《滤波器设计分析工具FDATool和滤波器可视化工具FVTool要点.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《滤波器设计分析工具FDATool和滤波器可视化工具FVTool要点.doc（11页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 讲座13 滤波器设计分析工具 FDATool 与滤波器可视化工具FVTool13.1简介FDATool (Filter Design and Analysis Tool) 是一个功能强大数字滤波器分析设计工具。它主要功能如下：（1） 设计参考滤波器所谓参考滤波器就是不考虑所有量化效应而采用双精度浮点数据格式、在通用计算机上实现滤波器。FDATool涵盖了信号处理工具箱中所有滤波器设计方法。利用它可以方便地设计出满足各种性能指标（或直接指定滤波器系数）滤波器，并且可以查看该滤波器各种分析图形（例如滤波器模频特性、相频特性、群时延、令极点图等）。待设计出满意滤波器后，还可以将其系数直接导出为Ma
2、tlab 变量、文本文件或C语言头文件等。（2） 仿真与分析量化滤波器性能 参考滤波器是一种不考虑数据量化理想滤波器。实际滤波器则使用一定量化器，把滤波器从双精度浮点格式转换为定点或变精度浮点格式。这样滤波器称为量化滤波器。 量化滤波器频率特性往往及原来滤波器不一致，有时甚至会使一个稳定滤波器变得不稳定。滤波器量化效应及滤波器运算结构密切相关。为了仿真与分析量化滤波器性能，滤波器设计工具箱提供了一整套定义在量化对象基础上量化函数。图13.1.1示出量化对象层次结构。 图13.1.1 滤波器设计工具箱中量化对象 FVTool (Filter Visual Tool ) 是附属于FDATool工具
3、。可以在Matlab 工作区或在.M.文件调用这两种工具。本讲座将介绍这两种调用方法。本讲座只介绍用 FDATool 设计参考滤波器。关于用FDATool仿真与分析量化滤波器问题，读者可参阅Matlab 6.5 及其在数字信号处理中应用（王宏著，清华大学出版社，2004年）数字信号处理原理、实现及应用（高西全著，电子工业出版社，2006年）13.2 FDATool 界面 在Matlab 命令窗键入 FDATtool 命令，就可以进入滤波器仿真与分析环境，得到图13.2.1 所示界面。 图13.2.1 FDATtool 起始界面 图13.2.2 示出FDATool主菜单与工具条。其中，钮对用户学
4、习FDATool使用很有帮助。用户可先用鼠标点击该钮，然后点击界面上某个需要提供帮助区域。这时， Matlab便将该区域用黑色粗线圈起，并给出详细说明。 图13.2.2 FDATool 主菜单与工具条FDATool 工作区大致上可以分为图13.2.1所示5个区域。区域1显示当前滤波器信息。区域2有5个可供选择按钮，如图13.2.3所示。区域3显示滤波器模频特性容限图以及设计所得滤波器模频特性、相频特性、群时延特性、零极点分布、滤波器系数等。如果用户选用图13.2.3中“滤波器设计”（设计不考虑量化效应滤波器），则区域3所显示内容由用户从主菜单Analysis项子菜单中选择。图13.2.4示出这
5、个子菜单。 图13.2.3 工作选择按钮 图13.2.4 “Analysis”项子菜单 区域4具体内容取决于用户所选工作状态（图13.）。例如，用户若选滤波器设计，则这个区域内容如图13.2.1所示。这时，Matlab 需要用户确定对滤波器技术要求。 区域5有命令钮Design Filter。当这个命令钮字样从灰色变为黑色时，按下它就进行滤波器设计。 下面举例说明用FDATool 设计参考滤波器方法。13.3 FIR滤波器设计13.3.1 设计低通滤波器启动FDATool后，如果要创建新滤波器，可用图13. 所示New | Session 命令得到图13.3.2所示界面。图中右上方显示低通滤波
6、器模频特性容限图。用户可在图13.3.2左方选择所需滤波器型式（FIR、IIR、低通、高通、带通、等）。如果设计一个新FIR低通数字滤波器，则应在FIR下拉菜单中，选择所需算法，例如Equiripple（等波纹），并在输入设计要求与技术指标后，点击Design Filter按钮，就可以得到所需滤波器。 图13.3.1. 主菜单选项File 子菜单 现在选用图13.3.2原有技术指标设计FIR等波纹低通滤波器。所得滤波器模频特性示于该图上方。 图13. 低通FIR滤波器模频特性在图13.3.2所显示特性曲线上，用户点击任何点，就会出现一个文本框，标出该点横、纵坐标值，如图13.3.3所示。这样标
