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國創(chuàng)分享濾波器的效率

  在前面討論好濾波器的標(biāo)準(zhǔn)的時候,主要是從濾波器的性能方面來考慮的。實際上,好濾波器的另外一個更高的標(biāo)準(zhǔn)在于滿足性能要求的情況下效率要高。更多的時候,好的濾波器是性能與效率的折中。這是因為DSP的使命和任務(wù)主要在于實時處理,因此,必然要對運算效率有很高的要求。那么,怎么來衡量一個濾波器的效率呢?

  衡量濾波器效率最常用的標(biāo)準(zhǔn)是濾波器的階數(shù)。在滿足性能要求的條件下,濾波器階數(shù)越低則效率越高。無論是FIR濾波器,還是IIR濾波器都是如此。當(dāng)然,F(xiàn)IR濾波器的階數(shù)和IIR濾波器的階數(shù)是完全不同的概念。實現(xiàn)同樣的性能,IIR濾波器所需的階數(shù)要遠(yuǎn)低于FIR濾波器。從理論上來說,只要階數(shù)足夠高,F(xiàn)IR濾波器幾乎能滿足任何的性能要求。但隨著階數(shù)的增加,運算效率越來越低。因為FIR濾波是基于卷積運算的,雖然卷積可用FFT來快速實現(xiàn),但隨著點數(shù)的增加,時間的開銷還是相當(dāng)之大,很難滿足實時性的要求。IIR濾波器的效率要遠(yuǎn)高于FIR濾波器,但IIR濾波器由于穩(wěn)定性及相位的非線性等問題,限制了它的應(yīng)用。

  衡量濾波器效率的第二個標(biāo)準(zhǔn)在于濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu),這點則通常為人們所忽略。實際上,在階數(shù)相同的情況下,不同的實現(xiàn)結(jié)構(gòu),運算效率可能相去甚遠(yuǎn)。比如FIR濾波器來說,最簡單,也是最普通的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)是橫向結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的運算效率比較低。如果FIR濾波器系數(shù)中含有比較多的0,則采用頻率采樣結(jié)構(gòu),多相結(jié)構(gòu)對效率會有比較大的提高。另外,還可根據(jù)濾波器系數(shù)和具體DSP的結(jié)構(gòu),選用串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu),格型結(jié)構(gòu)等不同的實現(xiàn)結(jié)構(gòu),以使運算效率最高。對IIR濾波器也一樣,有多種實現(xiàn)結(jié)構(gòu),要根據(jù)具體的情況選擇。

  在濾波器設(shè)計過程中,實際上也包含著這么兩個過程。一是濾波器系數(shù)的設(shè)計。這是一般教科書上介紹比較多的,有一些比較成熟的思路,比如FIR濾波器的窗函數(shù)設(shè)計法,IIR的雙線性變換法等。另外一個過程是設(shè)計濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然,在具體編程時,充分發(fā)揮所用DSP的特性,也在一定程度上影響最終的效率,這就是另外一個層面的問題了。

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