【文章內(nèi)容簡介】 FDATool，這兩種數(shù)字信號處理工具箱都是一種圖形用戶界面，能夠方便快捷的讓我們設計自己的數(shù)字濾波器。這兩種工具箱都能查看所設計濾波器的幅度響應、相位響應、群延遲、零點極點圖、沖激響應和階躍響應。 Matlab SPTool 工具箱的 FIR 濾波器設計 SPTool 工具箱簡介 SPTool 是一個圖形環(huán)境，提供了一種用于信號查看、濾波器設計和頻譜分析的多圖形環(huán)境。它為信號處理工具箱中的很多函數(shù)提供了易于使用的界面，只需要操縱鼠標就可以觀察、分析和打印數(shù)字信號，分析、實現(xiàn)和設計數(shù)字濾波器，以及頻譜分析等 [6]。 用 SPTool 工具箱設計 FIR 濾波器 啟動 Matlab 后在命令窗口輸入 SPTool 回車就可以打開 SPTool 的主窗口。如圖 4–1 所示，由 SPTool 的主窗口可以看出， SPTool 有 3 個列表框： Signals列表框， Filters 列表框和 Spectra 列表框，它們對應著 SPTool 工具中的 4 個功能模塊 [6]： (1)信號瀏覽器； (2)濾波器設計器； (3)濾波器觀察器； (4)譜觀察器 。 11 在用 SPTool 進行信號處理時，必須先載入數(shù)據(jù)或先設計好濾波器。按照不同的數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)載入可以分為信號數(shù)據(jù)載入、濾波器數(shù)據(jù)載入以及功率譜數(shù)據(jù)載入。 首先在 Matlab 工作空間創(chuàng)建信號數(shù)據(jù)。這里以低通為例，創(chuàng)建信號數(shù)據(jù)時的 [9] [10]： fs=1000。 t=0:1/fs:1。 x=sin(2*pi*5*t)。 xn=x+rand(size(t))。 [B,A]=butter(20,)。 plot(t,xn) 可以利用 File菜單中的 Import選 項將其他信號、濾波器或頻譜由 Matlab工作區(qū)中導入到 SPTool工作區(qū)內(nèi)。如圖 42所示： 圖 41 SPTool 的主窗口 12 已經(jīng)從工作區(qū)中選擇數(shù)據(jù) xn導入到 Signals 列中，所導入的數(shù)據(jù)命名為 sig1。這時單擊 OK 按鈕，將以此信號 sig1 更新原來的 SPTool 窗口。 選擇 Signals 列中信號的名稱，并單擊列表下面的 View 按鈕，就可以查看信號了。如圖 43 給出了受干擾的正弦波 sig1。 Signals Browser 窗口允許查看、測試和分析時域信號的特定區(qū)域。它包括有水平和垂直標記、帶有軌跡和范圍的標記，并顯示信號的波 峰和波谷，用于測試和對比。 接下來的任務是設計一個 FIR 低通濾波器去濾除高頻噪聲分量。將濾波器導入到 Matlab 工作區(qū)中最簡單的方法是單擊 File|Import，并導入分子 B 和分母 A系數(shù)，如圖 44 所示。并單擊 View 來查看所導入濾波器的特性。 Filter Viewer窗口允許用戶查看所設計濾波器的特性，包括濾波器的幅度響應、相位響應、群延遲、零點極點圖、沖激響應和階躍響應。 圖 42 導入信號 xn 圖 43 信號 sig1 13 SPTool 工具箱中還可以根據(jù)自己定義的規(guī)格設計 FIR 和 IIR 濾波器，可以通過單擊 SPTool 中 Filters 列之下的 New 按鈕來完成這一操作。這里選擇SPTool/Filters 中的 Edit，對輸入信號進行濾波設計，將出現(xiàn)如圖 45 所示設計的Filter Designer 窗口，這里也允許自己去選擇一個濾波器設計算法、濾波器類型和頻率規(guī)格。最后通過單擊 SPTool 窗口中的 Apply按鈕，可以選擇所設計的濾波器或所導入的濾波器 LSLp，并將其應用至輸入信號 sig3。