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과학

파크스 매클렐런 필터 설계

파크스 매클렐런 필터 설계과학
영문명
Parks-McClellan filter design
대표 알고리즘
Remez exchange algorithm
대상
선형 위상 FIR 필터
목적
지정 대역의 최대 가중 오차 최소화
파크스 매클렐런 필터 설계는 지정한 주파수 대역에서 최대 가중 오차를 작게 만드는 선형 위상 FIR 설계 방식이다. 레메즈 교환 알고리즘을 사용하며, 평균제곱 오차를 줄이는 설계와 목적이 다르다.

가장 큰 오차를 줄이는 목적

목표 진폭 응답을 D(f),실현할 응답을 A(f),대역 가중치를 W(f)라 하면 지정 대역에서 W(f)|A(f)−D(f)|의 최댓값을 최소화하는 문제다. 특정 몇 주파수만 완벽히 맞추는 대신 가장 나쁜 편차를 관리한다. 통과대역과 저지대역의 상대 가중치를 달리하면 어느 대역의 오차를 더 강하게 제한할지 조정할 수 있다.

최소제곱과 다른 선택

단순한 세 평가점 예에서 오차가 (0.2,0.2,0.2)이면 최대 오차는 0.2이고 제곱합은 0.12다. 다른 후보의 오차가 (0.3,0,0)이면 최대는 0.3이지만 제곱합은 0.09다. 최대 오차 기준은 첫 후보를,제곱합 기준은 두 번째를 선호한다. 이는 목적함수 차이를 보여 주는 수치 예이며 실제 필터의 계수를 계산한 결과는 아니다.

대역과 전이 구간 지정

저역통과 필터에서 통과대역과 저지대역 사이에는 전이 구간을 둘 수 있다. 예를 들어 표본화율 48000Hz에서 0부터 5000Hz의 목표를 1,7000Hz부터 나이퀴스트 주파수 24000Hz의 목표를 0으로 정할 수 있다. 5000부터 7000Hz는 같은 오차 조건을 강제하지 않는 구간이다. 지정하지 않은 구간의 응답도 자동으로 원하는 모양이라고 가정하지 않는다.

탭 수와 검증

탭 수가 L이면 필터 차수는 L−1이다. 계수가 대칭인 홀수 길이 선형 위상 FIR에서 지연은 (L−1)/2 표본이므로 L=31이면 15표본이다. 48000Hz에서는 0.3125ms다. 최적이라는 표현은 선택한 길이와 대역,가중치,설계 유형에 대한 것이며 모든 가능한 필터의 절대 우월성을 뜻하지 않는다. 설계 뒤 주파수 응답과 수렴 상태를 확인한다.

관련 문서

FIR 필터 / 선형 위상 필터 / 최소제곱 FIR 설계 / 최소제곱법 / 군지연 / 저역통과 필터