FIR濾波器與IIR濾波器之間有何區(qū)別

1. 兩種濾波器都是數(shù)字濾波器。根據(jù)沖激響應(yīng)的不同，將數(shù)字濾波器分為有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器和無(wú)限沖激響應(yīng)（IIR）濾波器。對(duì)于 FIR 濾波器，沖激響應(yīng)在有限時(shí)間內(nèi)衰減為零，其輸出僅取決于當(dāng)前和過(guò)去的輸入信號(hào)值。對(duì)于 IIR 濾波器，沖激響應(yīng)理論上應(yīng)會(huì)無(wú)限持續(xù)，其輸出不僅取決于當(dāng)前和過(guò)去的輸入信號(hào)值，也取決于過(guò)去的信號(hào)輸出值。

2.FIR：有限脈沖響應(yīng)濾波器。有限說(shuō)明其脈沖響應(yīng)是有限的。與 IIR 相比，它具有線性相位、容易設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。這也就說(shuō)明，IIR 濾波器具有相位不線性，不容易設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)。而另一方面，IIR 卻擁有 FIR 所不具有的缺點(diǎn)，那就是設(shè)計(jì)同樣參數(shù)的濾波器，F(xiàn)IR 比 IIR 需要更多的參數(shù)。這也就說(shuō)明，要增加 DSP 的計(jì)算量。DSP 需要更多的計(jì)算時(shí)間，對(duì) DSP 的實(shí)時(shí)性有影響。

以下都是低通濾波器的設(shè)計(jì)。

FIR 的設(shè)計(jì)：

FIR 濾波器的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，就是要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器去逼近一個(gè)理想的低通濾波器。通常這個(gè)理想的低通濾波器在頻域上是一個(gè)矩形窗。根據(jù)傅里葉變換我們可以知道，此函數(shù)在時(shí)域上是一個(gè)采樣函數(shù)。通常此函數(shù)的表達(dá)式為：

sa（n）＝sin（n∩）/n∏，但是這個(gè)采樣序列是無(wú)限的，計(jì)算機(jī)是無(wú)法對(duì)它進(jìn)行計(jì)算的。故我們需要對(duì)此采樣函數(shù)進(jìn)行截?cái)嗵幚怼Ｒ簿褪羌右粋€(gè)窗函數(shù)。就是傳說(shuō)中的加窗。也就是把這個(gè)時(shí)域采樣序列去乘一個(gè)窗函數(shù)，就把這個(gè)無(wú)限的時(shí)域采樣序列截成了有限個(gè)序列值。但是加窗后對(duì)此采樣序列的頻域也產(chǎn)生了影響：此時(shí)的頻域便不在是一個(gè)理想的矩形窗，而是成了一個(gè)有過(guò)渡帶，阻帶有波動(dòng)的低通濾波器。通常根據(jù)所加的窗函數(shù)的不同，對(duì)采樣信號(hào)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(gè)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(gè)具體的窗函數(shù) 之后，根據(jù)所設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)來(lái)計(jì)算所需的階數(shù)、此窗函數(shù)的表達(dá)式。然后用這個(gè)窗函數(shù)去和采樣序列相乘，就可以得到實(shí)際濾波器的脈沖響應(yīng)。

IIR 的設(shè)計(jì)（雙線性變換法）：

IIR 的設(shè)計(jì)理念是這樣的：根據(jù)所要設(shè)計(jì)濾波器的參數(shù)去確定一個(gè)模擬濾波器的傳輸函數(shù)，然后再根據(jù)這個(gè)傳輸函數(shù)，通過(guò)雙線性變換、或脈沖響應(yīng)不變法來(lái)進(jìn)行數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。它的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，復(fù)雜在于它的模擬濾波器傳輸函數(shù) H（s）的確定。這一點(diǎn)我們可以讓軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后，我們說(shuō)一下它的具體實(shí)現(xiàn)步驟：首先你要先確定你需要一個(gè)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(dāng)你選定一個(gè)型號(hào)后，你就可以根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和這個(gè)濾波器的計(jì)算公式來(lái)確定其階數(shù)、傳輸函數(shù)的表達(dá)式。通常這個(gè)過(guò)程中還存在預(yù)扭曲的問(wèn)題（這只是雙線性變換法所需要注意的問(wèn)題，脈沖響應(yīng)不變法不存在這種問(wèn)題）。確定 H（S）后，就可以通過(guò)雙線性變換得到其數(shù)字域的差分方程。

3. 對(duì)于 IIR 和 FIR 的比較，有些書(shū)上有論述。我引用陳懷琛的“數(shù)字信號(hào)處理教程－－MATLAB 釋義與實(shí)現(xiàn)”：

