MATLAB滤波器设计与分析工具(FDATool)

(5) 幅度参数 设计低通、高通滤波器时，需要指定通带、阻带频率；设计带通滤波器时，需要指定阻 带 1、通带、阻带 2 的频率；设计带阻滤波器时，需要指定通带 1、阻带、通带 2 的频率。 例 1： 设计一个 FIR 低通滤波器，要求：通带衰减 1dB，阻带衰减 40dB，通带截止频率 550Hz， 带阻截止频率 650Hz，采样频率为 2000Hz。 利用 FDATool 设计滤波器基本步骤如下：
单击 FDATool 窗口界面快捷工具栏的【Magnitude Response】按钮，或者选择菜单栏 【Analysis/Magnitude Response】选项，就可以得到图 7-4-4 所示该型滤波器的幅度响应曲线。
Magnitude Response (dB)
20
0
-20
Magnitude (dB)
使用菜单【File/Export to C Header File】可以把滤波器系数保存为 C 语言格式的头文件， 其中系数变量的数据类型可以选择。
使用菜单【File/Export to SPtool】可以把滤波器导出到信号处理工具 SPtool 中。 使用菜单【File】中与 Session 有关的子菜单，可以把整个设计保存为一个．fda 文件， 或调入一个已有的设计文件，继续进行设计。
菜单的意义与功能。
(1) File 菜单
使用菜单【File/Export】可导出或保存设计结果。可以选择导出的是滤波器的系数向量 还是整个滤波器对象（把设计结果导出为滤波器对象 qfilt 时，系统应安装有滤波器设计工 具箱），可以选择把导出结果保存为 MATLAB 工作空间中的变量、文本文件或.MAT 文件。
7.5 MATLAB 滤波器设计工具（FDATool）
FDATool(Filter Design and Analysis Tool)是 MATLAB 信号处理工具箱提供的一种综合、 简便的图形用户工具。通过该工具提供的先进可视化滤波器集成设计环境，用户可以方便地 设计几乎所有的常规滤波器，包括 FIR 和 IIR 的各种设计方法。本节主要介绍 FDATool 的 各项功能以及设计一款滤波器的关键步骤。
(3) 滤波器阶次 FIR 滤波器的阶次可以由用户指定，也可以选择最小滤波器阶次。
(4) 频率参数 频率参数设置包括频率单位、采样频率、带通频率、带阻频率等。其中采 样频率，带通频率，带阻频率可以由用户根据实际制定，而频率单位可以通过面板上的频率 单位下拉框进行选择，主要包括归一化频率（0-1）、Hz、kHz、MHz 和 GHz 五种选项。
择菜单栏【Analysis/Magnitude and Phase Response】选项，就可以得到图 7-4-6 所示该型滤 波器的幅度与相位响应曲线。
Magnitude (dB) and Phase Responses
20
0
-4
-360
Phase (degrees)
Magnitude (dB)
(2) Edit 菜单
使用菜单【Edit/Convert】可转换当前滤波器的实现结构。所有滤波器都能在直接Ⅰ型、 直接Ⅱ型、转置直接Ⅰ型、转置直接Ⅱ型、状态空间模型和格形结构之间直接转换。此外， 系统安装滤波器设计工具箱后将有更多的结构形式可供转换。
使用菜单【Edit/Convert to Second—order Sections】或【Edit/Convert to Single Section】 实现滤波器级联结构与直接型结构之间的转换。
5) Options 中 Desity Factor 默认值为 20； 6) 在 Frequency Specification 中指定采样频率 Fs=2000Hz，带通频率 Fpass=650Hz，
带阻频率 Fstop=550Hz； 7) 在 Magnitude Specification 中指定 Apass=1dB，Astop=40dB； 8) 单击“Design Filter”即可完成滤波器设计。 9) 最后，使用菜单【File/Export】可导出或保存滤波器系数 h(n)。
Phase Response
0
-200
-400
-600
Phase (degrees)
-800
-1000
-1200
-1400
-1600
-1800 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Frequency (kHz)
图 7-4-5 滤波器的相位响应曲线
3. 幅度与相位响应
单击 FDATool 窗口界面快捷工具栏的【Magnitude and Phase Responses】按钮，或者选
-28
-720
-52
-1080
-76
-1440
