IIR滤波器的设计就是在给定的技术指标下去确定滤波器的阶数N和系数 。在已满足给定的技术指标下,应选用阶数尽可能低的滤波器,因为滤波器的阶数越低,在实现时成本就越低。
在设计IIR滤波器时,最常用的方法是利用模拟滤波器来设计数字滤波器。其原因为:
(1) 模拟滤波器的设计技术相对成熟,可以广泛利用;
(2) 模拟滤波器有大量的参考程序和表格;
(3) 它的解可以为闭合形式的。
2.3 FIR数字滤波器的结构
FIR滤波器是指在有限范围内系统的单位脉冲响应h[k]仅有非零值的滤波器。M阶FIR滤波器的系统函数H(z)为 (2.3)
其中H(z)是 的M阶多项式,在有限的z平面内H(z)有M个零点,在z平面原点z=0有M个极点。
FIR滤波器的频率响应 为(2.4)
它的另外一种表示方法为 (2.5)
其中 和 分别为系统的幅度响应和相位响应。
若系统的相位响应 满足下面的条件
(2.6)
即系统的群延迟是一个与 没有关系的常数 ,称为系统H(z)具有严格线性相位。由于严格线性相位条件在数学层面上处理起来较为困难,因此在FIR滤波器设计中一般使用广义线性相位。
如果一个离散系统的频率响应 可以表示为
(2.7)
其中 和 是与 无关联的常数, 是可正可负的实函数,则称系统是广义线性相位的。
如果M阶FIR滤波器的单位脉冲响应h[k]是实数,则可以证明系统是线性相位的充要条件为
(2.8)
当h[k]满足h[k]=h[M-k],称h[k]偶对称。当h[k]满足h[k]=-h[M-k],称h[k]奇对称。按阶数h[k]又可分为M奇数和M偶数,所以线性相位的FIR滤波器可以有四种类型。
四种线性相位FIR滤波器的性质如表2-1所示
表2-1 四种线性相位FIR滤波器的性质
类型 I
阶数M 偶数 奇数 偶数 奇数
h[k]的对称性 偶对称 偶对称 奇对称 奇对称
关于 的对称性 偶对称 偶对称 奇对称 奇对称
关于 的对称性 偶对称 奇对称 奇对称 偶对称
的周期
A(0) 任意 任意 0 0
任意 0 0 任意
可适用的滤波器类型 LP,HP,BP,SP LP,BP 微分器,变换器,Hilbert 微分器,变换器,Hilbert,HP
2.4 IIR与FIR数字滤波器的比较
(1)在技术指标相同的条件下,IIR滤波器的输出对输入有反馈,所以可以用比FIR少的阶数来满足要求,存储单元少,运算次数也少,经济实惠。
(2)FIR滤波器的相位是严格线性的,而IIR滤波器做不到这一点,IIR滤波器的选择性越好,其相位的非线性越严重。
(3)FIR滤波器主要采用非递归结构, 有限精度的运算误差很小。而IIR滤波器在运算中会产生寄生振荡。
(4)FIR滤波器可以使用快速傅里叶变换算法,而IIR滤波器不能采用FFT实现。
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