7、志点可以设置多个。以鼠标右键点击该框，从跳出现场菜单，可改变框中字体大小、框位置等，也可以撤销该框。 图13. 带标志点特性曲线从图13.所示Analysis 项子菜单可以做出选择，以显示滤波器模频特性、相频特性、合在一起模频特性与相频特性、群时延特性、冲激响应、阶跃响应、零极点分布与滤波系数，分别如图13.3.3 13.3.10所示。此外，还可以显示噪声加载方法，这里不作介绍。 图13. FIR低通滤波器相频特性 图13.3.5 FIR低通滤波器模频特性与相频特性 图13.3.6 FIR低通滤波器群时延特性 图13.3.7 FIR低通滤波器冲激响应 图13.3.8 FIR低通滤波器阶跃响应
8、图13.3.9 FIR低通滤波器零极点分布 图13.3.10 FIR低通滤波器滤波系数在图13.中，若点击Analysis项子菜单中Full View Analysis (全景分析)选项，则滤波器特性将在一个单独图中显示出来，如图13.所示。 图13.1 低通FIR滤波器模频特性Analysis 项子菜单中有Analysis Parameters 选项。点击这个选项，出现图13.对话框。通过该对话框上方列表框Range，可以选择频率坐标范围：与。例如，若选频率范围为，则滤波器器模频特性将如图13.所示。 图13. ”Analysis Parameters” 选项 对话框 图13. 频率范围为时
9、模频特性 下面解释图13.所示群时延特性。教材中，第节介绍了群时延概念。群时延是相频特性负斜率，第9.2节又说明了数字滤波器群时延用样点数来量度。现在来看看图13.所示模频特性与相频特性。由图(b)看出滤波器在通带内具有线性相位特性(线段ab)。a点坐标为（0，0）。 b 点横坐标为 ，纵坐标为。若b 点横坐标用数字频率表示，则，而用弧度表示时，b 点纵坐标为。由于采样频率为，故根据群时延定义，得群时延为。这及图13.结果是一致。 图13. FIR滤波器模频特性与相频特性13.3.2 FIR 低通滤波器频率变换按照上一小节所讲方法设计好低通滤波器后，就可以通过变换获得另一个低通、高通、带通、带
10、阻滤波器。方法如下。按下图13. 所示滤波器变换钮，得到图13. a。该面板适用于低通滤波器作为目标滤波器。若目标滤波器是其他类型滤波器，则可以通过面板右上角Transformed filter type列表框来选择。例如，如果选高通滤波器或带通滤波器作为目标滤波器，则面板右方将分别如图 (b ) 与 (c) 所示。面板左方与右方文本框示出频率变换前后对应频率，由用户确定。 图13. 频率变换面板 图13. 示出频率变换例子。图(a)是原来设计好低通滤波器，经变换，可分别得到图(b)与(c)所示高通、带通滤波器。 图13. FIR滤波器变换 IIR滤波器设计也可以用 FDATool 工具来设计
11、IIR滤波器，其方法类似于FIR滤波器设计。 在设计滤波器时，利用FDATool 界面左下角 Filter Type面板，选择滤波器类型，如图13.所示。该图表示被设计滤波器是IIR低通Chebyshev型滤波器。设计好低通滤波器后，可以把它变换为其它类型滤波器。例如，按照 FDATool 原先已设定指标设计好图13. a 所示低通滤波器，则经过低通-带通与低通-带阻变换，便分别得到图 (b) 与 (c) 带通与带阻滤波器。 图13. 滤波器类型面板(a) 低通滤波器 （源滤波器）(b) 带通滤波器 （目标滤波器）(c) 带阻通滤波器 （目标滤波器） 图13.4.2 IIR滤波器变换 13.5
12、 导入及导出滤波器本节举例说明怎样将已有滤波器导入FDATool，或者相反，将已在FDATool 中设计好滤波器导出到 FDATool 环境以外。13.5.1 导入滤波器 现在以第二章程序M020808.M 为例，说明导入滤波器方法。该程序给出一个FIR滤波器，演示有弯折与无弯折滤波器相频特性（对此，读者可参阅第2章）。程序文本如下。程序中，b = 1, 1.5, 2.4, 2.8, 3.2, 3.2, 2.8, 2.4, 1.5, 1 是滤波器系统函数分子多项式系数组；对于FIR滤波器来说，系统函数分母多项式系数组为1。程序运行结果示于图13.% M020808% 解释系统相频特性与函数 u
