matlab中fdatool使用说明

基于MATLAB的滤波器设计由于MATLAB的广泛使用和功能的不断更新，基于MATLAB的滤波器设计方法以其方便快捷的特点，受到了设计者的欢迎。下面将举例说明基于MATLAB的FIR滤波器的设计。1基于FDATool的FIR滤波器设计使用FDATool设计FIR滤波器的具体步骤如下：1.1滤波器指标若需要设计一个16阶的FIR滤波器（h(0)=0），给定的参数如下：(1)低通滤波器(2)采样频率FS为48kHz，滤波器FC为10.8kHz(3)输入序列位宽为9位（最高位为符号位）在此利用MATLAB来完成FIR滤波器系数的确定。1.2打开MATLAB的FDAToolMATLAB集成了一套功能强大的滤波器设计工具FDATool（FilterDesign&AnalysisTool），可以完成多种滤波器的设计、分析和性能评估。单击MATLAB主窗口下方的“Start”按钮，如图B.1所示，选择菜单“ToolBox”→“FilterDesign”→“FilterDesign&AnalysisTool（FDATool）”命令，打开FDATool，如图B.2所示。图B.1FDATool的启动图B.2FDATool的主界面另外，在MATLAB主命令窗口内键入“fdatool”，同样可打开FDATool程序界面。1.3选择DesignFilterFDATool界面左下侧排列了一组工具按钮，其功能分别如下所述：●滤波器转换（TransFormFilter）●设置量化参数（SetQuantizationParameters）●实现模型（RealizeModel）●导入滤波器（ImportFilter）●多速率滤波器（MultirateFilter）●零极点编辑器（Pole-zeroEditor）●设计滤波器（DesignFilter）选择其中的按钮，进入设计滤波器界面，进行下列选择，如图B.3所示。图B.3FDATool设计FIR滤波器●滤波器类型（FilerType）为低通（LowPass）●设计方法（DesignMethod）为FIR，采用窗函数法（Window）●滤波器阶数（Filterorder）定制为15●窗口类型为Kaiser，Beta为0.5●FS为48kHz，FC为10.8kHz最后单击DesignFilter图标，让MATLAB计算FIR滤波器系数并作相关分析。其系统函数H(z)可用下式来表示：H(z)=161kkkzb显然上式可以写成:H(z)=1501kkkzbz即可以看成是一个15阶的FIR滤波器的输出结果经过了一个单位延时单元1z，所以在FDATool中,把它看成15阶FIR滤波器来计算参数。1.4滤波器分析计算完FIR滤波器系数以后，往往需要对设计好的FIR滤波器进行相关的性能分析，以便了解该滤波器是否满足设计要求。分析操作步骤如下：选择FDATool的菜单“Analysis”→“MagnitudeResponse”，启动幅频响应分析如图B.4所示，x轴为频率，y轴为幅度值（单位为dB）。图B.4FIR滤波器幅频响应在图的左侧列出了当前滤波器的相关信息：●滤波器类型为DirectFormFIR（直接I型FIR滤波器）●滤波器阶数为15选择菜单“Analysis”→“PhaseResponse”，启动相频响应分析，如图B.5所示。由该图可以看到设计的FIR滤波器在通带内其相位响应为线性的，即该滤波器是一个线性相位的滤波器。图B.5滤波器相频响应图B.6显示了滤波器幅频特性与相频特性的比较，这可以通过菜单“Analysis”→“MagnitudeandPhaseResponse”来启动分析。图B.6滤波器幅频和相频响应选择菜单“Analysis”→“GroupDelayResponse”，启动群时延分析。FDATool还提供了以下几种分析工具：●群时延响应分析。●冲激响应分析（ImpulseResponse），如图B.7所示。●阶跃响应分析（StepResponse），如图B.8所示。●零极点图分析（Pole/ZeroPlot），如图B.9所示。图B.7冲激响应图B.8阶跃响应图B.9零极点图求出的FIR滤波器的系数可以通过选择菜单“Analysis”→“FilterCoefficients”来观察。如图B.10所示，图中列出了FDATool计算的15阶直接I型FIR滤波器的部分系数。图B.10滤波器系数1.5量化可以看到，FDATool计算出的值是一个有符号的小数，如果建立的FIR滤波器模型需要一个整数作为滤波器系数，就必须进行量化，并对得到的系数进行归一化。为此，单击FDATool左下侧的工具按钮进行量化参数设置。量化参数有三种方式：双精度、单精度和定点。在使用定点量化前，必须确保MATLAB中已经安装定点工具箱并有相应的授权。1.6导出滤波器系数为导出设计好的滤波器系数，选择FDATool菜单的“File”→“Export”命令，打开Export（导出）对话框，如图B.11所示。图B.11滤波器系数Export对话框在该窗口中，选择导出到工作区（Workplace）。这时滤波器系数就存入到一个一维变量Num中了。