MATLAB滤波器设计与分析工具(FDATool).pdf-资料库

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7.5 MATLAB 滤波器设计工具（FDATool） FDATool(Filter Design and Analysis Tool)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。 7.5.1 FDATool 快速入门 1. FDATool 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 7-4-1 FDATool 启动界面 2. FDATool 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/Export to C Header File】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/Export to SPtool】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Ⅰ型、直接Ⅱ型、转置直接Ⅰ型、转置直接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/Convert to Second—order Sections】或【Edit/Convert to Single Section】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 7-4-2 FDATool 窗口界面快捷工具栏 (3) Targets 菜单使用菜单【Targets/Generate M-file】菜单可以生成滤波器的 MATLAB 脚步文件。使用菜单【Targets/Simulink Model】菜单可以建立 Simulink 模型。使用菜单【Targets/XILINX Coefficient (.COE) File】可以生成滤波器的 XILINX 系数文件。使用菜单【Targets/Code Composer Studio (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 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。在 Response type 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）。在 Design Method 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)。在 Filter Order 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。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。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 Filter Specifications 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 Frequency Specifications 和 Magnitude Specifications 下明确指定。指定所有的设计指标后，单击 FDATool 最下面的 Design Filter 按钮即可完成滤波器设计。 (设计完成后 Design Filter 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。 (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 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 Respone Type 中选择低通滤波器（Lowpass）； 3) 在 Design Method 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 Filter Order 中选择最小滤波器阶次（Minimum Order）；

5) Options 中 Desity Factor 默认值为 20； 6) 在 Frequency Specification 中指定采样频率 Fs=2000Hz，带通频率 Fpass=650Hz，带阻频率 Fstop=550Hz； 7) 在 Magnitude Specification 中指定 Apass=1dB，Astop=40dB； 8) 单击“Design Filter”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 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. 幅度响应单击 FDATool 窗口界面快捷工具栏的【Magnitude Response】按钮，或者选择菜单栏【Analysis/Magnitude Response】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。

Magnitude Response (dB) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Frequency (kHz) 图 7-4-4 滤波器的幅度响应曲线 ) B d ( e d u t i n g a M 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 0 2. 相位响应单击 FDATool 窗口界面快捷工具栏的【Phase Response】按钮，或者选择菜单栏【Analysis/Phase Response】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。 ) s e e r g e d ( e s a h P 0 -200 -400 -600 -800 -1000 -1200 -1400 -1600 -1800 0 Phase Response 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Frequency (kHz) 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 窗口界面快捷工具栏的【Magnitude and Phase Responses】按钮，或者选

择菜单栏【Analysis/Magnitude and Phase Response】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。 ) B d ( e d u t i n g a M 20 -4 -28 -52 -76 -100 0 4. 群延迟 Magnitude (dB) and Phase Responses 0 -360 -720 ) s e e r g e d ( e s a h P -1080 -1440 -1800 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Frequency (kHz) 图 7-4-6 滤波器的幅度与相位响应曲线单击 FDATool 窗口界面快捷工具栏的【Group Delay Response】按钮，或者选择菜单栏【Analysis/ Group Delay Response】选项，就可以得到图 7-4-7 所示该型滤波器的群延迟曲线。 l ) s e p m a s n i ( y a e d p u o r l G Group Delay 15 14.8 14.6 14.4 14.2 14 13.8 13.6 13.4 13.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Frequency (kHz) 图 7-4-7 滤波器的群延迟曲线

5. 相位延迟单击 FDATool 窗口界面快捷工具栏的【 Phase Delay 】按钮，或者选择菜单栏【Analysis/Phase Delay】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。 Phase Delay 2.8 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 ) z H / s e e r g e d ( y a e D e s a h P l 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Frequency (kHz) 6. 冲击响应图 7-4-8 滤波器的相位延迟曲线单击 FDATool 窗口界面快捷工具栏的【Impulse Response】按钮，或者选择菜单栏【Analysis/Impulse Response】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。 e d u t i l p m A Impulse Response 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 0 2 4 6 8 Time (mseconds) 10 12 14 图 7-4-9 滤波器的冲击响应曲线

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