什麼是無限脈衝響應濾波器(IIR)

具有把過去的輸出送回輸入側的回授,脈衝響應無限延續的數位濾波器(無限脈衝響應濾波器)。以 y[n] = 0.2x[n] + 0.8y[n − 1](指數平滑)這類差分方程式計算,轉移函數有分母。能以較少的係數與運算量得到陡峭的特性,延遲也小,但相位不是線性的。若不是所有極點都在單位圓內側就會不穩定,高階濾波器對係數量化較敏感,因此常以二階區段(biquad)的串接實作。常用的設計方法是以雙線性轉換從類比濾波器轉換。

日文名稱: IIRフィルタ

「無限脈衝響應濾波器(IIR)」出現在1領域的4道練習題中(數位訊號處理基礎等)。

這個名詞所屬的領域: 數位訊號處理基礎

練習無限脈衝響應濾波器(IIR)的題目

以指數平滑 y[n] = 0.2x[n] + 0.8y[n − 1] 表示的一階IIR低通濾波器,在直流與奈奎斯特頻率的增益組合為下列何者?

  1. A直流為1,奈奎斯特頻率為0
  2. B直流為5,奈奎斯特頻率約為0.56
  3. C直流為1,奈奎斯特頻率約為0.11
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正確答案:C. 直流為1,奈奎斯特頻率約為0.11

轉移函數為 H(z) = 0.2/(1 − 0.8z⁻¹),在直流(z = 1)為 0.2/(1 − 0.8) = 1,在奈奎斯特頻率(z = −1)為 0.2/(1 + 0.8) = 1/9 ≈ 0.11(約 −19 dB)。新的輸入乘上0.2、之前的輸出乘上0.8的權重後相加,權重和為1,因此固定的輸入原樣通過。只要記住前1個輸出,就能得到對過去輸入施加指數遞減權重的平均。極點 z = 0.8 位於單位圓內側,因此穩定;回授係數越接近1,平滑越強,響應也越慢。

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?

  1. AIIR濾波器的極點不受係數量化的影響,因此係數的位元數只要依通帶增益的精度決定即可
  2. B係數量化後也和FIR濾波器一樣一定穩定,因此即使階數高,也最好以單一差分方程式實作
  3. C把高階的分母以單一式子實作時,係數的誤差會使極點移動而可能不穩定,因此要分解成二階區段的串接
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正確答案:C. 把高階的分母以單一式子實作時,係數的誤差會使極點移動而可能不穩定,因此要分解成二階區段的串接

高階多項式的根(極點)對係數的微小變化很敏感,尤其是極點聚集在單位圓附近的陡峭濾波器,光是把係數捨入,就可能使極點跑到單位圓外側。因此把濾波器分解成各負責2個極點的二階區段(biquad),以串接方式連接,各區段的係數誤差不會影響其他極點,對量化較有抵抗力。FIR濾波器在係數量化後仍然穩定,但頻率特性會改變。

解析中的「無限脈衝響應濾波器(IIR)」

出現「無限脈衝響應濾波器(IIR)」的題目(4題)

  1. 以指數平滑 y[n] = 0.2x[n] + 0.8y[n − 1] 表示的一階IIR低通濾波器,在直流與奈奎斯特頻率的增益組合為下列何者?
  2. 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?
  3. 對差分方程式 y[n] = x[n] + 0.5y[n − 1] 表示的系統,從 n = 0 起輸入單位步階(n ≥ 0 時 x[n] = 1)。y[−1] = 0 時,y[2] 為下列何者?
  4. 有限脈衝響應(FIR)濾波器的特徵為下列何者?

相關名詞

有限脈衝響應濾波器(FIR) 脈衝響應 奈奎斯特頻率 定點數 差分方程式 線性相位 快速傅立葉轉換(FFT) 降取樣 移動平均濾波器 窗函數

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