IIR数字滤波器的设计原理:
IIR数字滤波器设计是通过设计模拟滤波器来实现数字滤波器的设计;
模拟滤波器的设计是通过设计三个低通滤波器模板来实现的;
低通滤波器是通过给定的边界频率(通带和阻带截止频率)及其衰耗而实现。

FIR数字滤波器的设计原理:
FIR数字滤波器设计是通过时域逼近或频域逼近的方法实现所要求的FIR数字滤波器的设计;
在确定数字滤波器的设计指标后,需要选定合适的线性相位数字滤波器类型,由给定的H_{d}(e^{j\Omega }),确定线性相位DF的类型、A_{d}(\Omega )\varphi _{d}(\Omega )
再由窗函数法、频率取样法或优化设计方法设计出相应的具有线性相位的FIR数字滤波器H(z)。

下面通过案例来分析FIR滤波器和IIR滤波器的差异

若数字带阻滤波器的设计指标为:\Omega _{p1}=0.2π rad,\Omega _{s1}=0.22\pi rad\Omega _{s2}=0.4\pi rad\Omega _{p2}=0.42\pi rad,Ap≤1db,As≥50db。

图5-22画出了通过切比雪夫2型滤波器设计的满足上述指标的IIR数字带阻滤波器的增益响应和相位响应,设计出的滤波器的阶数为11,Ap=0.62db,As=50db。由图可知该滤波器的相位是非线性的。

图5-23画出了通过椭圆滤波器设计的满足上述指标的IIR数字带阻滤波器的增益响应和相位响应,设计出的滤波器的阶数为6,Ap=1db,As=50db。由图可知该滤波器的相位是非线性的。

图5-24画出了hamming窗设计的满足同样指标的FIR数字带阻滤波器的增益响应和相位响应,。该滤波器的特点是具有线性相位特性,但滤波器的阶数较高,高达340阶。

根据最大误差最小化的优化准则,利用PM算法设计的FIR数字带阻滤波器的增益响应和相位响应如图5-25所示。该滤波器的阶数为164阶,Ap=0.9db,As=50.8db,满足设计指标。

因此可以得出以下结论:

1、同样设计指标下,设计得到的IIR数字滤波器的阶数较低。因为IIR数字滤波器存在反馈,所以其阶数一般比较低。而FIR数字滤波器的阶数一般都比较高,可高达数百阶。

2、IIR数字滤波器的相位响应不可能设计成线性相位。而FIR滤波器可设计成具有线性相位的滤波器,但因为其阶数较高,所以在实际应用的时候会造成较大的信号延迟。

3、IIR数字滤波器不易实现,而FIR数字滤波器易于实现。

4、由于IIR数字滤波器有极点,所以系统可能会出现稳定性问题。滤波器系数的改变、有限字长效应等,都有可能使得系统不稳定。而FIR数字滤波器无极点,所以其系统一定是稳定的。

5、FIR滤波器可以由FFT来实现,而IIR滤波器不能由FFT来实现。

6、IIR数字滤波器适合处理对相位要求不高的信号,比如语音信号,人耳对语音信号的相位不是很敏感。FIR数字滤波器适合处理对相位要求较高的信号,比如图像信号,人眼对图像信号的相位比较敏感,相位失真会造成图像质量的下降。

FIR与IIR数字滤波器的比较

IIR DFFIR DF
稳定性不一定稳定
实现难易程度
实现线性相位不能
可用FFT实现不能
幅度响应较好不好
阶数

参考文献:

数字信号处理(第3版);陈后金(编著)

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