FIR濾波器與IIR濾波器

FIR和IIR濾波器的一個主要區別:FIR是線性相位,IIR爲非線性相位(雙線性變換法),對於非線性相位會造成的影響,可以這樣考慮:對於輸入的不同頻率分量,造成的相位差與頻率不成正比,則輸出時不同頻率分量的疊加的相位情況和輸入時有變化,得到的通帶信號產生失真。

 

iir濾波器有以下幾個特點

1 iir數字濾波器的系統函數可以寫成封閉函數的形式。

2 iir數字濾波器採用遞歸型結構,即結構上帶有反饋環路。iir濾波器運算結構通常由延時、乘以係數和相加等基本運算組成,可以組合成直接型、正準型、級聯型、並聯型四種結構形式,都具有反饋迴路。由於運算中的舍入處理,使誤差不斷累積,有時會產生微弱的寄生振盪。

3 iir數字濾波器在計上可以藉助成熟的模擬濾波器的成果,如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等,有現成的設計數據或圖表可查,其設計工作量比較小,對計算工具的要求不高。在設計一個iir數字濾波器時,我們根據指標先寫出模擬濾波器的公式,然後通過一定的變換,將模擬濾波器的公式轉換成數字濾波器的公式。

4 iir數字濾波器的相位特性不好控制,對相位要求較高時,需加相位校準網絡。

在matlab下設計iir濾波器可使用buttterworth函數設計出巴特沃斯濾波器,使用cheby1函數設計出契比雪夫i型濾波器,使用cheby2設計出契比雪夫II型濾波器,使用ellipord函數設計出橢圓濾波器。

與fir濾波器的設計不同,iir濾波器設計時的階數不是由設計者指定,而是根據設計者輸入的各個濾波器參數(截止頻率、通帶濾紋、阻帶衰減等),由軟件設計出滿足這些參數的最低濾波器階數。在matlab下設計不同類型iir濾波器均有與之對應的函數用於階數的選擇。

iir單位響應爲無限脈衝序列fir單位響應爲有限的

iir幅頻特性精度很高,不是線性相位的,可以應用於對相位信息不敏感的音頻信號上;

fir幅頻特性精度較之於iir低,但是線性相位,就是不同頻率分量的信號經過fir濾波器後他們的時間差不變。這是很好的性質。

另外有限的單位響應也有利於對數字信號的處理,便於編程,用於計算的時延也小,這對實時的信號處理很重要

IIR與FIR數字濾器的比較

 

FIR

IIR

設計方法

一般無解析的設計公式,要藉助計算機程序完成。

利用AF的設計圖表,可簡單、有效地完成設計。

 

設計結果

可得到幅頻特性(可以多帶)和線性相位(優點)。

只能得到幅頻特性,相頻特性未知(缺點),如需要線性相位,須用全通網絡校準,但增加濾波器階數和複雜性。

穩定性

極點全部在原點(永遠穩定),無穩定性問題。

有穩定性問題 。

 

因果性

總是滿足,任何一個非因果的有限長序列,總可以通過一定的延時,轉變爲因果序列。

 

結構

非遞歸

遞歸系統

運算誤差

一般無反饋,運算誤差小。

有反饋,由於運算中的四捨五入會產生極限環。

快速算法

可用FFT減少運算量。

無快速運算方法

 

FIR和IIR比較(有限衝擊響應和無限衝擊響應)

從性能上進行比較 "

從性能上來說,IIR濾波器傳輸函數的極點可位於單位圓內的任何地方,因此可用較低的階數獲得高的選擇性,所用的存貯單元少,所以經濟而效率高。但是這個高效率是以相位的非線性爲代價的。選擇性越好,則相位非線性越嚴重。相反,FIR濾波器卻可以得到嚴格的線性相位,然而由於FIR濾波器傳輸函數的極點固定在原點(輸出只與有限項輸入有關,所以傳遞函數分母爲1,極點在零點),所以只能用較高的階數達到高的選擇性;對於同樣的濾波器設計指標,FIR濾波器所要求的階數可以比IIR濾波器高5~10倍,結果,成本較高,信號延時也較大;如果按相同的選擇性和相同的線性要求來說,則IIR濾波器就必須加全通網絡進行相位較正,同樣要大增加濾波器的節數和複雜性。

從結構上看"

IIR濾波器必須採用遞歸結構,極點位置必須在單位圓內,否則系統將不穩定。另外,在這種結構中,由於運算過程中對序列的舍入處理,這種有限字長效應有時會引入寄生振盪。相反,FIR濾波器主要採用非遞歸結構,不論在理論上還是在實際的有限精度運算中都不存在穩定性問題,運算誤差也較小。此外,FIR濾波器可以採用快速付裏葉變換算法,在相同階數的條件下,運算速度可以快得多。

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