滤波器设计分析报告工具FDATool和滤波器可视化工具FVTool文档格式.docx

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滤波器量化效应与滤波器的运算结构密切相关。

为了仿真和分析量化滤波器的性能，滤波器设计工具箱提供了一整套定义在量化对象根底上的量化函数。

图13.1.1示出量化对象的层次结构。

图13.1.1滤波器设计工具箱中的量化对象

FVTool（FilterVisualTool）是附属于FDATool的工具。

可以在Matlab的工作区或在.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仿真和分析量化滤波器的问题，读者可参阅

《Matlab6.5与其在数字信号处理中的应用》〔王宏著，清华大学，2004年〕

《数字信号处理原理、实现与应用》〔高西全著，电子工业，2006年〕

13.2FDATool的界面

在Matlab的命令窗键入FDATtool命令，就可以进入滤波器仿真和分析环境，得到图13.2.1所示的界面。

图13.2.1FDATtool的起始界面

图13.2.2示出FDATool的主菜单和工具条。

其中，

钮对用户学习FDATool的使用很有帮助。

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的区域。

这时，Matlab便将该区域用黑色粗线圈起，并给出详细的说明。

图13.2.2FDATool的主菜单和工具条

FDATool的工作区大致上可以分为图13.2.1所示的5个区域。

区域1显示当前滤波器的信息。

区域2有5个可供选择的按钮，如图13.2.3所示。

“滤波器设计〞〔设计不考虑量化效应的滤波器〕，如此区域3所显示的内容由用户从主菜单的Analysis项的子菜单中选择。

图13.2.4示出这个子菜单。

图13.2.3工作选择按钮

图13.2.4“Analysis〞项的子菜单

区域4的具体内容取决于用户所选的工作状态〔图13.2.3〕。

例如，用户假如选滤波器设计，如此这个区域的内容如图13.2.1所示。

这时，Matlab需要用户确定对滤波器的技术要求。

区域5有命令钮DesignFilter。

当这个命令钮的字样从灰色变为黑色时，按下它就进展滤波器设计。

下面举例说明用FDATool设计参考滤波器的方法。

13.3FIR滤波器设计

13.3.1设计低通滤波器

启动FDATool后，如果要创建新的滤波器，可用图13.3.1所示的New|Session命令得到图13.3.2所示的界面。

图中右上方显示低通滤波器的模频特性容限图。

用户可在图13.3.2的左方选择所需滤波器的型式〔FIR、IIR、低通、高通、带通、…等〕。

如果设计一个新的FIR低通数字滤波器，如此应在FIR下拉菜单中，选择所需的算法，例如Equiripple〔等波纹〕，并在输入设计要求和技术指标后，点击DesignFilter按钮

，就可以得到所需滤波器。

图13.3.1.主菜单项选择项File的子菜单

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。

所得滤波器的模频特性示于该图的上方。

图13.3.2低通FIR滤波器的模频特性

在图13.3.2所显示的特性曲线上，用户点击任何点，就会出现一个文本框，标出该点的横、纵坐标值，如图13.3.3所示。

这样的标志点可以设置多个。

以鼠标右键点击该框，从跳出的现场菜单，可改变框中的字体大小、框的位置等，也可以撤销该框。

图13.3.3带标志点的特性曲线

Analysis项的子菜单可以做出选择，以显示滤波器的模频特性、相频特性、合在一起的模频特性和相频特性、群时延特性、冲激响应、阶跃响应、零极点分布和滤波系数，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13.3.4FIR低通滤波器的相频特性

图13.3.5FIR低通滤波器的模频特性和相频特性

图13.3.6FIR低通滤波器的群时延特性

图13.3.7FIR低通滤波器的冲激响应

图13.3.8FIR低通滤波器的阶跃响应

图13.3.9FIR低通滤波器的零极点分布

图13.3.10FIR低通滤波器的滤波系数

在图13.2.4中，假如点击Analysis项子菜单中的FullViewAnalysis（全景分析）选项，如此滤波器特性将在一个单独的图中显示出来，如图13.3.11所示。

