Luento 18.3: IIR-suodinten suunnittelu

Tänään luennon aluksi käytiin läpi viimeviikkoinen välikoe, minkä jälkeen tutkittiin IIR-suodatusta sekä Matlabin valmiita IIR-suodattimen suunnittelumenetelmiä.

Välikoetta ei ole vielä tarkastettu. Pyrin hoitamaan asian ensi viikkoon mennessä.

IIR-suodinten suunnittelun aluksi muisteltiin ns. pole-zero-placement -suunnittelumenetelmää, jossa hiirellä sijoiteltiin napoja ja nollia yksikköympyrälle ja laskettiin näitä vastaava suodin. Alla olevassa kuvassa on eräs näin saatu napanollakuvio, jossa tavoitellaan alipäästösuodinta. Tätä vastaava amplitudivaste on seuraavassa kuvassa, jossa selvästi erottuu hyppäys ylös- tai alaspäin jokaisen lähellä kehää olevan navan tai nollan kohdalla. Alimmassa kuvassa on vielä esitetty siirtofunktion itseisarvo |H(z)|, josta saadaan keskimmäinen amplitudivasteen |H(exp(iw))| kuvaaja sijoittamalla exp(iw) lausekkeessa z:n tilalle.
 

Menetelmä ei luonnollisestikaan ole kovin tarkka. Kappaleessa 6 esitetäänkin menetelmiä tarkempaan IIR-suodinten suunnitteluun, ja ne käydään melko yleisellä Matlab-komentojen osaamisen tasolla. Kappaleen ydin on koottu monisteen taulukkoon, jossa suodintyyppejä vertaillaan amplitudivasteen ominaisuuksien ja kertoimien määrän suhteen. Kertoimia tarvitaan eri menetelmillä 29+28, 13+12 ja 8+7 kappaletta. Suurin määrä tulee Butterworth-suotimella ja pienin elliptisellä suotimella. Kahden Chebyshev-suotimen kerroinmäärä on näiden kahden ääripään välissä. Vertailun vuoksi FIR-suotimen kertoimien määrä vastaavilla vaatimuksilla olisi N = [5.5/0.035] = 159 käytettäessä Blackman-ikkunaa.

Muita luennolla esiin tulleita seikkoja olivat mm.

• Matlabin kerroinvektorit a ja b eivät ole suoraan käytettävissä ulostulon y(n) laskennassa, vaan takaisinkytkentäkertoimien (siis esim. termin y(n-1) kertoimen) merkki täytyy vaihtaa vastakkaiseksi.

• Elliptisellä suotimella on aina vähemmän kertoimia kuin muilla. Lisäksi tasavärähtely-ominaisuus on yleensä hyvä asia.

IIR-suotimen etuna on siis pienempi kertoimien tarve. Haittapuolina mahdollinen epästabiilisuus sekä numeeriset ongelmat toteutuksessa. Tästä esimerkkinä on esim. kurssin SGN-16006 signaaliprosessorityö, jossa täytyy toteuttaa IIR-suodin. Käytännössä yli toisen asteen IIR-suodinta ei voi toteuttaa numeeristen ongelmien vuoksi. Sen sijaan suodin täytyy jakaa peräkkäisiin toisen asteen lohkoihin esim. Matlabin TF2SOS-funktiolla. Harjoitustyössä on yhtenä tehtävänä ns. Goertzel-algoritmin toteutus yksittäisen taajuuden tunnistuksessa. Goertzel-algoritmi hyödyntää epästabiilia suodinta, joka vahvistaa etsittävää taajuutta äärettömän paljon. Tästä ei kuitenkaan seuraa katastrofia, jos suotimen annetaan toimia vain vähän aikaa (esim 256 näytettä). 

Luennolla kysyttiin mistä IIR-suodintyyppien nimet ovat peräisin.

• Butterworth-suodin on nimetty fyysikko Stephen Butterworthin mukaan, joka esitteli analogisen Butterworth-suotimen 1930.
• Chebyshev-suotimet juontavat juurensa Chebyshev-polynomeihin, joita käytetään numeerisessa approksimoinnissa: esim. Matlab saattaa laskea logaritmifunktion todellisuudessa Chebyshev-polynomin avulla, jossa kertoimet on sovitettu niin että polynomi on paikallisesti lähellä logaritmia. Chebyshev-polynomien hyvä ominaisuus on, että niillä saatava maksimivirhe on mahdollisimman pieni ("minimax criterion"; "minimal L-Infinity norm"). Tämä on sama asia kuin tasavärähtely-ominaisuus.
• Elliptinen suodin perustuu ns. elliptisiin rationaalifunktioihin, ja yhteys on varsin matemaattinen.

Suodinsuunnittelussa on paljon yhteistä numeerisen approksimoinnin kanssa, koska sitähän suodinsuunnittelu olennaisesti onkin: pyritään löytämään suodin jonka amplitudivaste approksimoi ideaalista vastetta mahdollisimman tarkasti.