滤波器设计分析工具FDATool和滤波器可视化工具FVTool要点.pdf
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1、1 讲座 13 滤波器设计分析工具FDATool 和滤波器可视化工具FVTool 13.1简介 FDATool (Filter Design and Analysis Tool) 是一个功能强大的数字滤波器分析设计工 具。它的主要功能如下: (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 上实现的滤波器。 FDATool 涵盖了信号处理工具箱中所有的滤波器设计方法。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)的滤波器, 并且可以查看该滤波器 的各种分析图形(例如滤波器的模频特性、相频特性、群时延、令极点图等)。待设计出满 意
2、的滤波器后,还可以将其系数直接导出为Matlab 变量、文本文件或C 语言头文件等。 (2)仿真和分析量化滤波器的性能 参考滤波器是一种不考虑数据量化的理想滤波器。实际滤波器则使用一定的量化器, 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。这样的滤波器称为量化滤波器。 量化滤波器的频率特性往往与原来的滤波器不一致,有时甚至会使一个稳定的滤波器变得不 稳定。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基础上的量化函数。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 FV
3、Tool (Filter Visual Tool ) 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 Matlab 6.5 及其在数字信号处理中的应用(王宏著,清华大学出版社,2004 年) 数字信号处理原理、实现与应用(高西全著,电子工业出版社,2006 年) 13.2 FDATool 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 2 图 13.2.1
4、所示的界面。 图 13.2.1 FDATtool 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 13.2.2 FDATool 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。 区域 3 显示滤波器的模频特性容限图以及设计所得滤波器的模频特性、相频特性
5、、 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 中的“滤波器设计” (设计不 考虑量化效应的滤波器),则区域 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。 3 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,用户若选滤波器设 计,则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 Design Filter。当这个命令钮的字样从灰色变为黑色时
6、,按下它就进行 滤波器设计。 下面举例说明用FDATool 设计参考滤波器的方法。 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, 则应在 FIR 下拉菜单中, 选择所需的算法, 例如 Equiripple(等波纹), 4 并在输入设计要求和技术指标后,点击
7、Design Filter 按钮,就可以得到所需滤波器。 图 13.3.1. 主菜单选项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。 5 图 13.3.3 带标志点的特性曲线 从图 13.2.4 所示 Analysis 项的子
8、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 13.3.4 FIR 低通滤波器的相频特性 图 13.3.5 FIR 低通滤波器的模频特性和相频特性 图 13.3.6 FIR 低通滤波器的群时延特性 6 图 13.3.7 FIR 低通滤波器的冲激响应 图 13.3.8 FIR 低通滤波器的阶跃响应 图 13.3.9 FIR 低通滤波器的零极点分布 图 13.3.10 FIR 低通滤波器的滤波系数 在图 13.
9、2.4 中,若点击Analysis 项子菜单中的Full View Analysis (全景分析 )选项,则 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。 7 图 13.3.11 低通 FIR 滤波器的模频特性 Analysis 项子菜单中有Analysis Parameters 选项。点击这个选项,出现图13.3.12 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范围:s0,s/2,0FF和 s/2s/2,FF。 例如,若选频率范围为s/2s/2,FF, 则滤波器器的模频特性将如图13.3.13 所示。 图 13.3.12 ” Analysis P
10、arameters”选项 对话框 图 13.3.13 频率范围为s / 2s/ 2 ,FF时的模频特性 8 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, d )(d g n(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Hz12000bx,纵坐标为 o -2250by。若 b 点的横坐标用数字频 率表示, 则 s /12000*2
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