图13.3.11低通FIR滤波器的模频特性

Analysis项子菜单中有AnalysisParameters选项。

点击这个选项，出现图13.3.12的对话框。

通过该对话框上方的列表框Range，可以选择频率坐标的X围：

和

。

例如，假如选频率X围为

，如此滤波器器的模频特性将如图13.3.13所示。

图13.3.12〞AnalysisParameters〞选项

对话框

图13.3.13频率X围为

时的模频特性

下面解释图13.3.6所示的群时延特性。

教材中，第2.8.6节介绍了群时延的概念。

群时延是相频特性的负斜率，

〔2.8.32〕

第9.2节又说明了数字滤波器的群时延用样点数来量度。

现在来看看图13.3.14所示的模频特性和相频特性。

由图（b）看出滤波器在通带内具有线性相位特性（线段ab）。

a点的坐标为〔0，0〕。

b点的横坐标为

，纵坐标为

假如b点的横坐标用数字频率表示，如此

，而用弧度表示时，b点的纵坐标为

由于采样频率为

，故根据群时延的定义，得群时延为

这与图13.3.6的结果是一致的。

图13.3.14FIR滤波器的模频特性和相频特性

〔

，

〕

13.3.2FIR低通滤波器的频率变换

按照上一小节所讲的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、带阻滤波器。

方法如下。

按如下图13.2.3所示的滤波器变换钮

，得到图13.3.15a。

该面板适用于低通滤波器作为目标滤波器。

假如目标滤波器是其他类型的滤波器，如此可以通过面板右上角的Transformedfiltertype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，如此面板右方将分别如图（b）和（c）所示。

面板左方和右方的文本框示出频率变换前后的对应频率，由用户确定。

图13.3.15频率变换面板

图13.3.16示出频率变换例子。

图（a）是原来设计好的低通滤波器，经变换，可分别得到图（b）和（c）所示的高通、带通滤波器。

图13.3.16FIR滤波器变换

13.4IIR滤波器设计

也可以用FDATool工具来设计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界面左下角的FilterType面板，选择滤波器类型，如图13.4.1所示。

该图表示被设计的滤波器是IIR低通ChebyshevⅡ型滤波器。

设计好低通滤波器后，可以把它变换为其它类型的滤波器。

例如，按照FDATool原先已设定的指标设计好图13.4.2a所示的低通滤波器，如此经过低通-带通和低通-带阻变换，便分别得到图（b）和（c）的带通和带阻滤波器。

图13.4.1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13.4.2IIR滤波器变换

13.5导入与导出滤波器

本节举例说明怎样将已有的滤波器导入FDATool，或者相反，将已在FDATool中设计

好的滤波器导出到FDATool环境以外。

13.5.1导入滤波器

现在以第二章的程序M020808.M为例，说明导入滤波器的方法。

该程序给出一个FIR滤波器，演示有弯折和无弯折的滤波器相频特性〔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]

%M020808

%解释系统的相频特性和函数unwrap的用法

%

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））;

grid

subplot（222）

plot（w/pi,angle（H））;

subplot（223）

plot（w/pi,unwrap（angle（H）））;

subplot（224）

plot（w/pi,20*log10（abs（H）））;

图13.5.1程序M020808的运行结果

下面将这个滤波器导入FDATool。

在FDATool的菜单中，执行File|ImportFilter

的面板。

读者可以通过左边的FilterStructure列表框选用滤波器的结构。

对于本例，选直接Ⅰ型或Ⅱ型结构均可。

在标以Numberator〔分子〕的文本框中键入上述系数组b，而在标以Denominator〔分母〕的文本框中键入系数组a（a=1），如图所示。

至此，按下界面上的滤波器导入命令钮

，即可将程序M020808.M中的滤波器导入到FDATool，得到如图13.5.4所示的滤波器特性。

显然，子图a和b是分别与图13.5.1的子图b和d完全一致的。

图13.5.2用以输入滤波器参数的面板〔默认〕

图13.5.3已经输入滤波器参数的面板

图13.5.4在FDATool中得到的滤波器特性

13.5.2导出滤波器

可以将FDATool中的滤波器参数导出到FDATool环境之外。

滤波器参数可以有5个去向，即：

●到Matlab的工作区〔Workspace〕

●到SPTool工具中

●形成为C语言的头文件

●

●形成Matlab的.MAT文件

下面说明怎样将滤波器参数导出到Matlab的工作区。

在FDATool中，执行File|Export。