为什么自适应 IIR 滤波器会导致解不稳定?

信息处理 线性系统 无限脉冲响应 自适应滤波器 稳定
2021-12-29 00:33:01

对于自适应滤波,可以使用有限和无限脉冲响应 (FIR/IIR) 滤波器。在这种情况下,作为 FIR 滤波器的一个优势,经常提到保证稳定性,而 IIR 滤波器不具有此属性(请参阅此相关问题及其答案)。

我知道 IIR 滤波器在脉冲响应发散时不稳定,这意味着传递函数极点位于单位圆之外(半径r>1)。

我的直觉是,由于在系统识别的示例中,只有稳定的系统才能实际识别,因此对此类系统传递函数的估计也是稳定的也是有道理的。

我的问题是:

  • 为什么不是这样?IIR 滤波器的适配如何导致解不稳定?

请注意,我不是在询问确保 IIR 自适应滤波稳定性的措施。

2个回答

IIR 滤波器不一定非要不稳定,但它有可能会不稳定;不像 FIR 案例,它甚至没有潜力。

IIR(自适应)滤波器(潜在)不稳定的一个原因是系数量化引起的数值问题。当极点更接近单位圆时,这将是至关重要的。如果您使用粗量化(例如在传统的 8 位系统中?)或者您正在强制限制数值精度,这一点尤其重要。

此外,在适应过程中,输入的混乱行为(可能是非平稳的)可能导致系数的无界更新。当在瞬态阶段误差变得相当大时,对系数的最终更新也可能非常大,导致(取决于自适应算法)滤波器落入不稳定区域......

虽然@Fat32 写的是正确的,但我认为 IIR 滤波器的潜在不稳定性并不是自适应 IIR 滤波器不稳定性的主要原因。毕竟,我们可以在每次迭代中计算极点,并设置硬约束以避免极点超出单位圆。

即使在 FIR 滤波器(无条件稳定)的情况下,如果某些频率的环路增益足够大,我们最终也会得到一个不稳定的自适应 FIR 滤波器。

使用 FIR 滤波器,我们本质上是在迭代地解决二阶凸优化问题。这个问题没有局部最小值,并且在分析滤波器收敛性方面起关键作用的 Hessian 是恒定的。误差项与滤波器权重线性相关。这使得问题既

  1. 表现良好=> 这样你就可以轻松收敛

  2. 易于分析 => 这样您就可以找到导致最快收敛的比例因子。

使用自适应 IIR 滤波器,问题不是凸的并且是非线性的。如果您查看下面的框图,您可能会首先认为它与滤波器系数呈线性关系。但是,您可以检查先前迭代的系数与自适应 FIR 案例相比,我们将有一个系统:B(z)A(z)B(z)

  1. 表现不佳=> 与 FIR 滤波器成本函数相比,表面可以具有局部最小值,并且斜率可以不规则地变化。

  2. 难以分析 => 要找到一个好的比例因子,我们需要分析误差面。在自适应 IIR 的情况下,即使不是不可能,也很难。此外,对于自适应 IIR 滤波器,在收敛性分析中起关键作用的 Hessian 矩阵更难计算。

  3. 对先前样本的依赖(使其难以通过某个阶段或其他不稳定性中的尖峰)

自适应 IIR 滤波器图