滤波器设计工具讲义课件

滤波器设计工具1、滤波器设计与分析工具FDATool FDATool是交互式滤波器设计与分析工具，通过该工具提供的交互式环境，用户可以方便地进行滤波器的设计和分析。1)FDATool启动 首先根据要求设置滤波器的参数，滤波器参数包括滤波器类型和设计方法、响应类型、滤波器阶数、频率特性、幅度特性以及其他可选项。针对FIR和IIR两种不同类型的滤波器，响应类型和设计方法略有不同。参数设置完成后，单击FDATool窗口界面【Design Filter】按钮，完成滤波器的设计。2)滤波器设计数字信号处理GUI库FIR滤波器设计时的参数设置 FIR滤波器设计时的参数设置主要包括响应类型、设计方法、滤波器阶数、频率特性、幅度特性及密度因子等其它选项。IIR滤波器设计时的参数设置IIR滤波器设计时的参数设置基本上与FIR滤波器一致，但在设计方法和响应类型上不同。【例】设计IIR低通（切比雪夫1），其通带波纹为0.9dB，通频带的截止频率为1000Hz，阻带衰减为-65dB，阻带截止频率为1280Hz，采样频率为4800Hz。数字信号处理GUI库3)滤波器导出当需要导出滤波器时，单击FDATool窗口界面的【File】菜单，执行【File】【Export】命令，则会弹出图1-27所示的“Export”对话框。系统参数可以两种方式导出：以滤波器系数方式和目标对象方式导出。如图1-27（a）所示，此时可将滤波器的系数导出到MATLAB工作空间、系数文件（.fcf文件）、MAT文件或SPTool中，并需要为滤波器指定系统函数的分子与分母变量名；当以对象形式导出时，如图1-27（b）所示，需要指定离散滤波器的变量名。数字信号处理GUI库 a)b)图1-27 滤波器导出a)以滤波器系数方式导出 b)以对象方式导出数字信号处理GUI库4)滤波器分析以IIRfilter.fda滤波器为例，对其幅度响应、相位响应、幅度与相位响应、群延迟、相位延迟、冲激响应、阶跃响应、零极点图、滤波器系数和滤波器信息等进行分析。快捷键快捷键功能功能快捷键快捷键功能功能幅度响应幅度响应相位响应相位响应幅度与相位响幅度与相位响应应群延迟群延迟相位延迟相位延迟冲激响应冲激响应阶跃响应阶跃响应零极点图零极点图滤波器系数滤波器系数滤波器信息滤波器信息滤波器分析快捷键 数字信号处理GUI库幅度响应若需要分析滤波器的幅度响应，单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【Magnitude Response】按钮，就可以得到图1-28所示的该型滤波器的幅度响应曲线。图1-28 滤波器的幅度响应曲线数字信号处理GUI库相位响应若分析滤波器的相位响应，单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【Phase Response】按钮，就可以得到图1-29所示的该型滤波器的相位响应曲线。图1-29 滤波器的相位响应曲线数字信号处理GUI库幅度与相位响应若需要分析滤波器的幅度与相位响应时，请单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【Magnitude and PhaseResponse】按钮，就可以得到图1-30所示的该型滤波器的幅度与相位响应曲线。图1-30 滤波器的幅度与相位响应曲线数字信号处理GUI库群延迟若需要分析滤波器的群延迟响应时，请单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【Group Delay Response】按钮，就可以得到图1-31所示的该型滤波器的群延迟曲线。图1-31 滤波器的群延迟曲线数字信号处理GUI库相位延迟若需要分析滤波器的相位延迟时，请单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【Phase Delay】按钮，就可以得到图1-32所示的该型滤波器的相位延迟曲线。图1-32 滤波器的相位延迟曲线数字信号处理GUI库冲激响应若需要分析滤波器的冲激相应时，请单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【Impulse Response】按钮，就可以得到图1-33所示的该型滤波器的冲激响应曲线。图1-33 滤波器的冲激响应曲线数字信号处理GUI库阶跃响应若需要分析滤波器的阶跃相应时，请单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【Step Response】按钮，就可以得到图1-34所示的该型滤波器的阶跃响应曲线。图1-34 滤波器的阶跃响应曲线数字信号处理GUI库零极点图若需要分析滤波器的零极点图时，请单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【Pole/Zero Plot】按钮，就可以得到图1-35所示的该型滤波器的零极点图。图1-35 滤波器的零极点图数字信号处理GUI库滤波器系数若需要分析滤波器的系数时，请单击FDATool窗口界面快捷工具栏的【Filter Coefficients】按钮，就可以得到图1-36所示的该型滤波器的系数。