matlab中fdatool使用说明.docx

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matlab中fdatool使用说明

基于MATLAB的滤波器设计

由于MATLAB的广泛使用和功能的不断更新，基于MATLAB的滤波器设计方法以其方便快捷的特点，受到了设计者的欢迎。

下面将举例说明基于MATLAB的FIR滤波器的设计。

1基于FDATool的FIR滤波器设计

使用FDATool设计FIR滤波器的具体步骤如下：

1.1滤波器指标

若需要设计一个16阶的FIR滤波器（h（0）=0），给定的参数如下：

（1）低通滤波器

（2）采样频率FS为48kHz，滤波器FC为10.8kHz

（3）输入序列位宽为9位（最高位为符号位）

在此利用MATLAB来完成FIR滤波器系数的确定。

1.2打开MATLAB的FDATool

MATLAB集成了一套功能强大的滤波器设计工具FDATool（FilterDesign&AnalysisTool），可以完成多种滤波器的设计、分析和性能评估。

单击MATLAB主窗口下方的“Start”按钮，如图B.1所示，选择菜单“ToolBox”→“FilterDesign”→“FilterDesign&AnalysisTool（FDATool）”命令，打开FDATool，如图B.2所示。

图B.1FDATool的启动

图B.2FDATool的主界面

另外，在MATLAB主命令窗口内键入“fdatool”，同样可打开FDATool程序界面。

1.3选择DesignFilter

FDATool界面左下侧排列了一组工具按钮，其功能分别如下所述：

●滤波器转换（TransFormFilter）

●设置量化参数（SetQuantizationParameters）

●实现模型（RealizeModel）

●导入滤波器（ImportFilter）

●多速率滤波器（MultirateFilter）

●零极点编辑器（Pole-zeroEditor）

●设计滤波器（DesignFilter）

选择其中的按钮，进入设计滤波器界面，进行下列选择，如图B.3所示。

图B.3FDATool设计FIR滤波器

●滤波器类型（FilerType）为低通（LowPass）

●设计方法（DesignMethod）为FIR，采用窗函数法（Window）

●滤波器阶数（Filterorder）定制为15

●窗口类型为Kaiser，Beta为0.5

●FS为48kHz，FC为10.8kHz

最后单击DesignFilter图标，让MATLAB计算FIR滤波器系数并作相关分析。

其系统函数H（z）可用下式来表示：

H（z）=

显然上式可以写成:

