詳解FIR濾波器和IIR濾波器區(qū)別

數(shù)字濾波器廣泛應用于硬件電路設計，在離散系統(tǒng)中尤為常見，一般可以分為FIR濾波器和IIR濾波器，那么他們有什么區(qū)別和聯(lián)系呢。

FIR濾波器

定義：

FIR濾波器是有限長單位沖激響應濾波器，又稱為非遞歸型濾波器，是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性，同時其單位抽樣響應是有限長的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。

特點：

· FIR濾波器的最主要的特點是沒有反饋回路，穩(wěn)定性強，故不存在不穩(wěn)定的問題；

· FIR具有嚴格的線性相位，幅度特性隨意設置的同時，保證精確的線性相位；

· FIR設計方式是線性的，硬件容易實現(xiàn)；

· FIR相對IIR濾波器而言，相同性能指標時，階次較高，對CPU的性能要去較高。

圖1 FIR濾波原理圖

IIR濾波器

定義：

IIR濾波器是無限脈沖響應濾波器，又稱遞歸型濾波器，即結構上帶有反饋環(huán)路。

特點：

· IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以寫成封閉函數(shù)的形式，具有反饋回路；

· IIR數(shù)字濾波器的相位非線性，相位特性不好控制，隨截止頻率變化而變化，對相位要求較高時，需加相位校準網(wǎng)絡；

· IIR濾波器有歷史的輸出參與反饋，同F(xiàn)IR相比在相同階數(shù)時取得更好的濾波效果；

· IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結構，由于運算中的舍入處理，使誤差不斷累積，有時會產(chǎn)生微弱的寄生振蕩。

圖2 IIR基礎原理圖

區(qū)別

· 穩(wěn)定性：由于FIR濾波器沒有反饋回路，穩(wěn)定性要強于IIR；

· 相位特性：FIR 為線性相位延遲，IIR 為非線性相位延遲。

如下圖所示為10Hz的方波信號，采樣率為1KHz

圖3 方波信號

FIR濾波器后，濾波后效果圖下圖所示

圖4 FIR濾波效果圖

IIR濾波器后，濾波后效果圖下圖所示

圖5 IIR濾波效果圖

通過對比不難發(fā)現(xiàn)，IIR濾波器存在非線性相位延遲，校正時需要雙向濾波進行校正，復雜不易控制；FIR濾波器為線性延遲，可通過左右平移的方式直接校正，誤差小。

· 信號處理速度：FIR的濾波輸出取決于當前輸入數(shù)據(jù)和歷史輸入數(shù)據(jù)，IIR的濾波輸出取決于當前輸入數(shù)據(jù)、歷史輸入數(shù)據(jù)和歷史輸出數(shù)據(jù)。以基于FPGA硬件的數(shù)字濾波器為例，F(xiàn)IR在處理信號時不需等待前一個信號的濾波輸出，只需要考慮輸入數(shù)據(jù)便可實時濾波；IIR需要等待上一個信號的濾波輸出，存在一定的時間延遲，所以處理速度上沒有FIR快。

圖6 FIR和IIR濾波對比圖

從上面的簡單比較可以看到IIR與FIR濾波器各有所長，所以在實際應用時應該從多方面考慮來加以選擇。從使用要求上來看，在對相位要求不敏感的場合，如語言通信等，選用IIR較為合適，這樣可以充分發(fā)揮其經(jīng)濟高效的特點；對于圖像信號處理，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫圆ㄐ螖y帶信息的系統(tǒng)，則對線性相位要求較高，采用FIR濾波器較好。當然，在實際應用中可能還要考慮更多方面的因素。