顾名思义,非递归滤波器,也就是FIR滤波器,没有引入反馈。这种滤波器的脉冲响应是有限的。相反,递归滤波器,也就是IIR滤波器,具有反馈,一般认为具有无限的脉冲响应。图1(a)分别给出了具有递归部分和没有递归部分的滤波器。如果将这些递归和非递归部分组合起来就生成了典型的如图1(b)所示的滤波器。图1中滤波器的传递函数可以写成: 图1 带有反馈的滤波器 与FIR滤波器的差分方程(3.2)进行比较就会发现,递归系统的差分方程不仅仅依赖于输入序列x[n]的前L个值,而且与y[n]的前L-1个 值有关。 如果计算F(z)的极点和零点,就可以看到非递归部分,也就是F(z) 单片机与DSP中的IIR滤波器理论是数字信号处理中的重要概念,涉及到滤波器设计、信号处理和控制系统。IIR(无限脉冲响应)滤波器与FIR(有限脉冲响应)滤波器是两种主要的数字滤波器类型。 FIR滤波器是一种非递归结构,其特点是不包含反馈路径,脉冲响应是有限的。这意味着在给定输入信号后,滤波器的输出会经过一定时间后逐渐趋于零。由于不涉及反馈,FIR滤波器的设计通常通过窗口法、频率采样法或脉冲响应不变法等方法来实现,其性能主要由滤波器系数决定。 相反,IIR滤波器具有递归结构,包含了反馈路径,因此它的脉冲响应理论上是无限的。IIR滤波器可以通过差分方程表示,其中不仅依赖于当前及过去的输入信号,还与过去输出信号有关。这种结构使得IIR滤波器能够在较少的计算资源下实现较宽的频率响应,但同时也可能导致稳定性问题。 滤波器的传递函数是描述其频率响应的关键,它定义了输入信号与输出信号之间的关系。对于IIR滤波器,传递函数通常包括分子(零点部分)和分母(极点部分)。零点决定了滤波器在某些频率下的增益为零,而极点则决定了滤波器的稳定性以及响应速度。在z域中,滤波器的极点和零点分布直接影响了其幅频特性和相频特性。 在分析IIR滤波器的特性时,我们可以利用极点/零点图。零点位于单位圆外,对应于傅立叶变换中的频率零点,而极点位于单位圆内则保证了滤波器的稳定性。如果极点位于单位圆上,那么滤波器将在相应频率上产生无穷增益,可能导致系统不稳定。复数极点和零点总是成对出现,保持系统对称性。 线性相位滤波器具有恒定的相位延迟,这对于许多应用,如同步信号处理,是至关重要的。然而,纯线性相位的IIR滤波器只有在所有极点位于z=0或单位圆对称的情况下才能实现,这在实际设计中往往难以满足。为了达到近似线性相位,全通滤波器被引入,它通过引入额外的相位移来改善线性相位特性,同时保持单位增益。 在单片机和DSP(数字信号处理器)中,IIR滤波器因其效率高和灵活性而广泛应用于各种信号处理任务,例如信号噪声抑制、频谱分析、解调和滤波等。设计IIR滤波器时,需要权衡计算复杂度、稳定性、频率响应和相位特性等多个因素。通过精心选择滤波器结构(如巴特沃斯、切比雪夫、椭圆等),并调整其系数,可以实现满足特定需求的IIR滤波器。在实际应用中,还需要考虑采样率、量化误差以及实时处理能力等因素。
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