-100 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Frequency (kHz)
图 7-4-6 滤波器的幅度与相位响应曲线
-1800
4. 群延迟
单击 FDATool 窗口界面快捷工具栏的【Group Delay Response】按钮，或者选择菜单栏 【Analysis/ Group Delay Response】选项，就可以得到图 7-4-7 所示该型滤波器的群延迟曲线。
【Analysis/Impulse Response】选项，就可以得到图 7-4-9 所示该型滤波器的冲击响应曲线。
Impulse Response 0.6
0.5
0.4
Amplitude
0.3Biblioteka 0.20.10-0.1 0
2
4
6
8
10
12
14
Time (mseconds)
图 7-4-9 滤波器的冲击响应曲线
¾ 在 Filter Order 下可以选择滤波器阶数，可以使用满足要求的最小滤波器阶数或直 接指定滤波器的阶数。
¾ 根据前面两步中选择的设计方法，Options 下会显示与该方法对应的可调节参数。 例如选择 FIR 等波纹设计法时，Options 面板的 Window 中可设置密度系数的大小。
¾ 选择滤波器的类型、设计方法和滤波器阶数时，相应的设计指标及其含义会在 Filter Specifications 中用图形直观地显示出来以供设计参考。这些设计指标的具体参数需 要在 Frequency Specifications 和 Magnitude Specifications 下明确指定。
7. 阶跃响应
单 击 FDATool 窗 口 界 面 快 捷 工 具 栏 的 【 Step Response 】 按 钮 ， 或 者 选 择 菜 单 栏
1) 在 MATLAB 命令窗口下输入“fdatool”命令，“回车”调出滤波器设计界面； 2) 在 Respone Type 中选择低通滤波器（Lowpass）； 3) 在 Design Method 中选择 FIR，同时在滤波器设计方法下拉框中选择等波纹
（Equiripple）设计方法； 4) 在 Filter Order 中选择最小滤波器阶次（Minimum Order）；
7.5.1 FDATool 快速入门
1. FDATool 启动
在 MATLAB 命令窗口下，执行“FDATool”命令，按“回车”调出 FDATool 用户图形 界面，如图 7-4-1 所示。
图 7-4-1 FDATool 启动界面
2. FDATool 菜单主要功能介绍
FDATool 窗口的命令菜单包括 File、Edit、Analysis、Targets、View，下面简要介绍这些
(4) View 菜单
View 菜单包括的命令主要有指定滤波器名称，图形放大，全屏显示等。
3. FDATool 用户界面介绍
FDATool 的界面分上、下两个部分：上面部分显示有关滤波器的信息，下面部分用来指 定设计指标参数。
¾ 在 Response type 下可以选择滤波器类型，包括低通、高通、带通、带阻、微分器、 Hilbert 变换器、多带、任意频率响应、升余弦等（如果安装了滤波器设计工具箱， 则会有更多选项）。
Phase Delay 2.8 2.6 2.4 2.2
2 1.8 1.6 1.4
Phase Delay (degrees/Hz)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Frequency (kHz)
图 7-4-8 滤波器的相位延迟曲线
6. 冲击响应
单击 FDATool 窗口界面快捷工具栏的【Impulse Response】按钮，或者选择菜单栏
图 7-4-2 FDATool 窗口界面快捷工具栏
(3) Targets 菜单
使用菜单【Targets/Generate M-file】菜单可以生成滤波器的 MATLAB 脚步文件。 使用菜单【Targets/Simulink Model】菜单可以建立 Simulink 模型。 使用菜单【Targets/XILINX Coefficient (.COE) File】可以生成滤波器的 XILINX 系数文 件。 使用菜单【Targets/Code Composer Studio (R) IDE】可以将滤波器输出到该代码生成生成 集成开发环境，并可以下载到 DSP 芯片。
指定所有的设计指标后，单击 FDATool 最下面的 Design Filter 按钮即可完成滤波器设计。 (设计完成后 Design Filter 按钮变为不可用，除非再次修改了设计指标)。
7.5.2 滤波器设计
1．FIR 滤波器设计
FIR 滤波器设计时的参数设置主要包括响应类型、滤波器阶次、频率参数、幅度参数及 密度因子等其他选项。