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[转载]利用Matlab中的fdatool设计滤波器(低通、高通、带通)

已有 305 次阅读 2019-10-20 04:33 |系统分类:科研笔记| Digital, filter, design |文章来源:转载

数字滤波器的设计是数字信号处理技术的一个核心问题,除了众多的滤波器设计函数之外,Signal Processing Toolbox还提供一个带交互式界面的滤波器设计工具—FDATool。用户可以通过对话框的方式给出滤波器设计要求,然后使用FDATool对滤波器进行直接设计。对于设计完成的滤波器,在FDATool中可以对其进行分析,绘制幅频曲线、相位响应、零极点图等,并且将设计结果保存到工作空间中,同时,也可将其保存为mat文件、文本文件,或者直接生成C语言的头文件等。


Simulink内启动方式:


Signal ProcessingBlockset->Filtering->Filter Designs->Digital Filter Design。将模块拖入,然后双击便会出现FDATool设置界面。总体来说,这个工具应该是直观易用的,应该在掌握基础知识的基础上,配合帮助文档,才能很快的熟悉该工具。


本处链接:https://blog.csdn.net/Reason_Lee/article/details/80525292

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FDATool工具的主界面(已配置好参数)如下所示:

FDATOOL(Filter Design & Analysis Tool)是MATLAB信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具。


FDATOOL界面如图所示,总共分两大部分:一部分是Design Filter,在界面的下半部,用来设置滤波器的设计参数;另一部分则是特性区,在界面的上半部分,用来显示滤波器的各种特性。

Design Filter部分主要分为Response Type(滤波器类型)选项和Design Method(设计方法),其中Response Type选项包括Lowpass(低通)、Highpass(高通)、Bandpass(带通)、Bandstop(带阻)和特殊的FIR滤波器;Design Method包括IIR滤波器的Butterworth(巴特沃斯)法、Chebyshev type I(切比雪夫I型)法、Chebyshev type II(切比雪夫II型)法、Elliptic(椭圆滤波器)法和FIR滤波器的Equiripple法、Least-Squares(最小均方)法、Window(窗函数)法。


Filter Order(滤波器阶数)选项定义滤波器的阶数,包括Specify Order(指定阶数)和Minimum Order(最小阶数)。在Specify Order中填入所要设计的滤波器的阶数(对于n阶滤波器,Specify Order=n-1);如果选中Minimum Order选项选项,MATLAB则根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。


Frenquency Specifications选项可以详细定义频带的各参数,包括采样频率Fs和频带的截止频率。它的具体选项种类由Filter Type选项和Design Method选项决定,例如Bandpass(带通)滤波器需要定义Fstop1(下阻带截止频率)、Fpass1(通带下限截止频率)、Fpass1(通带上限截止频率)、Fstop2(上阻带截止频率),而Lowpass(低通)滤波器只需要定义Fstop1、Fpass1。采用窗函数设计滤波器时,由于过渡带是由窗函数的类型和阶数所决定的,所以只需要定义通带截止频率,而不定义阻带参数。


Magnitude Specifications选项可以定义幅度值衰减的情况。例如,设计带通滤波器时,可以定义Wstop1(频率Fstop1处的幅值衰减)、Wpass(通带范围内的幅值衰减)、Wstop2(频率Fstop2处的幅值衰减)。当选取采用窗函数设计时,Window Specifications选项可定义,它包含了各种可选的窗函数。

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(一)设计一个低通滤波器


打开matlab,键入fdatool后,会弹出该工具的对话框。然后按照下图设置相关参数,参数列表中的Fs应该是采样频率,Fc是截止频率,即幅频特性曲线-3dB对应的频率。点击“Design Filter”后,幅频特性曲线会被更新。



然后切换到下面这个页面,点击“Realize Model”后,会进入simulink的页面。



点击simulink页面中的模型,就可以看到对应的z变换模型,如下图所示。

(二)设计一个高通滤波器

其设计过程与低通滤波器类似,不再赘述。



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(三)设计一个带通滤波器


现设计一带通Butterworth滤波器,滤除输入信号源为100Hz正弦波和一个随机噪声信号中的随机噪声。具体步骤如下:


1、打开FDATool的滤波器设计及分析界面,如上图所示。


2、在滤波器设计参数指定区域中,将滤波器(Filter Type)设置为带通(Bandpass);设计方法(Design Method)设置为IIR类中的Butterworth滤波器;滤波器阶数设置为2阶。


3、指定所需设计的滤波器的频率参数。首先,需要给出频率单位(Units),可以是模拟频率(包括Hz、kHz、MHz、GHz几种单位),采用这种方式给出频率指标需要给出采样频率Fs,本例中为2000Hz。


4、最后,需要指定滤波器允许的通带;


5、在完成以上设置后,点击Design Filter,将在FDATool界面上的“Magnitude Response”区域以图形的方式清楚的显示出用户所要求的滤波器的理想频响的性状,每个设计指标也在图中进行了清楚的标注。


6,设计一个包含100Hz正弦波和一个随机噪声的输入信号的simulink仿真模型,使用设计好的滤波器模块滤除其中一个输入信号,并用示波器观察滤波效果。


7、设置正弦波参数如下:幅度1,频率100Hz,采样时间1/2000秒,一帧256个采样值。


8、设置随机噪声信号参数如下:采样时间1/2000秒,一帧256个采样值。其余保持默认值。


9、设置向量示波器参数如下:勾选Display Properties下的Channel legend。


Simulink建模如下:



运行后观察示波器,得到下图结果,可以发现该滤波器较好的滤除了正弦信号中混杂的噪声。


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