图1-36 滤波器的系数 数字信号处理GUI库2、滤波器设计与信号分析工具SPToolSPTool是一个交互式图形环境，可以完成信号的导入、观察与测量；滤波器的设计、分析与观察；频谱的分析与观察。1)SPTool的启动与数据导入软件启动在MATLAB命令窗口中，执行“SPTool”命令，就会启动SPTool信号处理工具，并弹出图1-37所示的图形界面。数字信号处理GUI库图1-37 SPTool启动界面数字信号处理GUI库信号、滤波器与频谱的导入通过SPTool工具，执行【File】【Import】命令，弹出图1-38所示的“Import to SPTool”对话框，可以从MATLAB工作空间或者磁盘文件实现信号、滤波器和频谱的导入。数字信号处理GUI库信号的导入【例1-25】从MATLAB工作空间中导入信号，如导是频率为60Hz的余弦信号，其采样频率为1000Hz,数据长度为1000。是高斯噪声，入一个信号首先，在MATLAB命令窗口中输入如下命令生成信号数据y：Fs=1000;n=0:1/Fs:1-0.001;x=cos(2*pi*60*n);y=x+randn(size(n);数字信号处理GUI库然后，按照如下的步骤将信号数据y和采样频率Fs导入SPTool窗口的“Signals”栏中：在“Import to SPTool”对话框的右上角的“Import As：”下拉列表中选择Signal类型。确定数据变量和采样率。在“Import to SPTool”对话框的“Workspace Contents”列表框中选择信号数据y，然后单击与“Data”编辑框相对应【】按钮，这样在“Data”编辑框中将显示信号数据的名称y。同理，选择信号采样频率Fs，然后单击与“Sampling Frequency”编辑框相对应的【】按钮，这样在“Sampling Frequency”编辑框中将显示采样频率的名称Fs。数字信号处理GUI库图1-39 数据导入对话框数字信号处理GUI库确定导入信号的名称。当前对话框中信号的默认名称为sig1，现在将其更名为sigy，此时“Import to SPTool”对话框如图1-39所示。单击【OK】按钮，确定信号的导入。滤波器的导入【例1-26】当从MATLAB工作空间中导入滤波器数据时，如导入一个采样频率为1000Hz，阶次为11阶的Chebyshev型低通滤波器，其带通纹波为0.6，截止频率为300Hz。首先，在MATLAB命令窗口中输入如下命令产生滤波器传递函数的分子和分母：数字信号处理GUI库Fs=1000;np=11;Rp=0.6;Wn=300/(Fs/2);b,a=cheby1(np,Rp,Wn);然后，按照如下的步骤完成滤波器数据导入SPTool窗口的“Filters”中：在“Import As：”下拉列表框中选择Filter类型。在“Form”下拉列表框中选择“Transfer Function”。数字信号处理GUI库在“Workspace Contents”列表框中选择滤波器分子分母系数变量a和b，然后分别单击与“Numerator”和“Denominator”编辑框相对应的【】按钮，分别将变量a和b的数据发送到“Numerator”和“Denominator”编辑框中。同理，在“Workspace Contents”列表框中选择信号采样频率Fs，单击与“Sampling Frequency”编辑框相对应的【】按钮，这样，在“Sampling Frequency”编辑框中将显示采样频率的名称Fs。将当前对话框中滤波器的默认名称为filt1更名为cheby1。单击【OK】按钮，确定滤波器的导入。此时“Import to SPTool”对话框如图1-40所示。频谱的导入 频谱数据的结构类型只有一种类型，即auto类，它表示频谱的数据源是单个信号的自频谱，而不是互频谱。【例1-27】将例1-16产生的信号通过例1-17所设计的滤波器进行滤波，将滤波后信号的频谱从MATLAB工作空间中导入。图1-40 从MATLAB工作空间导入滤波器数据数字信号处理GUI库然后，按照如下的步骤完成信号频谱导入：在“Import As：”下拉框中选择Spectrum类型。在“Workspace Contents”列表框中选择频谱数据Pxx，然后单击与“PSD”编辑框相对应的【】按钮，这样在“PSD”编辑框中将显示频谱数据的名称Pxx。同理，在“Workspace Contents”列表框中选择信号采样频率向量W，然后单击与“Freq.Vector”编辑框相对应的【】按钮，这样在“Freq.Vector”编辑框中将显示采样频率向量的名称W。数字信号处理GUI库p=12;nfft=length(n);y=filter(b,a,y);Pxx,W=pyulear(x,p,nfft,Fs);首先在MATLAB命令窗口中输入如下命令，对信号进行滤波和求功率谱：图1-41 从MATLAB工作空间导入频谱数据数字信号处理GUI库将当前对话框频谱的默认名称spect1更名为y_spect。单击【OK】键，确定频谱的导入。此时“Import to SPTool”对话框如图1-41所示。