MATLAB滤波器设计与分析工具(FDATool).pdf
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MATLAB滤波器设计与分析工具(FDATool).pdf
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7.5MATLAB滤波器设计工具(滤波器设计工具(FDATool)FDATool(FilterDesignandAnalysisTool)是MATLAB信号处理工具箱提供的一种综合、简便的图形用户工具。
通过该工具提供的先进可视化滤波器集成设计环境,用户可以方便地设计几乎所有的常规滤波器,包括FIR和IIR的各种设计方法。
本节主要介绍FDATool的各项功能以及设计一款滤波器的关键步骤。
7.5.1FDATool快速入门快速入门1.FDATool启动启动在MATLAB命令窗口下,执行“FDATool”命令,按“回车”调出FDATool用户图形界面,如图7-4-1所示。
图7-4-1FDATool启动界面2.FDATool菜单主要功能介绍菜单主要功能介绍FDATool窗口的命令菜单包括File、Edit、Analysis、Targets、View,下面简要介绍这些菜单的意义与功能。
(1)File菜单使用菜单【File/Export】可导出或保存设计结果。
可以选择导出的是滤波器的系数向量还是整个滤波器对象(把设计结果导出为滤波器对象qfilt时,系统应安装有滤波器设计工具箱),可以选择把导出结果保存为MATLAB工作空间中的变量、文本文件或.MAT文件。
使用菜单【File/ExporttoCHeaderFile】可以把滤波器系数保存为C语言格式的头文件,其中系数变量的数据类型可以选择。
使用菜单【File/ExporttoSPtool】可以把滤波器导出到信号处理工具SPtool中。
使用菜单【File】中与Session有关的子菜单,可以把整个设计保存为一个fda文件,或调入一个已有的设计文件,继续进行设计。
(2)Edit菜单使用菜单【Edit/Convert】可转换当前滤波器的实现结构。
所有滤波器都能在直接型、直接型、转置直接型、转置直接型、状态空间模型和格形结构之间直接转换。
此外,系统安装滤波器设计工具箱后将有更多的结构形式可供转换。
使用菜单【Edit/ConverttoSecondorderSections】或【Edit/ConverttoSingleSection】实现滤波器级联结构与直接型结构之间的转换。
Analysis菜单使用【Analysis】菜单可以对滤波器设计规格及各项性能进行分析。
设计规格包括滤波器的阶次、通带频率、阻带频率、阻带、采样频率、通带衰减、阻带衰减等。
滤波器性能指标分析选项包括滤波器幅度响应、相位响应、群延迟响应、相位延迟、脉冲响应、阶跃响应、零极点图等。
FDATool工具条上的各按钮与【Analysis】菜单中的选项一一对应(如图7-4-2所示)。
图7-4-2FDATool窗口界面快捷工具栏(3)Targets菜单使用菜单【Targets/GenerateM-file】菜单可以生成滤波器的MATLAB脚步文件。
使用菜单【Targets/SimulinkModel】菜单可以建立Simulink模型。
使用菜单【Targets/XILINXCoefficient(.COE)File】可以生成滤波器的XILINX系数文件。
使用菜单【Targets/CodeComposerStudio(R)IDE】可以将滤波器输出到该代码生成生成集成开发环境,并可以下载到DSP芯片。
(4)View菜单View菜单包括的命令主要有指定滤波器名称,图形放大,全屏显示等。
3.FDATool用户界面介绍用户界面介绍FDATool的界面分上、下两个部分:
上面部分显示有关滤波器的信息,下面部分用来指定设计指标参数。
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在Responsetype下可以选择滤波器类型,包括低通、高通、带通、带阻、微分器、Hilbert变换器、多带、任意频率响应、升余弦等(如果安装了滤波器设计工具箱,则会有更多选项)。
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在DesignMethod下可以选择设计IIR或FIR滤波器,每种滤波器又可以选择不同的设计方法(例如,IIR滤波器的设计方法包括巴特沃斯、切比雪夫、椭圆滤波器、最大扁平、最小P阶范数等;FIR滤波器的设计方法包括等波纹、最小均方、窗函数、最大扁平、最小P阶范数等)。
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在FilterOrder下可以选择滤波器阶数,可以使用满足要求的最小滤波器阶数或直接指定滤波器的阶数。
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根据前面两步中选择的设计方法,Options下会显示与该方法对应的可调节参数。
例如选择FIR等波纹设计法时,Options面板的Window中可设置密度系数的大小。
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选择滤波器的类型、设计方法和滤波器阶数时,相应的设计指标及其含义会在FilterSpecifications中用图形直观地显示出来以供设计参考。
这些设计指标的具体参数需要在FrequencySpecifications和MagnitudeSpecifications下明确指定。
指定所有的设计指标后,单击FDATool最下面的DesignFilter按钮即可完成滤波器设计。
(设计完成后DesignFilter按钮变为不可用,除非再次修改了设计指标)。
7.5.2滤波器设计滤波器设计1FIR滤波器设计滤波器设计FIR滤波器设计时的参数设置主要包括响应类型、滤波器阶次、频率参数、幅度参数及密度因子等其他选项。
(1)响应类型在滤波器设计与分析工具FDATool中FIR滤波器响应类型可以设置为低通、高通、带阻、微分器、Hilbert变换器、多带滤波器、任意幅度响应、升余弦、任意群延迟、半带低通、半带高通、奈奎斯特、逆sinc低通或逆sinc高通滤波器。
