Bộ lọc được sử dụng trong xử lý tín hiệu kỹ thuật số để loại bỏ các phần không mong muốn của tín hiệu, chẳng hạn như nhiễu ngẫu nhiên hoặc để trích xuất các phần hữu ích của tín hiệu, chẳng hạn như các phần của tín hiệu thuộc một dải cụ thể
Ví dụ: một âm thanh được ghi bằng thiết bị kém có thể được lọc để loại bỏ các yếu tố không mong muốn khỏi tín hiệu, làm cho âm thanh càng gần với âm thanh gốc (không bị nhiễu) càng tốt.
Bộ lọc kỹ thuật số có thể được phân thành hai nhóm, bộ lọc FIR (đáp ứng xung thời gian hữu hạn) và IIR (đáp ứng xung thời gian vô hạn). Khi một hệ thống được cung cấp một số đầu vào, kết quả hoặc phản hồi đạt được được gọi là phản ứng xung của nó.
Bộ lọc IIR và FIR
Sự khác biệt giữa bộ lọc FIR và IIR là đáp ứng xung của bộ bổ sung là khác không đối với chỉ một số lượng mẫu hữu hạn. Bộ lọc IIR có vô số mẫu khác không. Bộ lọc IIR còn được gọi là bộ lọc phản hồi và bộ lọc FIR không có bất kỳ cơ chế phản hồi nào như vậy. Trong một phương trình khác biệt, các hệ số bộ lọc của bộ lọc IIR có các điều khoản phản hồi.
Bảng so sánh giữa bộ lọc FIR và bộ lọc IIR
| Tham số so sánh | Bộ lọc FIR | Bộ lọc IIR |
| Thiên nhiên | Bản chất không đệ quy vì nó không sử dụng lại các đầu ra của nó làm đầu vào. | Về bản chất đệ quy vì nó sử dụng lại một hoặc nhiều đầu ra của nó làm đầu vào. |
| Hiệu quả | Hiệu quả tính toán kém hơn. | Hiệu quả hơn về mặt tính toán. |
| Dễ dàng triển khai trong một mạch | Do không có cơ chế phản hồi nên việc thực hiện trong mạch dễ dàng hơn. | Do sự hiện diện của cơ chế phản hồi nên khó thực hiện hơn trong mạch. |
| Cơ chế phản hồi | Không sử dụng mạch phản hồi. | Sử dụng cơ chế phản hồi trong đó đầu ra trước đó, kết hợp với đầu vào hiện tại và quá khứ, được đưa ra như đầu vào hiện tại. |
| Sự ổn định | Ổn định hơn vì đầu ra hiện tại không có bất kỳ mối quan hệ nào với đầu ra trước đó. | Ít ổn định hơn vì nó cũng sử dụng các mẫu đầu ra trước đó. |
| Yêu cầu đầu vào để tạo ra đầu ra hiện tại | Các mẫu đầu vào hiện tại và quá khứ | Các mẫu đầu vào hiện tại và quá khứ cùng với đầu ra trong quá khứ. |
| Sự chậm trễ được cung cấp | Gây chậm trễ hơn trong việc cung cấp phản hồi | Cung cấp ít chậm trễ hơn trong việc cung cấp phản hồi |
| Yêu cầu bộ nhớ | Yêu cầu nhiều bộ nhớ hơn | Yêu cầu ít bộ nhớ hơn |
| Nhạy cảm | Ít nhạy cảm | Nhạy cảm hơn |
| Khả năng kiểm soát dễ dàng | Dễ dàng kiểm soát | Khá khó kiểm soát |
Bộ lọc FIR là gì?
Các bộ lọc kỹ thuật số tạo ra một phản ứng xung hữu hạn của một hệ thống động được gọi là bộ lọc FIR. Đáp ứng xung được cung cấp bởi bộ lọc FIR có thời gian hữu hạn. Chúng được đặt tên như vậy bởi vì phản hồi được cung cấp bởi các bộ lọc này được cố định bằng 0 trong một khoảng thời gian hữu hạn. Trong trường hợp bộ lọc FIR, bộ lọc thứ n tạo (n + 1) mẫu trước khi được cố định thành 0.
Bộ lọc FIR không có cơ chế phản hồi. Đầu vào hiện tại của họ chỉ bao gồm các giá trị đầu vào hiện tại và quá khứ. Tổng của một số lượng hữu hạn các mẫu hữu hạn của các giá trị đầu vào tạo thành đầu ra của bộ lọc FIR. Bộ lọc FIR phù hợp hơn cho các ứng dụng yêu cầu đáp ứng pha tuyến tính.
Bộ lọc IIR là gì?
Các bộ lọc kỹ thuật số tạo ra phản ứng xung vô hạn của hệ thống động được gọi là bộ lọc IIR. Các đầu vào hiện tại và quá khứ kết hợp với các đầu ra trong quá khứ được coi là đầu vào hiện tại.
Bộ lọc IIR hoạt động theo cách mà không chỉ đầu vào hiện tại và quá khứ mà cả mẫu đầu ra trong quá khứ cũng được xem xét. Mạch phản hồi này là điểm phân biệt chúng với các bộ lọc FIR.
Cơ chế phản hồi nội bộ làm cho các bộ lọc này có bản chất đệ quy. Họ không bao giờ cho phép phản hồi của họ ở mức 0 đối với một xung động được áp dụng. Chúng hiệu quả hơn về mặt tính toán và yêu cầu ít bộ nhớ hơn. Tuy nhiên, do bản chất đệ quy của chúng, chúng kém ổn định và khó kiểm soát.
Bộ lọc IR được sử dụng tốt nhất cho các ứng dụng không yêu cầu thông tin về pha, ví dụ, để theo dõi biên độ tín hiệu.
Sự khác biệt chính giữa bộ lọc FIR và Bộ lọc IIR
Sự kết luận
Bộ lọc kỹ thuật số có thể được thiết kế cho các mục đích khác nhau. Ví dụ, một bộ lọc có thể được phân loại là vượt qua cao, vượt qua thấp, dừng dải hoặc vượt qua dải. Ví dụ, khi một tín hiệu đầu vào có nhiễu tần số cao được đưa qua bộ lọc thông thấp, nhiễu tần số cao sẽ bị loại bỏ khỏi đầu vào, dẫn đến tín hiệu sạch.
Các loại bộ lọc này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc FIR hoặc IIR. Sự kết hợp của cả hai loại này cũng có thể được sử dụng để tạo ra một bộ lọc có hình dạng tùy ý. Bộ lọc FIR không có cơ chế phản hồi. Điều này làm cho chúng ổn định hơn. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu pha tuyến tính.
Bộ lọc IIR sử dụng các đầu ra trước đó, cùng với các đầu vào hiện tại và quá khứ, làm phản hồi. Điều này làm cho chúng có tính chất đệ quy và kém ổn định hơn. Bộ lọc IIR có thể đạt được đặc tính lọc mong muốn bằng cách sử dụng ít bộ nhớ và tính toán hơn bộ lọc FIR.