13、nwrap 用法set(gcf, color, w)b = 1, 1.5, 2.4, 2.8, 3.2, 3.2, 2.8, 2.4, 1.5, 1; H, w = freqz(b, 1, 512) subplot(221)plot(w/pi, abs(H); gridsubplot(222)plot(w/pi, angle(H); gridsubplot(223)plot(w/pi, unwrap(angle(H); gridsubplot(224)plot(w/pi, 20*log10(abs(H); grid 图13. 程序M020808运行结果 下面将这个滤波器导入FDATool。方法
14、如下。 在FDATool菜单中，执行File | Import Filter 命令后，在界面下方出现图13.面板。读者可以通过左边Filter Structure 列表框选用滤波器结构。对于本例，选直接型或型结构均可。在标以Numberator（分子）文本框中键入上述系数组b，而在标以Denominator（分母）文本框中键入系数组a (a = 1)，如图13. 所示。 至此，按下界面上滤波器导入命令钮，即可将程序M020808.M中滤波器导入到FDATool，得到如图13.所示滤波器特性。显然，子图 a与 b 是分别及图13.子图b 与 d 完全一致。 图13. 用以输入滤波器参数面板 （默
15、认） 图13. 已经输入滤波器参数面板 图13. 在FDATool 中得到滤波器特性13.5.2 导出滤波器 可以将FDATool 中滤波器参数导出到FDATool环境之外。滤波器参数可以有5个去向，即：l 到Matlab 工作区（Workspace）l 到 SPTool 工具中l 形成为C 语言头文件l 形成l 形成 Matlab .MAT 文件 下面说明怎样将滤波器参数导出到Matlab 工作区。 在FDATool 中，执行 File | Export。，得到图13.。 图13. “Export“ 对话框在对话框列表框Export To中，选导出目标是 Workspace, 导出对象是 C
16、oefficient（系数），导出变量名是Num （Numerator,，分子多项式系数组）与Den（Denominator，分母多项式系数组）。确认后，在Matlab 工作区得到变量Num与Den如图13.所示。 图13. 在Matlab中工作区可以访问变量 Num 与 Den 在列表框Export To中，若选导出目标是 Text -file，则在确认后，系统要求用户输入文件名与路径。如果按照图13.确定文件名及其路径，则在work 目录中形成名为 untitled.txt 文本文件，其内容如13.所示。 图13. 系统提示用户输入文件名与路径 图13. 文件untitled.txt 内容
17、 13.6 用程序调用FVTool FVTool 是附属于 FDATool 可视化工具。它提供界面就是图13.Full View Analysis界面。在Matlab workspace 键入行命令fvtool(b, a)，就可以调用FVTool工具，显示滤波器各种特性。行命令中参数 b 与a分别是滤波器系统函数分子、分母多项式系数组。若执行行命令fdatool，则不论是否带滤波器参数，都只能出现图13.2.1所示界面。下面程序用来调用FVTool 工具，显示作为参数滤波器特性。程序中，用Remez算法设计两个FIR滤波器，它们系统函数分子多项式系数组分别是 b1 与b2，而分母多项式系数组为
18、1。指令fvtool(b1,1,b2,1) 使用这两个滤波器系统函数作为参数。程序运行后，FVTool被调用，显示两个滤波器特性（图13.）。使用工具条上按钮，可以在特性图上标出图例或撤除当前图例。其它按钮功能及FDATool相同。% 演示滤波器可视化工具 FVTool 用法n = 20; % 滤波器阶数f = 0 0.4 1; % 边界频率向量a = 1 1 0 0; % 幅度向量b1 = remez(n, f, a); % 第一个滤波器，其阶数为20b2 = remez(n * 2, f, a); % 第二个滤波器，其阶数为 2 * 20 = 40fvtool(b1, 1, b2 , 1); % 以两个滤波器系统函数作为参数调用 FVTool 工具图13. 用程序调用FVTool工具第 11 页