(2)设计方法FIR滤波器的设计方法可以选择为等波纹、最小均方、窗函数、最大扁平、最小P阶范数或约束等波纹。
(3)滤波器阶次FIR滤波器的阶次可以由用户指定,也可以选择最小滤波器阶次。
(4)频率参数频率参数设置包括频率单位、采样频率、带通频率、带阻频率等。
其中采样频率,带通频率,带阻频率可以由用户根据实际制定,而频率单位可以通过面板上的频率单位下拉框进行选择,主要包括归一化频率(0-1)、Hz、kHz、MHz和GHz五种选项。
(5)幅度参数设计低通、高通滤波器时,需要指定通带、阻带频率;设计带通滤波器时,需要指定阻带1、通带、阻带2的频率;设计带阻滤波器时,需要指定通带1、阻带、通带2的频率。
例例1:
设计一个FIR低通滤波器,要求:
通带衰减1dB,阻带衰减40dB,通带截止频率550Hz,带阻截止频率650Hz,采样频率为2000Hz。
利用FDATool设计滤波器基本步骤如下:
1)在MATLAB命令窗口下输入“fdatool”命令,“回车”调出滤波器设计界面;2)在ResponeType中选择低通滤波器(Lowpass);3)在DesignMethod中选择FIR,同时在滤波器设计方法下拉框中选择等波纹(Equiripple)设计方法;4)在FilterOrder中选择最小滤波器阶次(MinimumOrder);5)Options中DesityFactor默认值为20;6)在FrequencySpecification中指定采样频率Fs=2000Hz,带通频率Fpass=650Hz,带阻频率Fstop=550Hz;7)在MagnitudeSpecification中指定Apass=1dB,Astop=40dB;8)单击“DesignFilter”即可完成滤波器设计。
9)最后,使用菜单【File/Export】可导出或保存滤波器系数h(n)。
图7-4-3设计好的FIR低通滤波器参数7.5.3滤波器性能分析滤波器性能分析FDATool不仅提供了滤波器设计工具,而且还提供了滤波器时域与频域的特性分析工具。
本节将对例1设计的滤波器的幅度响应、相位响应、群延迟响应、相位延迟、脉冲响应、阶跃响应、零极点图、滤波器系数,以及滤波器信息等进行分析。
1.幅度响应幅度响应单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【MagnitudeResponse】按钮,或者选择菜单栏【Analysis/MagnitudeResponse】选项,就可以得到图7-4-4所示该型滤波器的幅度响应曲线。
00.10.20.30.40.50.60.70.80.9-100-80-60-40-20020Frequency(kHz)Magnitude(dB)MagnitudeResponse(dB)图7-4-4滤波器的幅度响应曲线2.相位响应相位响应单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【PhaseResponse】按钮,或者选择菜单栏【Analysis/PhaseResponse】选项,就可以得到图7-4-5所示该型滤波器的相位响应曲线。
00.10.20.30.40.50.60.70.80.9-1800-1600-1400-1200-1000-800-600-400-2000Frequency(kHz)Phase(degrees)PhaseResponse图7-4-5滤波器的相位响应曲线3.幅度与相位响应幅度与相位响应单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【MagnitudeandPhaseResponses】按钮,或者选择菜单栏【Analysis/MagnitudeandPhaseResponse】选项,就可以得到图7-4-6所示该型滤波器的幅度与相位响应曲线。
00.10.20.30.40.50.60.70.80.9-100-76-52-28-420Frequency(kHz)Magnitude(dB)Magnitude(dB)andPhaseResponses-1800-1440-1080-720-3600Phase(degrees)图7-4-6滤波器的幅度与相位响应曲线4.群延迟群延迟单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【GroupDelayResponse】按钮,或者选择菜单栏【Analysis/GroupDelayResponse】选项,就可以得到图7-4-7所示该型滤波器的群延迟曲线。
00.10.20.30.40.50.60.70.80.913.213.413.613.81414.214.414.614.815Frequency(kHz)Groupdelay(insamples)GroupDelay图7-4-7滤波器的群延迟曲线5.相位延迟相位延迟单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【PhaseDelay】按钮,或者选择菜单栏【Analysis/PhaseDelay】选项,就可以得到图7-4-8所示该型滤波器的相位延迟曲线。
00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.41.61.822.22.42.62.8Frequency(kHz)PhaseDelay(degrees/Hz)PhaseDelay图7-4-8滤波器的相位延迟曲线6.冲击响应冲击响应单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【ImpulseResponse】按钮,或者选择菜单栏【Analysis/ImpulseResponse】选项,就可以得到图7-4-9所示该型滤波器的冲击响应曲线。
02468101214-0.100.10.20.30.40.50.6Time(mseconds)ImpulseResponseAmplitude图7-4-9滤波器的冲击响应曲线7.阶跃响应阶跃响应单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【StepResponse】按钮,或者选择菜单栏【Analysis/StepResponse】选项,就可以得到图7-4-10所示该型
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