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과학

최소제곱 FIR 설계

최소제곱 FIR 설계과학
영문명
Least-squares FIR design
목적함수
지정 대역의 가중 제곱 오차 적분
대표 대상
선형 위상 유한 임펄스 응답 필터
비교 방식
최대 오차 최소화와 목적이 다름
최소제곱 FIR 설계는 목표 주파수 응답과 실제 응답 사이의 가중 제곱 오차 적분을 작게 만드는 필터 설계 방법이다. 최대 오차를 직접 제한하는 미니맥스 설계와 구분한다.

대역 전체의 제곱 오차

목표 응답 D(f)와 실현 응답 A(f)의 차이를 제곱하고 가중치 W(f)를 곱해 지정 대역에서 적분한다. 한 지점의 큰 편차만이 아니라 넓은 구간에 걸친 편차도 비용에 반영된다. 선형 위상 대칭 조건을 사용하면 독립 계수들에 대한 선형 연립방정식으로 설계를 구성할 수 있다. 설계 기준의 최소제곱과 관측 잡음을 제거한다는 주장은 별개다.

대역 폭과 가중치

단순화해 한 대역의 오차가 일정하게 0.1이고 폭이 100Hz라면 제곱 오차 적분은 1이다. 다른 대역의 오차가 0.2이고 폭이 10Hz이면 0.4다. 최대 편차는 두 번째가 크지만 적분 비용은 첫 번째가 크다. 실제 응답은 일정하지 않을 수 있으며 대역별 가중치도 결과를 바꾼다. 최댓값 기준과 제곱 적분 기준을 혼동하지 않는다.

목표 응답의 지정

대역의 시작과 끝에서 원하는 이득을 정해 대역 안의 목표를 표현할 수 있다. 대역별 가중치는 상대적인 오차 비용을 조절한다. 통과대역과 저지대역 사이를 지정하지 않았다면 그 전이 구간의 모양은 같은 목적함수로 제한되지 않는다. 주파수 단위와 표본화율을 맞추며,나이퀴스트 주파수가 표본화율의 절반이라는 점도 확인한다.

대칭성과 결과 해석

대표적인 Type I 구성은 홀수 탭 수와 h[n]=h[L−1−n] 대칭을 사용한다. L=5일 때 독립 계수는 h₀,h₁,h₂ 세 개이고 나머지는 h₁,h₀로 정해진다. 최소제곱 최적값을 얻어도 최대 리플이나 저지대역 감쇠가 별도 사양을 만족하는지는 확인해야 한다. 정해진 계수의 FIR을 실제 적용하는 단계와 그 계수를 설계하는 단계도 구별한다.

관련 문서

FIR 필터 / 파크스 매클렐런 필터 설계 / 선형 위상 필터 / 최소제곱법 / 연립방정식 / 주파수 응답