对比FIR和IIR滤波器：构造、性能和适用性差异

发布时间：2020-12-25 11:12:48

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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FIR（Finite Impulse Response）滤波器是一种数字信号处理系统中的基本元件，其特点在于其单位冲激响应是有限长的，同时呈现出非递归型结构，因此它是稳定的系统。它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都得到了广泛的应用。

那FIR滤波器是如何工作的呢？

在进入FIR滤波器处理之前，首先要将输入信号通过A/D器件进行模数转换，将模拟信号转化为数字信号。为了确保信号处理过程中不发生失真，采样速度必须满足奈奎斯特定理，通常取信号频率上限的4-5倍作为采样频率。转换后的数字信号经过逐次逼近式A/D转换器的处理，再通过乘累加方法或分布式算法设计FIR滤波器。滤波器输出的数据以一串序列的形式呈现，为了直观地观察处理结果，还需要经过数模转换，因此，由FPGA构成的FIR滤波器的输出需要外接D/A模块。FPGA（Field-Programmable Gate Array）具有规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源，使得它特别适合于数字信号处理任务。相对于以串行运算为主导的通用DSP芯片来说，FPGA的并行性和可扩展性更好，利用FPGA乘累加的快速算法，可以设计出高速的FIR数字滤波器。

另外，你知道什么是IIR滤波器吗？

IIR滤波器，全称Infinite Impulse Response滤波器，又被称为递归滤波器。与FIR滤波器不同，IIR滤波器采用的是递归型结构，即结构上带有反馈环路。由于运算过程中的舍入处理，误差会不断累积，有时会产生微弱的寄生振荡。在设计上，IIR数字滤波器可以借助许多成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等。通过一定的变换，可以将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。然而，IIR数字滤波器的相位特性较难控制，如果对相位要求较高，可能需要进行相位校准网络的处理。

FIR滤波器与LLR滤波器的特性分析及选择

滤波器在信号处理中扮演着重要角色，根据其特性可以分为FIR（有限冲击响应）和IIR（无限冲击响应）滤波器。这两者在稳定性、相位特性和处理速度等方面存在显著的差异。

首先，FIR滤波器是一种有限长单位冲激响应滤波器，又称为非递归型滤波器，是数字信号处理系统中最基本的元件。它的主要特点是在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因此滤波器是稳定的系统。

与FIR滤波器相比，IIR滤波器具有反馈回路，是一种无限冲击响应滤波器，也称为递归型滤波器。这意味着它的结构包含一个或多个反馈环路，使其能够根据过去的输入和输出数据进行当前的处理。

在相位特性方面，FIR滤波器具有严格的线性相位，这意味着在不同频率下的相位延迟是线性的。这种特性使其在需要精确控制相位延迟的系统中非常有用。然而，IIR滤波器的相位特性是非线性的，这意味着相位延迟会随着频率的变化而变化。这使得它在一些应用中可能更难以控制。

在处理速度方面，FIR滤波器通常比IIR滤波器更快。这是因为它不需要等待前一个信号的滤波输出。因此，对于实时性要求较高的应用，如语音通信或实时信号处理，FIR滤波器可能是一个更好的选择。然而，IIR滤波器在某些情况下可以提供更好的性能，特别是在需要充分利用历史数据的应用中。

总的来说，选择使用FIR滤波器还是IIR滤波器取决于具体的应用需求。对于需要精确控制相位特性的应用，如图像信号处理或数据传输，FIR滤波器可能是更好的选择。而对于需要充分利用历史数据的实时信号处理应用，如语音通信或某些类型的雷达系统，IIR滤波器可能更适合。当然，在实际应用中可能还需要考虑更多因素，如计算资源、成本和系统复杂性等。

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FIR滤波器与IIR滤波器之间有何区别？

两种滤波器都是数字滤波器。根据冲激响应的不同，将数字滤波器分为有限冲激响应（FIR）滤波器和无限冲激响应（IIR）滤波器。对于 FIR 滤波器，冲激响应在有限时间内衰减为零，其输出仅取决于当前和过去的输入信号值。对于 IIR 滤波器，冲激响应理论上应会无限持续，其输出不仅取决于当前和过去的输入信号值，也取决于过去的信号输出值。

采用DSPBuilder的FIR滤波器的方案实现

在信息信号处理过程中，如对信号的过滤、检测、预测等，都要使用滤波器，数字滤波器是数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）中使用最广泛的一种器件。常用的滤波器有无限长单位脉冲响应（ⅡR）滤波器和有限长单位脉冲响应（FIR）滤波器两种[1]，其中，FIR滤波器能提供理想的线性相位响应，在整个频带上获得常数群时延从而得到零失真输出信号，同时它可以采用十分简单的算法实现，这两个优点使FIR滤波器成为明智的设计工程师的首选，在采用VHDL或VerilogHDL等硬件描述语言设计数字滤波器时，由于程序的编写往往不能达到良好优化而使滤波器性能表现一般。而采用调试好的IPCore需要向Altera公司购买。笔者采用了一种基于DSPBuilder的FPGA设计方法，使FIR滤波器设计较为简单易行，并能满足设计要求。