FFT和filter的选择---MATLAB

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五种类型模拟滤波器的比较:

巴特沃斯、切比雪夫I型、切比雪夫II型、椭圆滤波器主要考虑逼近幅度响应指标的滤波器;贝塞尔滤波器主要考虑逼近线性相位的滤波器。

下面比较相同阶数的归一化滤波器频率响应特性:

相同阶数相同的通带最大衰减和阻带最小衰减:

巴特沃夫有单调下降的幅频特性,过渡带最宽。2种类型的切比雪夫过渡带相等且比巴特沃夫窄比椭圆宽。切比雪夫I型在通带有等条纹幅频特性,过渡带和阻带单调下降。切比雪夫II型通带幅频响应几乎与巴特沃夫相同,阻带是等波纹幅频特性。椭圆filter的过渡带最窄,通带和阻带均是等波纹幅频特性。

<相位逼近状况>巴特沃夫和切比雪夫大约在3/4的通带上是非常接近线性相位特性。椭圆filter大约在1/2个通带上接近。贝塞尔在整个通带上逼近线性相位特性,且其幅频特性的过渡带比其他4种宽得多。

<复杂性>在满足相同的幅频特性指标下,巴特沃夫阶数最高,椭圆阶数最低,且阶数差别大。so在满足滤波器频响指标而言,椭圆filter的性能最高,应用广泛。

IIR和FIR数字滤波器的比较:

<性能>IIR系统函数的极点可以位于单位圆的任何地方,零点和极点的结合可以用较低的阶数获得较高的选择性,阶数低意味着存储单元少计算量少经济高效,但这种高效以相位的非线性为代价。FIR可以达到线性相位,但FIR系统函数的极点固定在原点,只能用较高阶数达到高的选择性。

<结构>IIR必须是递归结构,极点位置必须在单位圆内,否则系统不稳定。在递归结构中,运算过程对序列的舍入处理,有限字长效应有时会引起寄生振荡。FIR主要采用非递归结构,有限精度运算中不存在稳定性问题。FIR可以采用FFT算法实现,运算速度可以大大提高。

<设计工具>IIR可以借助成熟的模拟滤波器设计,间接设计法主要有脉冲响应不变法和双线性变换法。FIR的设计不能用间接法,常用方法有窗函数法、频率采样法和契比雪夫等条纹逼近法。计算通带阻带衰减等仍无显示表达式,其边界频率也不易精确控制。但IIR脱离不了几种典型的模拟滤波器的频响特性约束。FIR相比之灵活些。

总之:对相位不敏感的场合如语音通讯等,用IIR较合适;对图像信号处理,数据传输等以波形携带信号的系统,对线性相位要求较高,用FIR较好。

稳定性和线性相位特性是FIRfilter最突出的优点。

Reference:

数字信号处理(第三版),高西全,丁玉美编著,西安电子科技大学出版社

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    对于N阶fir滤波器,因为是用差分方程实现它,它有N/2的时延。在MATLAB中,用filter或fftfilt实现滤波后,前N/2个数据应该舍弃,因为它们是滤波器从瞬态转向稳态过程中出现的振荡波纹。也就是说,fir滤波器可以做到零相位,但是时延是不可避免的。

    应用filtfilt命令可以部分解决时延问题,但是,在滤出波形左右两端的波形都会出现畸变(边界效应)。用fftfilter和filter滤波器仅在左端出边因瞬态转稳态出现的波纹,在信号右端没有畸变。

    为了实现滤波器的相位补偿,实现实时信号滤波(实现无相位损失滤波,消除相位延迟),可以对原信号进行延拓。经过信号延拓后,可以有效地消除边界效应。基本的延拓方法有:镜像延拓,ar延拓等。

    AR延拓(请查看EMD分解,《数字信号处理-理论、算法与实现(第二版),胡广书,清华大学出版社,第12章》)

Reference:

信号FIR数字滤波后相位延迟的消除。伏燕军;程强强;于润桥;江光裕计算机工程与应用》 2012.07

滤波函数

* filter:利用递归滤波器(IIR)或非递归滤波器(FIR)对数据进行数字滤波;

* fftfilt:利用基于FFT的重叠相加法对数据进行滤波,只适用于非递归滤波器(FIR);

* filter2:二维FIR数字滤波;

* filtfilt:零相位滤波(IIR与FIR均可)。

滤波器特性分析

* 脉冲响应Impz

    等价于使用函数filter输入一个脉冲信号x=[1;zero(N-1,1)]。

* 频率响应freqz与freqs

    Freqz:求解数字滤波器的频率响应

    Freqs:求解模拟滤波器的频率响应

* 幅频和相频abs与angle、unwrap

    Unwrap:解卷绕

* 群延迟grpdelay

    群延迟即为滤波器相位响应的负一阶导数,是滤波器平均延迟的度量。

* 零极点分析zplane

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