H（z）=

即可以看成是一个15阶的FIR滤波器的输出结果经过了一个单位延时单元

，所以在FDATool中,把它看成15阶FIR滤波器来计算参数。

1.4滤波器分析

计算完FIR滤波器系数以后，往往需要对设计好的FIR滤波器进行相关的性能分析，以便了解该滤波器是否满足设计要求。

分析操作步骤如下：

选择FDATool的菜单“Analysis”→“MagnitudeResponse”，启动幅频响应分析如图B.4所示，x轴为频率，y轴为幅度值（单位为dB）。

图B.4FIR滤波器幅频响应

在图的左侧列出了当前滤波器的相关信息：

●滤波器类型为DirectFormFIR（直接I型FIR滤波器）

●滤波器阶数为15

选择菜单“Analysis”→“PhaseResponse”，启动相频响应分析，如图B.5所示。

由该图可以看到设计的FIR滤波器在通带内其相位响应为线性的，即该滤波器是一个线性相位的滤波器。

图B.5滤波器相频响应

图B.6显示了滤波器幅频特性与相频特性的比较，这可以通过菜单“Analysis”→“MagnitudeandPhaseResponse”来启动分析。

图B.6滤波器幅频和相频响应

选择菜单“Analysis”→“GroupDelayResponse”，启动群时延分析。

FDATool还提供了以下几种分析工具：

●群时延响应分析。

●冲激响应分析（ImpulseResponse），如图B.7所示。

●阶跃响应分析（StepResponse），如图B.8所示。

●零极点图分析（Pole/ZeroPlot），如图B.9所示。

图B.7冲激响应

图B.8阶跃响应

图B.9零极点图

求出的FIR滤波器的系数可以通过选择菜单“Analysis”→“FilterCoefficients”来观察。

如图B.10所示，图中列出了FDATool计算的15阶直接I型FIR滤波器的部分系数。

图B.10滤波器系数

1.5量化

可以看到，FDATool计算出的值是一个有符号的小数，如果建立的FIR滤波器模型需要一个整数作为滤波器系数，就必须进行量化，并对得到的系数进行归一化。

为此，单击FDATool左下侧的工具按钮进行量化参数设置。

量化参数有三种方式：

双精度、单精度和定点。

在使用定点量化前，必须确保MATLAB中已经安装定点工具箱并有相应的授权。

1.6导出滤波器系数

为导出设计好的滤波器系数，选择FDATool菜单的“File”→“Export”命令，打开Export（导出）对话框，如图B.11所示。

图B.11滤波器系数Export对话框

在该窗口中，选择导出到工作区（Workplace）。

这时滤波器系数就存入到一个一维变量Num中了。

不过这时Num中的元素是以小数形式出现的：

Num=

Columns1through9

-0.03690.01090.05580.0054-0.0873-0.04840.18050.41330.4133

Columns10through16

0.1805-0.0484-0.08730.00540.05580.0109-0.0369

2基于MATLAB内建函数的FIR设计

在Matlab中已经内建有各种滤波器的设计函数，可以直接在程序中调用，这里介绍其中几个函数。

2.1fir1函数

功能：

设计标准频率响应的基于窗函数的FIR滤波器。

语法：

b=fir1（n，Wn）；

b=fir1（n，Wn，‘ftytpe’）；

b=fir1（n，Wn，Window）；

b=fir1（n，Wn，‘ftype’，Window）；

说明：

fir1函数可以实现加窗线形相位FIR数字滤波器设计，它可以设计出标准的低通、高通、带通和带阻滤波器。

b=fir1（n，Wn）可得到n阶低通，截至频率为Wn的汉明加窗线形相位FIR滤波器，0≤Wn≤1，Wn=1相当于0.5fs。

滤波器系数包含在b中，可表示为

当Wn=[W1W2]时，fir1函数可得到带通滤波器，其通带为W1＜w＜W2。

当ftype=high时，设计高通FIR滤波器；当ftype=stop时，设计带阻滤波器。

在设计高通和带阻滤波器时，由于对奇次阶的滤波器，其在Nyquist频率处的频率响应为零，不适合构成高通和带阻滤波器。

因此fir1函数总是使用阶数为偶数的滤波器，当输入的阶数为奇数时，fir1函数会自动将阶数加1。

b=fir1（n，Wn，Window）利用参数Window来指定滤波器采用的窗函数类型。

其默认值为汉明窗。

b=fir1（n，Wn，‘ftype’，Window）可利用ftype和Window参数，设计各种滤波器。

2.2fir2函数

功能：

设计任意频率响应的基于窗函数的FIR滤波器。

语法：

b=fir2（n，f，m）;

b=fir2（n，f，m，Window）;

b=fir2（n，f，m，npt）;

b=fir2（n，f，m，npt，window）;

b=fir2（n，f，m，npt，lap）;

b=fir2（n，f，m，npt，lap，Window）;

说明：

fir2函数可以用于设计有任意频率响应的加窗FIR滤波器，对标准的低通、带通、高通和带阻滤波器的设计可使用fir1函数。

b=fir2（n，f，m）可设计出一个n阶的FIR滤波器，其滤波器的频率特性由参数f和m决定。

参数f为频率点矢量，且f∈[0，1]，f=1对应于0.5fs。

矢量f按升序排列，且第一个元素必须是0，最后一个必须为1，并可以包含重复的频率点。

矢量m中包含了与f相对应的期望得到的滤波器的幅度。

b=fir2（n，f，m，Window）中用参数Window来指定使用的窗函数类型，默认值为汉明窗。

b=fir2（n，f，m，npt）中用参数npt来指定fir2函数对频率响应进行内插的点数。

b=fir2（n，f，m，npt，lap）中用参数lap来指定fir2在重复频率点附近插入的区域大小。

3基于FDATool的HDL代码产生

在MATLAB7中，对数字滤波器的设计提供了与若干种现实方案的接口。

此类接口提供MATLAB到设计工具的无缝连接，即MATLAB根据设计工具的文件格式，将包含滤波器设计参数的文件输出。

设计工具导入该文件，并作为设计模块的一部分。

在此类接口中包括与Xilinx公司和TI公司的接口，还包括C头文件以及HDL代码。

与FDATool的启动类似，单击MATLAB主窗口下方的“Start”按钮，选择“ToolBox”→“FilterDesignHDLcoder”→“FilterDesign&AnalysisTool（FDATool）”,打开FDATool。

根据上节相同的设计和分析步骤，对FIR滤波器进行分析和设计，在设计完毕之后，可以得到滤波器系数。

此时就可以应用设计工具接口。

3.1C语言头文件的产生

选择FDATool菜单的“Targets”→“GenerateCHeader”命令，打开产生C语言头文件的窗口，如图B.12所示。

图B.12产生C语言头文件

可以看到输出的头文件中，变量名和变量长度名可以自定义，变量输出的格式也有很多种可以选择。

根据在FDATool量化时选用的量化方式，窗口中会显示推荐使用的输出格式。

产生的头文件内容如下：

*FilterCoefficients（CSource）generatedbytheFilterDesignandAnalysisTool

*GeneratedbyMATLAB（R）7.0

*Generateon：

22-Dec-200511:

