MATLAB滤波器设计与分析工具(FDATool)

1、EiloZdit吐Jysi:ViDQHI孕鸟回QQXr-CtrrcnlFitcrInformatbnStructureDired-TormFROrcfef：50Stable:Ye$Source:DesignedSto馆FiherFili曰皿的鸭柯Mag.(dB)1pg1Zstop，1Fp込F昨Fs/2f(Nz)一RespcnseT/peLosvpassHpassCBandpammQ3andstopODiflerentjaicr_De$gnVfedhodFilerOrderOSpecifyorder.($)MnmumorcerlOptionsDensityFactor;20Frequent/Se

2、cificatbnsManhucfeSp2ificatcn?Units:dBApassAstCPBOFRButterworthEcnrppte7.5MATLAB滤波器设计工具(FDATool)FDATool(FilteiDesignandAnalysisTool)是MATLAB信号处理匸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坏境，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1FDATool启动在MATLAE命令窗Ilb,执行“

3、FDATool”命令，按“回车”调出FDATool用户图形界而，如图7-4-1所示。FilterDesign&AnalysisTool-lintitled.fdaHL?右SSJEE3田耕誥E0-關乐葩闽P3k?CsgnFitorReady图7-4-1FDATool启动界而2.FDATool菜单主要功能介绍FDATool窗II的命令菜单包括File、Edit、AnalysisTaigets.View,卜而简要介绍这些莱单的意义与功能。(1)File菜单使用菜单【File/Expon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最述是整个滤波器对彖(把设计结果导出为滤波器対象qfilt时，系

4、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工作空间中的变屋、文本文件或MAT文件。使用菜单【File/ExpoiltoCHeaderFile】可以把滤波器系数保存为C语言格式的头文件,其中系数变斎的数据类型可以选择。使用菜单【F】le/ExporttoSP【ool】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,或调入一个己有的设计文件，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I型、直接II型、转置直接I型、转置

5、直接II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/ConveittoSecondorderSections或【Edit/ConverttoSingleSection实现滤波器级联结构与直接型结构Z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、和位响应、群延迟响应、相位延迟、脉冲响应、阶跃响应、零极点图等。FDATool匚具条上的各按钮与Anal

6、ysis菜单中的选项对应(如图7-4-2所示)。图7-4-2FDATool窗I界而快捷工具栏Targets菜单使用菜单【Targets/GeneiateM-file菜单可以生成滤波器(IJMATLAB脚步文件。使用菜单【Targets/SimuliiikModel菜单可以建立Simulnik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【Taigets/CodeComposerStudio(R)IDE可以将滤波器输出到该代码生成生成集成开发坏境，并可以卜载到DSP芯片。View菜单View菜单包插的命令主要有

7、指定滤波器名称，图形放人，全屏显示等。3FDATool用户界面介绍FDATool的界而分上、卜两个部分：上面部分显示有关滤波器的信息，I、而部分用來指定设计指标参数。在Responsetype卜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、升余眩等(如果安装了滤波器设计工具箱,则会有更多选项)。在DesignMethod卜可以选择设计DR或FIR滤波器，每种滤波器又可以选择不同的设计方法(例如，UR滤波器的设计方法包括巴特沃斯、切比雪夫、椭圆滤波器、最人扁平、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

8、阶范数等)。在FilterOrder卜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。根据前面两步中选择的设计方法，Options|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丿、小。选择滤波器的类型、设计方法和滤波器阶数时，和应的设计指标及其含义会在FilterSpecifications中用图形直观地显示出來以供设计参考。这些设计指标的具体参数需要在FrequencySpecifications和MagnitudeSpecifications卜明确指定。指定所有的设计指标后，单击FDATool最

9、卜面的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1.FIR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。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、升余眩、任意群延迟、半带低通、半带高通、奈奎斯特、逆sine低通或逆sine高通滤波器。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、最人扁平、最小P阶范数或约

10、束等波纹。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。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，频率单位可以通过而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。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1：设计一个FIR低通滤波器，要求：通带衰减ldB,阻带衰减40dE,通带截止频率550Hz,带阻截止频率650Hz

11、,采样频率为2000Hzo利用FDATool设计滤波器基本步骤如卜：在MATLAB命令窗III、输入“fdatool”命令，“回车”调出滤波器设计界面；在ResponeType中选择低通滤波器(Lowpass)：在DesignMethod中选择FIR,同时在滤波器设计方法卜拉框中选择等波纹(Equinpple)设计方法:在FilterOlderf1选择最小滤波器阶次(MuumumOlder):Options中DesityFactor默认值为20：在FrequencySpecification中指定采样频率Fs=2000Hz,带通频率Fpass=650H乙带阻频率Fstop=550Hz；在Mag

12、nitudeSpecification中指定Apass=ldB,Astop=40dB:单击“DesignFilter”即可完成滤波器设计。最后，使用菜单【File/Export】可导出或保存滤波器系数h(n)o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FDATool不仅提供了滤波器设计工具，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.幅度响应单击FDATool窗II界面快捷匸具栏的【MagnitudeResponse按钮，或者选择菜单栏

13、Aiialvsis/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。MagnitudeResponse(dB)00.10.20.30.40.50.60.70.80.9Frequency(kHz)mp)apnuuBes00.10.20.30.40.50.60.70.80.9Frequency(kHz)(S36eprseucl图7-4-4滤波器的幅度响应曲线2.相位响应单击FDATool窗门界而快捷工具栏的【PhaseResponse按钮，或者选择菜单栏Aiialvsis/PliaseResponse选项，就可以得到图7-4-5所示该型滤波器的相位响应曲

14、线。PhaseResponse0-200-400-600-800-1000-1200-1400-1600-1800图7-4-5滤波器的相位响应曲线3幅度与相位响应单击FDATool窗II界而快捷匚具栏的【MagnitudeandPhaseResponses按钮，或者选图7-4-9滤波器的冲击响应曲线图7-4-7滤波器的群延迟曲线择菜单栏【Analysis/Magmtud亡andPhaseResponse选项，就i】J以得到图7-4-6所示该型滤波器的幅度与相位响应曲线。-144000.10.20.30.40.50.60.70.80.9Frequency(kHz)Magnitude(dB)and

15、PhaseResponseso36o72081mp)epnlBew(S360P)seqd图7-4-9滤波器的冲击响应曲线图7-4-7滤波器的群延迟曲线图7-4-9滤波器的冲击响应曲线图7-4-7滤波器的群延迟曲线图7-4-6滤波器的幅度与相位响应曲线4群延迟单击FDATool窗II界而快捷I：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。00.10.20.30.40.50.60.70.80.9Frequency(kHz)GroupDelay5相位延迟单击FDAT

16、ool窗II界面快捷工具栏的【PhaseDelay按钮，或者选择菜单栏【AiialvsisZPliaseDelay选项，就可以得到图7斗8所示该型滤波器的相位延迟曲线。(ZH/se0J6ap)gQseta2.82.62.42.221.8PhaseDelay00.10.20.30.40.500.70.80.9Frequency(kHz)图7-4-8滤波器的相位延迟曲线6.冲击响应单击FDATool窗II界面快捷工具栏的【ImpulseResponse按钮，或者选择菜单栏ImpulseResponse02468101214Time(mseconds)Analysis.ImpulseResponse

17、选项，就可以得到图74-9所示该型滤波器的冲击响应曲线。图7-4-13滤波器的信息7阶跃响应单击FDATool窗II界面快捷工具栏的【StepResponse按钮，或者选择菜单栏【Aiialvsis./StepResponse选项，就可以得到图7-4-10所示该型滤波器的阶跃响丿应曲线。StepResponse0.8图7-4-13滤波器的信息0246810Time(mseconds)图7-4-10滤波器的阶跃响应曲线1214零极点图单击FDATool窗II界而快捷匚具栏的Pole/ZeroPlot按钮，或者选择菜单栏【Analysis/Pole/ZeroPlot选项，就可以得到图7-4-11所

18、示该型滤波器的零极点图。-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.5RealPartPole/ZeroRoteBdAJec6elu-图7-1-11滤波器的零极点图9.滤波器系数单击FDATool窗II界而快捷工具栏的【FilterCoefficient按钮，或者选择菜单栏【Analysis./FilterCoefficient选项，就可以得到图7-4-12所示该型滤波器的系数。图7-4-13滤波器的信息图7-4-13滤波器的信息图7-4-12滤波器的系数10.滤波器信息单击FDATool窗丨I界面快捷丁具栏的FliterInformation】按钮，或者选择菜单栏【Analys

19、is./FilterInfonnation选项，就可以得到图7-4-13所示该型滤波器的系数。Discrece-TimeFIRFilter(real)图7-4-13滤波器的信息图7-4-13滤波器的信息Filtz-etStz-rxictMireFilterOrderStableLineatPhase:Direct-7orio.FIR:2S:Yes：:Yes(Type1)图7-4-13滤波器的信息(8P)200400600800频率(Hz)11.滤波器对信号进行处理假设有一信号x=sin(2*pi*400*t)+sin(2*pi*600*t)+sin(2*pi*800*t),用我们设计好的FIR

20、低通滤波器滤掉其高频部分，输出结果如图7-4-14所示。滤波后的信号9080706050403020100-10图7-1-14用滤波器对信号进行处理从图7-4-14+的输出结果可以看出，在信号通过理想FIR低通滤波器后，通带内的400Hz信号没有衰减：位阻带内的800Hz信号，正如我们预先设计的，衰减了40dE：位J：阻带内的600Hz信号衰减了人约1OdBo7.5.4滤波器导入当需要时，单击FDATool窗II界面的垂直快捷.貝栏中的【ImportFilterfromWorkspace】按钮，就可将MATLAB工作空间中的滤波器导入到FDATool当前窗II,如图7-4-15所示,为参数设置

21、界而。滤波器导入步骤如卜：切换到滤波器的导入界面；确定滤波器的结构类型；确定是否将导入的滤波器作为二次分式结构的滤波器;确定相应滤波器的系统函数系数；确定采样频率及其单位；导入滤波器。图7-4-15从MATLAB工作空间导入滤波器时的参数设置7.5.5滤波器量化实际应用中的滤波器都是理想滤波器经过覺化得到的，单击FDATool窗II界面垂直快捷匸具栏的SetQuantizationParaineters按钮显示滤波器;代化分析界面如图7-4-6所示。滤波器算法(FilterAiitlunetic)默认双精度浮点格式(DoublePrecisionFloatmgpoint)这时不需要设置最化参数。按照前面的步骤设计的滤波器(系数未斎化)称为参考滤波器(ReferenceFilter),系数駅化后的滤波器称为駅化滤波器(QuantizedFilter).FilterDesign&AnalysisTool-untitled,fdan-CtrreniFiterIntofmotbnlPhaseDelay.Structure:Di