以充分發(fā)揮其經(jīng)濟高效的特點,;對于圖像信號處理,數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫圆ㄐ螖y帶信息的系統(tǒng),,則對線性相位要求較高,,采用FIR濾波器較好。當然,,在實際應用中可能還要考慮更多方面的因素,。

  3.例子-低通濾波器的設計

  FIR的設計:

  FIR濾波器的設計比較簡單,就是要設計一個數(shù)字濾波器去逼近一個理想的低通濾波器,。通常這個理想的低通濾波器在頻域上是一個矩形窗,。根據(jù)傅里葉變換我們可以知道,此函數(shù)在時域上是一個采樣函數(shù),。通常此函數(shù)的表達式為:

  sa(n)=sin(n∩)/n∏,,但是這個采樣序列是無限的,計算機是無法對它進行計算的,。故我們需要對此采樣函數(shù)進行截斷處理,,也就是加一個窗函數(shù)。也就是把這個時域采樣序列去乘一個窗函數(shù),,就把這個無限的時域采樣序列截成了有限個序列值,。但是加窗后對此采樣序列的頻域也產(chǎn)生了影響:此時的頻域便不在是一個理想的矩形窗,,而是成了一個有過渡帶,阻帶有波動的低通濾波器,。通常根據(jù)所加的窗函數(shù)的不同,,對采樣信號加窗后,在頻域所得的低通濾波器的阻帶衰減也不同,。通常我們就是根據(jù)此阻帶衰減去選擇一個合適的窗函數(shù),。如矩形窗、漢寧窗,、漢明窗,、BLACKMAN窗、凱撒窗等,。選擇一個具體的窗函數(shù)之后,,根據(jù)所設計濾波器的參數(shù)來計算所需的階數(shù)、此窗函數(shù)的表達式,。然后用這個窗函數(shù)去和采樣序列相乘,,就可以得到實際濾波器的脈沖響應。

  IIR的設計(雙線性變換法):

  IIR的設計理念是這樣的:根據(jù)所要設計濾波器的參數(shù)去確定一個模擬濾波器的傳輸函數(shù),,然后再根據(jù)這個傳輸函數(shù),,通過雙線性變換、或脈沖響應不變法來進行數(shù)字濾波器的設計,。它的設計比較復雜,,復雜在于它的模擬濾波器傳輸函數(shù)H(s)的確定。這一點我們可以讓軟件來實現(xiàn),。然后,,我們說一下它的具體實現(xiàn)步驟:首先你要先確定你需要一個什么樣的濾波器,巴特沃斯型,,切比雪夫型,,還是其它什么型的濾波器。當你選定一個型號后,,你就可以根據(jù)設計參數(shù)和這個濾波器的計算公式來確定其階數(shù)、傳輸函數(shù)的表達式,。通常這個過程中還存在預扭曲的問題(這只是雙線性變換法所需要注意的問題,,脈沖響應不變法不存在這種問題)。確定H(S)后,,就可以通過雙線性變換得到其數(shù)字域的差分方程,。




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