[论文解读] 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 8

一句话总结

本综述全面回顾了可变截止频率（VCF）FIR滤波器设计技术，强调了在需要可重构带宽的应用中具备线性相位和稳定性优势。文中详细介绍了Farrow结构、多相分解和系数插值等关键技术方法，提供了定性和定量比较，以指导信号处理系统中最佳设计选择。

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.

研究动机与目标

• 系统回顾过去二十年间开发的VCF FIR滤波器设计技术。
• 分析VCF FIR滤波器中计算复杂度、相位线性度与滤波器性能之间的权衡。
• 使研究人员和工程师能够根据特定应用需求选择最合适的VCF FIR滤波器设计。
• 整合系数插值、多相结构及可重构滤波器组实现方面的进展。
• 提供一个定性和定量相结合的比较框架，用于评估不同VCF FIR滤波器架构。

提出的方法

• 调研并分类现有的VCF FIR滤波器设计技术，包括Farrow结构、多相分解和系数插值方法。
• 分析基于线性相位FIR滤波器结构的可变截止频率响应的数学基础。
• 详细阐述乘法器无关设计和基于查找表的系数生成等架构实现。
• 从单一VCF低通原型滤波器出发，提出低通、带通、高通和带阻滤波器的设计流程。
• 利用插值技术在保持线性相位和稳定性的同时动态调节截止频率。
• 从计算复杂度、硬件效率和频率响应精度等方面对不同方法进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 可变截止频率FIR滤波器的主要设计技术有哪些？它们在性能和复杂度方面有何差异？
• RQ2 如何利用单一VCF FIR低通滤波器实现可重构的带通、高通和带阻滤波器？
• RQ3 VCF FIR滤波器架构中，线性相位响应、稳定性与计算效率之间的权衡关系是什么？
• RQ4 哪些插值和系数生成方法在准确性和硬件资源使用之间实现了最佳平衡？
• RQ5 多相结构和基于Farrow的结构的最新发展如何提升VCF FIR滤波器的灵活性和性能？

主要发现

• 由于其固有的线性相位和稳定性，VCF FIR滤波器在需要可重构带宽的应用中更受青睐。
• Farrow结构通过滤波器系数的多项式插值，实现了平滑且连续的截止频率调节。
• 多相分解通过将滤波器划分为共享系数的子滤波器，实现了可变带宽滤波器的高效实现。
• 系数插值技术显著降低了硬件复杂度，同时保持了可接受的频率响应精度。
• 通过频率变换技术，可从单一VCF低通FIR滤波器原型高效实现可重构滤波器组。
• 本综述指出，基于Farrow和基于多相的架构在性能、复杂度和灵活性之间提供了最佳权衡，适用于大多数应用。