Kalman filter/smoother-based design and implementation of digital IIR filters

无限冲激响应 二维滤波器 控制理论(社会学) 平滑的 卡尔曼滤波器 滤波器设计 数字滤波器 数学 滤波器(信号处理) 根升余弦滤波器 算法 计算机科学 统计 人工智能 计算机视觉 控制(管理)
作者
Arman Kheirati Roonizi
出处
期刊:Signal Processing [Elsevier]
卷期号:208: 108958-108958 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.sigpro.2023.108958
摘要

Recently, a unified framework was proposed for forward-backward filtering and penalized least-squares optimization. It was shown that forward-backward filtering can be presented as instances of penalized least-squares optimization. In other words, the output of a zero-phase digital infinite-impulse response (IIR) filter can be computed by solving a constrained optimization problem, in which the weight controlling the constraint is directly related to cutoff frequencies with closed-form equations. It was also shown that a zero-phase digital IIR filter can be formed as an optimal smoothing Wiener filter for a random process obtained from an autoregressive (AR) or AR-moving average (ARMA) model driven by input (innovation) noise in presence of an observation noise. In this paper, the problem of zero-phase digital IIR filtering is re-examined using Kalman filter/smoother. The paper shows that every zero-phase digital IIR filter can be viewed as a special case of an optimal smoothing Wiener filter. Based on the fact that the formulations of the optimum filter by Wiener and Kalman are equivalent in steady state, we present a Kalman filter/smoother framework to the design and implementation of digital IIR filters. As an example, the zero-phase digital Butterworth filter is designed using Kalman smoother and compared with the traditional design (forward filtering and backward smoothing) method.

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