如下圖 46 所示： 圖 44 導入分子分母系數(shù) 圖 45 Filter Designer 窗口 14 圖 46 信號 sig3 將出現(xiàn)一個新的窗口，他允許我們選擇濾波器的結(jié)構(gòu)，并指定輸出信號的名稱為 sig3。由 SPTool 窗口中選擇 sig1 和 sig3，并單擊 Signal 列下面的 View 按鈕，可以查看輸入信號 (見圖 411)和濾波后輸出信號的時域圖。如圖47(a) 、 (b)所示 (a)濾波前信號 (b)濾波后的信號 圖 47 從濾波前后波形對比，我們可以看出，高頻分量被濾除掉了。 FIR 濾波器的 Matlab FDATool 工具箱的簡介 Matlab 中包括一組用于設計、分析和實現(xiàn) FIR 濾波器的函數(shù)。利用 FDATool來為實際應用設計、分析和量化 FIR 濾波器， FDATool 中整合了濾波器設計工具箱和信號處理工具箱。這一強大的工具將傳統(tǒng)的命令行濾波器設計功能集成在一個圖形窗口環(huán)境中。 濾波器設計與 FDATool 工具箱簡介 在 Matlab 命令窗口中鍵入 FDATool 啟動 FDATool。 FDATool 打開默認設計模式，如圖 48 所示。 15 圖 48 FDATool 窗口 FDATool 包含一個交互式 GUI，它允許使用者指定以下濾波器設計參數(shù) [6]： （ 1） 濾波器類型可以為低通、高通、帶通、帶阻、多頻器、微分器、 Hibert轉(zhuǎn)換器、任意幅度、任意相位、升余弦。 （ 2） 濾波器設計方法可以是用于 FIR 濾波器的等紋波、最小平方和加窗法。 （ 3） 濾波器階數(shù)可由使用者指定，也可以是由濾波器設計方法確定的最小階數(shù)。 （ 4） 窗口技術要求僅可用于采用傅立葉方法的 FIR 設計。其中共有 16 種窗口可供選擇。 （ 5） 頻率設計要求可以是采樣頻率 (fs) 、 通帶截止頻率或阻帶截止頻率。 （ 6） 幅度技術要求可以是通帶紋波和阻帶紋波，單位 可以為線性單位或 dB. 有限長單位沖激響應濾波器的指標 這里以一個具體例子為例利用 FDATool 設計 FIR 濾波器的過程。濾波器的技術要求給出如下： （ 1）應使用等紋波設計方法以最低階數(shù)設計一個帶通 FIR 濾波器。 （ 2）以 Hz為單位的頻率技術要求為 Fstop1=800Hz, Fstop2=1 500Hz， Fpass1=1 000Hz， Fpass2=1 300Hz,采樣頻率 Fs=8 000Hz。 （ 3）低阻與高阻帶紋波的幅度技術要求分別為 50dB（ As1）和 60dB(As2)。通帶紋波限制為 1dB(Ap)。 16 Matlab FDATool 工具箱的 FIR 濾波器設計 有了帶通濾波器的技術要求后，就可以進行 Matlab 軟件設計了。首先打開MATLAB 進入命令窗口，在命令窗口中敲入 ―FDATool‖命令，然后回車，就進入了 FDATool 的默認設計模式如上圖 47 所示。在 FDATool 的默認設計模式中有―Response Type‖，可以從中選擇 ―Lowpass‖， ―Bandpass‖， ―Highpass‖等濾波器類型，這里以 ―Bandpass‖為例。把技術指標填入相應的筐中，再點擊 ―Design Filter‖,設計的濾波器就如圖 49 Bandpass 所示。 完成濾波器的設計之后，可以分析濾波器的特性。如圖 48 所示，可以通過選擇 Analysis 菜單中所列的方法或單擊工具欄按鈕來訪問分析方法。從 Analysis菜單中選擇 Magnitude Response,在右上窗口中顯示幅度響應曲線，如圖 410 所示，還可以選擇 Phase Response 如圖 411 所示： 圖 49 Bandpass 17 FDATool 還提供了給出 濾波器特性的附加顯示。這些曲線包括相位響應、群延遲、沖激響應、階躍響應、極零圖和濾波器系數(shù)。 FIR 濾波器的沖激響應顯示所設計濾波器的系數(shù)。極零圖顯示