42:

*Discrete-TimeFIRFilter（real）

*------------------------------------

*FilterStructure：

Direct-FormFIR

*FilterOrder：

*Stable：

Yes

*LinearPhase：

Yes（Type2）

/*GeneraltypeconversionforMATLABgeneratedC-code*/

#include“tmwtypes.h”

*Expectedpathtotmwtypes.h

*C:

\MATLAB7\extern\include\tmwtype.h

constintBL=16；

constreal64_TB[16]={

-0.181,0.631,0.71,0.6792,

-0.845,-0.448,0.49,0.49

0.49,0.49,-0.448,-0.845,

0.6792,0.71,0.631,-0.181

}；

3.2Xilinx系数文件的产生

选择FDATool菜单的“Targets”→“XilinxCoefficients（.COE）file”命令，MATLAB直接提示文件的保存位置，保存完毕之后另开一个窗口显示该文件的内容。

典型的文件内容如下所示。

;

;XILINXCOREGenerator（tm）DistributedArithmeticFIRfiltercoefficient（.COE）File

;GeneratedbyMATLAB（R）7.0andtheFilterDesignToolbox3.0.

;

;Generatedon：

22-Dec-200512：

03：

;

Radix=16；

Coefficient_Width=16；

CoefData=0000,

079c,

05a2,

f90b,

f166,

0000,

2272,

4000,

2272,

0000,

f166,

f90b,

05a2,

079c,

0000;

这些系数已经运用二进制补码对其进行了运算，所以可以表示成十六进制。

3.3CCS接口

CCS（CodeComposerStudio）是TI公司为其数字信号处理器开发的集成开发环境（IDE）。

在HDLcoder中，可以向CCS输出C语言头文件或者直接写入处理器的存储空间中，然后由CCS本身作进一步的处理。

在此接口中，可以选择目标板和目标处理器的型号，在这里目标板的型号一般只能是TI公司提供的专用EVM板。

上述型号必须手动输入。

选择FDATool菜单的“Targets”→“CodeComposerStudio（R）IDE”命令，打开CCS接口。

此接口的窗口如图B.13所示。

图B.13CCS接口窗口

3.4HDL语言的生成

选择FDATool菜单的“Targets”→“GenerateHDL”命令，打开生成HDL源代码的窗口，该窗口如图B.14所示。

图B.14生成HDL源代码的窗口

在生成HDL文件时，可以选择生成VHDL或是VerilogHDL。

可以对时钟信号、复位信号、进程、构造体和实体的定义等等进行设置。

最后可以选择文件输出的文件夹和文件名。

文件一般有如下内容和格式：

------------------------------------------------------------

--Module:

filter

--GeneratedbyMATLAB（R）7.0andtheFilterDesignHDLCoder1.0

--Generatedon:

2005-12-2212:

33:

--HDLCode

--此处显示滤波器特性以及输出HDL代码时的设置

------------------------------------------------------------------

LIBRARYIEEE;

USEIEEE.std_logic_1164.all;

USEIEEE.numeric_std.ALL;

ENTITYfilterIS

PORT（clk:

INstd_logic;

clk_enable:

INstd_logic;

reset:

INstd_logic;

filter_in:

INstd_logic_vector（15DOWNTO0）;--sfix16_En15

filter_out:

OUTstd_logic_vector（15DOWNTO0）--sfix16_En9

）;

ENDfilter;

---------------------------------------------------------------------

--ModuleArchitecture:

filter

---------------------------------------------------------------------

ARCHITECTURErt1OFfilterIS

--局部函数

--类定义

TYPEdelay_pipeline_typeISARRAY（NATURALrange＜＞）OFsigned（15DOWNTO0）;

--sfix16_En15

--定义常数

CONSTANTcoeff1:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（0,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff2:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（1948,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff3:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（1442,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff4:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（-1781,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff1:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（0,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff2:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（1948,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff3:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（1442,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff4:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（-1781,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff5:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（-3738,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff6:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（0,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff7:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（8818,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff8:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（16384,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff9:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（16384,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff10:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（8818,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff11:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（0,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff12:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（-3738,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff13:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（-1781,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff14:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（1442,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff15:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（1948,16）;--sfix16_En14

CONSTANTcoeff16:

signed（15DOWNTO0）:

=to_signed（0,16）;--sfix16_En14

--信号

SIGNALdelay_pipeline:

delay_pipeline_type（0To15）;sfix16_En15

SIGNALproduct15: