[論文レビュー] Variable Cutoff Frequency FIR Filters: A Survey

Sumedh Dhabu, Abhishek Ambede+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2018

Digital Filter Design and Implementation被引用数 8

ひとこと要約

本調査では、再構成可能帯域幅を必要とする応用分野において線形位相および安定性の利点を強調しながら、可変カットオフ周波数（VCF）FIRフィルタ設計技術の包括的レビューを提供している。Farrow構造、多相分解、係数補間などの主要な手法を詳細に説明し、信号処理システムにおける最適な設計選定を支援するための定性的および定量的比較を提供している。

ABSTRACT

Many signal processing applications require digital filters with variable frequency characteristics, especially the filters with variable bandwidth. Due to their linear phase and inherent stability, variable bandwidth finite impulse response (FIR) filters are the popular choice in majority of the applications. Once a variable cutoff frequency (VCF) FIR lowpass filter is designed, variable bandwidth bandpass / highpass / bandstop filters and reconfigurable filter banks can be realized from the same. In this paper, we present a comprehensive review of the existing variable cutoff frequency FIR filter design techniques, including the developments in the recent two decades. We provide the basic concepts, design and architectural details for each of these techniques and the major developments / incremental works thereof. Qualitative as well as quantitative comparisons are provided to assist the reader in choosing the most suitable VCF filter design technique for a particular application.

研究の動機と目的

• 過去20年間にわたり開発されたVCF FIRフィルタ設計技術について、体系的なレビューを提供すること。
• VCF FIRフィルタにおける計算複雑性、位相線形性、フィルタ性能の間のトレードオフを分析すること。
• 研究者およびエンジニアがアプリケーション固有の要件に基づいて最も適したVCF FIRフィルタ設計を選定できるようにすること。
• 係数補間、多相構造、再構成可能フィルタバンク実装における進展を統合すること。
• 定性的および定量的な両方の枠組みを提供し、異なるVCF FIRフィルタアーキテクチャの評価を可能にすること。

提案手法

• Farrow構造、多相分解、係数補間手法を含む、既存のVCF FIRフィルタ設計技術のサーベイおよび分類。
• 線形位相FIRフィルタ構造を用いた可変カットオフ周波応答の数学的基盤の分析。
• 乗算子を不要とする設計や、ルックアップテーブルベースの係数生成などのアーキテクチャ実装の詳細。
• 単一のVCFローパassプロトタイプから導出されたローパス、バンドパス、ハイパス、バンドストップフィルタの設計手順の提示。
• 補間技術を用いて、線形位相および安定性を保持したままカットオフ周波数を動的に調整すること。
• 計算複雑性、ハードウェア効率、周波数応答の正確さの観点から、手法を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変カットオフ周波数FIRフィルタの主な設計技術は何であり、それらの性能と複雑性においてどのように異なるか？
• RQ2 単一のVCF FIRローパスフィルタは、どのようにして再構成可能なバンドパス、ハイパス、バンドストップフィルタを実現できるか？
• RQ3 VCF FIRフィルタアーキテクチャにおいて、線形位相応答、安定性、計算効率の間のトレードオフは何か？
• RQ4 どの補間および係数生成手法が、正確性とハードウェアリソース使用量のバランスにおいて最良か？
• RQ5 多相構造およびFarrowベースの構造における最近の発展は、VCF FIRフィルタの柔軟性および性能をどのように向上させているか？

主な発見

• 再構成可能帯域幅を必要とする応用分野では、内在的な線形位相および安定性の利点から、VCF FIRフィルタが好まれる。
• Farrow構造により、フィルタ係数の多項式補間を用いて、滑らかで連続的なカットオフ周波数の調整が可能になる。
• 多相分解により、共通の係数を持つサブフィルタに分割することで、可変帯域幅フィルタの効率的な実装が可能になる。
• 係数補間技術は、許容できる周波数応答の正確さを維持したまま、ハードウェア複雑性を顕著に低減する。
• 周波数変換技術を用いることで、単一のVCFローパスFIRフィルタプロトタイプから、再構成可能なフィルタバンクを効率的に実現できる。
• 本調査では、Farrowベースおよび多相ベースの設計が、大多数の応用分野において、性能、複雑性、柔軟性のバランスが最良であると特定している。