什麼是有限脈衝響應濾波器(FIR)

脈衝響應在有限長度內結束的數位濾波器(有限脈衝響應濾波器)。以 y[n] = Σh[k]x[n − k] 計算,把目前與過去 N 個輸入乘上係數後相加,沒有輸出的回授。極點只在 z = 0,因此不論係數為何都穩定;係數左右對稱時成為線性相位,所有頻率成分都延遲 (N − 1)/2 個取樣點。另一方面,要得到陡峭的特性需要很多抽頭,每輸出1個取樣點要進行與抽頭數相同次數的乘積累加運算。

日文名稱: FIRフィルタ

「有限脈衝響應濾波器(FIR)」出現在2領域的9道練習題中(數位訊號處理基礎, AD/DA轉換等)。

這個名詞所屬的領域: 數位訊號處理基礎

結構與運算量

排列每次延遲1個取樣點的延遲元件,把各級的值乘上係數後相加的結構,延遲元件的排列稱為抽頭延遲線。N個抽頭時每個輸出取樣點需要 N 次乘積累加,例如以44.1 kHz運作256個抽頭,每秒約需1130萬次乘積累加。DSP具備以1個週期完成乘積累加的指令或專用的乘積累加器,就是這個原因。

設計方法

最基本的方法是窗函數法:把理想特性的脈衝響應(低通時為 sinc 函數)截取成有限長度,再乘上窗函數以減輕兩端的影響。使與指定頻率特性之誤差的最大值最小化的Parks-McClellan法也很常用。不論哪一種,抽頭數越多越能接近理想特性。

線性相位與延遲

係數對稱的FIR濾波器使所有頻率成分延遲相同的時間,因此不會使脈衝或聲音的波形變形。其延遲為 (N − 1)/2 個取樣點,以48 kHz運作101個抽頭時約為1.04 ms。在延遲會造成問題的用途中,有時會放棄線性相位,改用延遲較小的最小相位FIR濾波器。

練習有限脈衝響應濾波器(FIR)的題目

有一個以取樣頻率8 kHz運作、轉移函數為 H(z) = 1 + z⁻²(y[n] = x[n] + x[n − 2])的FIR濾波器。使輸出為0的正弦波輸入頻率為下列何者?

  1. A1 kHz
  2. B2 kHz
  3. C4 kHz
查看答案與解析

正確答案:B. 2 kHz

1 + z⁻² = 0 的解,也就是零點,由 z² = −1 得 z = ±j,位於單位圓上的 ω = ±π/2。ω = π/2 對應 f = ω·fs/(2π) = fs/4 = 2 kHz;2 kHz的正弦波與2個取樣點之前的值恰好符號相反,相加為0。零點位於單位圓上時,會形成把該頻率完全去除的陷波(notch)。在4 kHz(奈奎斯特頻率)時 z⁻² = 1,因此增益為2。

有限脈衝響應(FIR)濾波器的特徵為下列何者?

  1. A具有把輸出送回輸入側的回授,因此能以較少的係數得到陡峭的特性
  2. B脈衝響應無限延續,因此容易因係數量化而變得不穩定
  3. C沒有回授,因此一定穩定,係數對稱時可得到線性相位
查看答案與解析

正確答案:C. 沒有回授,因此一定穩定,係數對稱時可得到線性相位

FIR濾波器只是把目前與過去的輸入乘上係數後相加,沒有輸出的回授。脈衝響應在係數個數(抽頭數)結束,極點只在 z = 0,因此不論係數為何值都穩定。係數左右對稱時成為線性相位,所有頻率成分都延遲相同的時間,波形的形狀不會變形。相對地,要得到陡峭的特性,需要比IIR濾波器更多的抽頭。

常見問題

FIR濾波器與IIR濾波器如何選用?

需要線性相位、確實穩定,或希望不易受係數量化影響時,適合FIR濾波器。想以較少的運算量與較小的延遲得到陡峭的特性時,適合IIR濾波器,但相位不是線性的,且須注意係數量化造成的不穩定。

抽頭數如何決定?

過渡頻帶(從通帶到阻帶的寬度)越窄、阻帶的衰減越大,需要的抽頭越多。大致上,抽頭數與「取樣頻率 ÷ 過渡頻帶寬度」成正比,所需的衰減量越大,比例係數也越大。

解析中的「有限脈衝響應濾波器(FIR)」

出現「有限脈衝響應濾波器(FIR)」的題目(9題)

  1. 有一個以取樣頻率8 kHz運作、轉移函數為 H(z) = 1 + z⁻²(y[n] = x[n] + x[n − 2])的FIR濾波器。使輸出為0的正弦波輸入頻率為下列何者?
  2. 有限脈衝響應(FIR)濾波器的特徵為下列何者?
  3. 具有下列係數的5抽頭FIR濾波器中,具有線性相位特性的為下列何者?
  4. 101抽頭的線性相位FIR濾波器(係數左右對稱)的群延遲為下列何者?
  5. 以取樣頻率44.1 kHz即時運作256抽頭的FIR濾波器。每秒所需的乘積累加運算(MAC)次數為下列何者?
  6. 以取樣頻率48 kHz,每個取樣點計算一次FIR濾波器的輸出。使用時脈200 MHz、每個時脈週期能做1次乘積累加的處理器,忽略其他處理的時間時,能即時處理的抽頭數上限最接近下列何者?
  7. 有一個FIR濾波器的計算,把16位元定點數的資料與係數的乘積以32位元表示,並把256個乘積相加。為了保證計算過程中不發生溢位,累加器所需的最少位元數為下列何者?
  8. 在ΔΣ式ADC中,將高速而粗略的量化輸出轉換為低取樣頻率的高解析度資料的數位電路為下列何者?
  9. 以係數位元數有限的定點數實作高階IIR濾波器時,下列注意事項何者正確?

相關名詞

線性相位 無限脈衝響應濾波器(IIR) 定點數 奈奎斯特頻率 脈衝響應 群延遲 中斷 飽和運算 ΔΣ式ADC 降取樣

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