[논문 리뷰] Variable Cutoff Frequency FIR Filters: A Survey

Sumedh Dhabu, Abhishek Ambede외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 09.

Digital Filter Design and Implementation인용 수 8

한 줄 요약

이 종합 검토는 가변 컷오프 주파수(VCF) FIR 필터 설계 기법에 대한 포괄적인 리뷰를 제시하며, 재구성 가능한 대역폭이 필요한 애플리케이션에서 선형 위상 및 안정성의 이점에 중점을 둔다. Farrow 구조, 다항분해, 계수 보간 기법과 같은 핵심 방법을 상세히 설명하며, 신호 처리 시스템의 최적 설계 선택을 안내하기 위해 정성적 및 정량적 비교를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 최근 20년간 개발된 VCF FIR 필터 설계 기법에 대한 체계적인 검토를 제공하기 위해.
• VCF FIR 필터에서 계산 복잡도, 위상 선형성, 필터 성능 간의 상호 상충 관계를 분석하기 위해.
• 연구자 및 엔지니어가 애플리케이션에 맞는 요구사항을 바탕으로 가장 적합한 VCF FIR 필터 설계를 선택할 수 있도록 돕기 위해.
• 계수 보간, 다항분해 구조, 재구성 가능한 필터뱅크 구현 기술의 발전을 통합하기 위해.
• 정성적 및 정량적 비교 프레임워크를 제공하여 다양한 VCF FIR 필터 아키텍처를 평가할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• Farrow 구조, 다항분해, 계수 보간 기법을 포함한 기존 VCF FIR 필터 설계 기법을 조사하고 분류하기 위해.
• 선형 위상 FIR 필터 구조를 사용한 가변 컷오프 주파수 응답의 수학적 기초를 분석하기 위해.
• 승수 없는 설계 및 룩업 테이블 기반 계수 생성과 같은 아키텍처 구현 방법을 상세히 기술하기 위해.
• 단일 VCF 저역통과 필터 프로토타입에서 유도된 저역통과, 대역통과, 고역통과, 대역차단 필터의 설계 절차를 제시하기 위해.
• 보간 기법을 활용해 선형 위상과 안정성을 유지하면서도 컷오프 주파수를 동적으로 조정하기 위해.
• 계산 복잡도, 하드웨어 효율성, 주파수 응답 정확도 측면에서 방법 간 비교를 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가변 컷오프 주파수 FIR 필터의 주요 설계 기법은 무엇이며, 성능 및 복잡도 측면에서 어떻게 다릅니까?
• RQ2 단일 VCF FIR 저역통과 필터는 어떻게 하여 재구성 가능한 대역통과, 고역통과, 대역차단 필터를 실현할 수 있습니까?
• RQ3 VCF FIR 필터 아키텍처에서 선형 위상 응답, 안정성, 계산 효율성 간의 상호 상충 관계는 어떻게 됩니까?
• RQ4 정확도와 하드웨어 자원 사용량 간의 균형을 가장 잘 만족하는 보간 및 계수 생성 방법은 무엇입니까?
• RQ5 다항분해 및 Farrow 기반 구조의 최근 발전은 VCF FIR 필터의 유연성과 성능을 어떻게 향상시킵니까?

주요 결과

• 재구성 가능한 대역폭이 필요한 응용 분야에서 VCF FIR 필터는 내재된 선형 위상 및 안정성으로 인해 선호된다.
• Farrow 구조는 필터 계수의 다항식 보간을 통해 부드럽고 연속적인 컷오프 주파수 조절을 가능하게 한다.
• 다항분해는 공유 계수를 가진 하위필터로 분할하여 가변 대역폭 필터의 효율적 구현을 가능하게 한다.
• 계수 보간 기법은 주파수 응답 정확도를 유지하면서도 하드웨어 복잡도를 크게 감소시킨다.
• 주파수 변환 기법을 활용해 단일 VCF 저역통과 FIR 필터 프로토타입에서 재구성 가능한 필터뱅크를 효율적으로 실현할 수 있다.
• 이 조사에서는 Farrow 기반 및 다항분해 기반 설계가 대부분의 응용 분야에서 성능, 복잡도, 유연성 간 최적의 균형을 제공함을 밝혔다.