從性能上來(lái)說(shuō)，IIR 濾波器傳遞函數(shù)包括零點(diǎn)和極點(diǎn)兩組可調(diào)因素，對(duì)極點(diǎn)的惟一限制是在單位圓內(nèi)。因此可用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，所用的存儲(chǔ)單元少，計(jì)算量小，效率高。但是這個(gè)高效率是以相位的非線性為代價(jià)的。選擇性越好，則相位非線性越嚴(yán)重。FIR 濾波器傳遞函數(shù)的極點(diǎn)固定在原點(diǎn)，是不能動(dòng)的，它只能靠改變零點(diǎn)位置來(lái)改變它的性能。所以要達(dá)到高的選擇性，必須用較高的階數(shù)；對(duì)于同樣的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)，F(xiàn)IR 濾波器所要求的階數(shù)可能比 IIR 濾波器高 5-10 倍，結(jié)果，成本較高，信號(hào)延時(shí)也較大；如果按線性相位要求來(lái)說(shuō)，則 IIR 濾波器就必須加全通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位校正，同樣要大大增加濾波器的階數(shù)和復(fù)雜性。而 FIR 濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位。

從結(jié)構(gòu)上看，IIR 濾波器必須采用遞歸結(jié)構(gòu)來(lái)配置極點(diǎn)，并保證極點(diǎn)位置在單位圓內(nèi)。由于有限字長(zhǎng)效應(yīng)，運(yùn)算過(guò)程中將對(duì)系數(shù)進(jìn)行舍入處理，引起極點(diǎn)的偏移。這種情況有時(shí)會(huì)造成穩(wěn)定性問(wèn)題，甚至產(chǎn)生寄生振蕩。相反，F(xiàn)IR 濾波器只要采用非遞歸結(jié)構(gòu)，不論在理論上還是在實(shí)際的有限精度運(yùn)算中都不存在穩(wěn)定性問(wèn)題，因此造成的頻率特性誤差也較小。此外 FIR 濾波器可以采用快速傅里葉變換算法，在相同階數(shù)的條件下，運(yùn)算速度可以快得多。

另外，也應(yīng)看到，IIR 濾波器雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但主要是用于設(shè)計(jì)具有分段常數(shù)特性的濾波器，如低通、高通、帶通及帶阻等，往往脫離不了模擬濾波器的格局。而 FIR 濾波器則要靈活得多，尤其是他易于適應(yīng)某些特殊應(yīng)用，如構(gòu)成數(shù)字微分器或希爾波特變換器等，因而有更大的適應(yīng)性和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

從上面的簡(jiǎn)單比較可以看到 IIR 與 FIR 濾波器各有所長(zhǎng)，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)該從多方面考慮來(lái)加以選擇。從使用要求上來(lái)看，在對(duì)相位要求不敏感的場(chǎng)合，如語(yǔ)言通信等，選用 IIR 較為合適，這樣可以充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)；對(duì)于圖像信號(hào)處理，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫圆ㄐ螖y帶信息的系統(tǒng)，則對(duì)線性相位要求較高。如果有條件，采用 FIR 濾波器較好。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中可能還要考慮更多方面的因素。

不論 IIR 和 FIR，階數(shù)越高，信號(hào)延遲越大；同時(shí)在 IIR 濾波器中，階數(shù)越高，系數(shù)的精度要求越高，否則很容易造成有限字長(zhǎng)的誤差使極點(diǎn)移到單位園外。因此在階數(shù)選擇上是綜合考慮的。

IIR 濾波器（切比雪夫?yàn)V波）各濾波器比較（IIR 和 FIR，數(shù)字和模擬） 第 19，20，21 章內(nèi)容，主要講 IIR 濾波器和濾波器的比較

IIR 濾波不使用卷積運(yùn)算，而是用遞歸(recursive)運(yùn)算，因此執(zhí)行速度很快，但在性能上不一定比 FIR 濾波好。IIR 的沖擊響應(yīng)由衰減性指數(shù)信號(hào)構(gòu)成。

IIR 輸入輸出的遞推關(guān)系式為：

IIR 遞歸系數(shù)和其頻率響應(yīng)之間的關(guān)系可以通過(guò) Z 變換來(lái)轉(zhuǎn)換，Z 變換在此不涉及。

通過(guò)取不同的遞歸系數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波：

當(dāng)然這是最簡(jiǎn)單的應(yīng)用，遞歸系數(shù)的取法有一定的講究和公式，這里略了。

審核編輯 黃昊宇