2)信号的时域分析信号的时域分析是指利用Signals区域的view观察器对信号的时域波形进行观察、缩放、测量和比较等操作。【例1-28】对例1-26产生的信号y进行时域分析。数字信号处理GUI库在SPTool主窗口的“Signals”栏中选中sigy.spt信号。单击“Signals”栏下面的【View】按钮，这时将弹出图1-42所示的信号观察窗。对信号进行观察与测量。数字信号处理GUI库图1-42 信号观察器中的sigy信号图1-43 SelectTrace信号选择数字信号处理GUI库选择测量信号有两种途径：在“SelectTrace”对话框中选择要测量的信号如图1-43所示，或者单击要测量的信号线。确定标记与跟踪方式当需要确定标记与跟踪方式时，请单击【On/Off Switch for Markers 和 Vertical Markers with Tracking】按钮，这样在信号波形主显示区中将出现两条垂直的标志线条，在每条标志线条上标记了一个圆圈。利用鼠标测量信号用鼠标拖动跟踪和标记线，标记线的坐标作相应的变动，通过计算两条标记线横、纵坐标差可以测量信号幅度和时间信息。利用标志属性区域的文本框测量信号在标志属性区直接键入需要测量的信号点数据，可以精确定位需要测量的信号点，相应的标志线也会随之移动到新的位置上。数字信号处理GUI库3)滤波器设计和滤波滤波器的设计【例1-29】利用SPTool设计低通滤波器，其通带波纹为Rp=3dB，通频带的截止频率为1000Hz，阻带纹波为Rs=20dB，阻带截止频率为1280Hz，采样频率为4800Hz。设计步骤如下：单击“Filters”下的【New】按钮，将弹出图1-44所示的滤波器设计窗。在“Sampling Frequency”编辑框中键入采样频率值4800，单位为Hz；在“Algorithm”下拉框中选择响应滤波器的设计方法，这里指定滤波器采用等波纹（Equiripple）设计方法；数字信号处理GUI库在“Type”下拉框中选择相应的滤波器类型，这里选择低通滤波器（lowpass）；设置滤波器参数，通带边界频率Fp1000Hz，通带纹波Rp3dB，阻带边界频率；Fs1280Hz，阻带纹波Rp20dB；选择最小滤波器阶次；采用自动设计的方式进行滤波器的设计。至此，则可以得到一个9阶的低通滤波器，滤波器性能参数与滤波器幅频特性曲线如图1-45所示。数字信号处理GUI库图1-45 利用SPTool设计低通滤波器的幅频响应曲线数字信号处理GUI库信号滤波【例1-30】利用SPTool窗滤波器filt1对原信号sigy进行滤波处理。在“Signal”栏内选中要处理的原始信号sigyVector；在“Filter”栏内选中滤波器filt1design；单击“Filters”栏下方的【Apply】按钮，弹出“Apply Filter”对话框，如图1-46所示。在该对话框的“Algorithm（滤波器算法）”下拉框中选择相应的滤波器算法，并在“Output Signal”文本框中键入新信号名：outflt；单击【OK】按钮，确定对信号进行滤波处理。此时会在SPTool窗的“Signals”栏中自动出现名称为outfltVector的新信号。数字信号处理GUI库其步骤如下：4)信号的频域分析信号频谱生成【例1-31】利用SPTool产生信号sigy的信号频谱。频谱产生步骤如下在“Signals”栏内选一个待分析的信号sigy；在“Spectra”栏下边的【Create】按钮，用【Apply】按钮激活频谱观察窗，选择FFT算法，得到sigy的信号频谱如图1-47所示。数字信号处理GUI库图1-47频谱观察窗和利用FFT生成的sigy信号的频谱数字信号处理GUI库信号频谱更新如果需要更改信号频谱设计的某些参数，可以利用“spectra”栏中的频谱更新。频谱更新的步骤如下：在SPTool窗的“Spectra”栏内选中要更新的频谱数据，如例1-22产生的频谱；单击“Spectra”栏的【Update】按钮，单击【Apply】按钮激活频谱观察窗；修改频谱观察窗内与频谱分析方法相关的参数，新参数设置入图1-48所示；单击【Apply】按钮，显示更新后的频谱曲线，如图1-49所示。数字信号处理GUI库图1-48 更新的参数设置 图1-49更新后的频谱曲线 数字信号处理GUI库信号频谱分析在SPTool窗的“Spectra”栏内选中信号频谱对象，如spect1；单击“Spectra”栏下的【View】按钮,激活频谱观察窗;对频谱的成分和频率等进行分析，不同信号频谱的比较 利用SPTool窗“Spectra”栏中的频谱数据，可以实现对两个信号在频域内分析和比较。以“Spectra”栏中的mtlbse和chirpse为例，在键盘上按下【Alt】+【Shift】按键，同时选中“Spectra”栏内的信号频谱mtlbse和chirpse，然后单击“Spectra”栏下的【View】按钮，激活频谱观察窗，这时在频谱显示区内出现两条频谱曲线，如图1-50所示。数字信号处理GUI库图1-50更新后的频谱曲线数字信号处理GUI库人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。