不过这时Num中的元素是以小数形式出现的：Num=Columns1through9-0.03690.01090.05580.0054-0.0873-0.04840.18050.41330.4133Columns10through160.1805-0.0484-0.08730.00540.05580.0109-0.03692基于MATLAB内建函数的FIR设计在Matlab中已经内建有各种滤波器的设计函数，可以直接在程序中调用，这里介绍其中几个函数。2.1fir1函数功能：设计标准频率响应的基于窗函数的FIR滤波器。语法：b=fir1(n，Wn)；b=fir1(n，Wn，‘ftytpe’)；b=fir1(n，Wn，Window)；b=fir1(n，Wn，‘ftype’，Window)；说明：fir1函数可以实现加窗线形相位FIR数字滤波器设计，它可以设计出标准的低通、高通、带通和带阻滤波器。b=fir1(n，Wn)可得到n阶低通，截至频率为Wn的汉明加窗线形相位FIR滤波器，0≤Wn≤1，Wn=1相当于0.5fs。滤波器系数包含在b中，可表示为nZnbzbbzb)1()2()1()(1当Wn=[W1W2]时，fir1函数可得到带通滤波器，其通带为W1＜w＜W2。当ftype=high时，设计高通FIR滤波器；当ftype=stop时，设计带阻滤波器。在设计高通和带阻滤波器时，由于对奇次阶的滤波器，其在Nyquist频率处的频率响应为零，不适合构成高通和带阻滤波器。因此fir1函数总是使用阶数为偶数的滤波器，当输入的阶数为奇数时，fir1函数会自动将阶数加1。b=fir1(n，Wn，Window)利用参数Window来指定滤波器采用的窗函数类型。其默认值为汉明窗。b=fir1(n，Wn，‘ftype’，Window)可利用ftype和Window参数，设计各种滤波器。2.2fir2函数功能：设计任意频率响应的基于窗函数的FIR滤波器。语法：b=fir2（n，f，m）;b=fir2（n，f，m，Window）;b=fir2（n，f，m，npt）;b=fir2（n，f，m，npt，window）;b=fir2（n，f，m，npt，lap）;b=fir2（n，f，m，npt，lap，Window）;说明：fir2函数可以用于设计有任意频率响应的加窗FIR滤波器，对标准的低通、带通、高通和带阻滤波器的设计可使用fir1函数。b=fir2（n，f，m）可设计出一个n阶的FIR滤波器，其滤波器的频率特性由参数f和m决定。参数f为频率点矢量，且f∈[0，1]，f=1对应于0.5fs。矢量f按升序排列，且第一个元素必须是0，最后一个必须为1，并可以包含重复的频率点。矢量m中包含了与f相对应的期望得到的滤波器的幅度。b=fir2（n，f，m，Window）中用参数Window来指定使用的窗函数类型，默认值为汉明窗。b=fir2（n，f，m，npt）中用参数npt来指定fir2函数对频率响应进行内插的点数。b=fir2（n，f，m，npt，lap）中用参数lap来指定fir2在重复频率点附近插入的区域大小。3基于FDATool的HDL代码产生在MATLAB7中，对数字滤波器的设计提供了与若干种现实方案的接口。此类接口提供MATLAB到设计工具的无缝连接，即MATLAB根据设计工具的文件格式，将包含滤波器设计参数的文件输出。设计工具导入该文件，并作为设计模块的一部分。在此类接口中包括与Xilinx公司和TI公司的接口，还包括C头文件以及HDL代码。与FDATool的启动类似，单击MATLAB主窗口下方的“Start”按钮，选择“ToolBox”→“FilterDesignHDLcoder”→“FilterDesign&AnalysisTool(FDATool)”,打开FDATool。根据上节相同的设计和分析步骤，对FIR滤波器进行分析和设计，在设计完毕之后，可以得到滤波器系数。此时就可以应用设计工具接口。3.1C语言头文件的产生选择FDATool菜单的“Targets”→“GenerateCHeader”命令，打开产生C语言头文件的窗口，如图B.12所示。图B.12产生C语言头文件可以看到输出的头文件中，变量名和变量长度名可以自定义，变量输出的格式也有很多种可以选择。根据在FDATool量化时选用的量化方式，窗口中会显示推荐使用的输出格式。产生的头文件内容如下：/**FilterCoefficients(CSource)generatedbytheFilterDesignandAnalysisTool*GeneratedbyMATLAB(R)7.0*Generateon：22-Dec-200511:42:24*//**Discrete-TimeFIRFilter(real)*------------------------------------*FilterStructure：Direct-FormFIR*FilterOrder：15*Stable：Yes*LinearPhase：Yes(Type2)*//*GeneraltypeconversionforMATLABgeneratedC-code*/#include“tmwtypes.h”/**Expectedpathtotmwtypes.h*C:\MATLAB7\extern\include\tmwtype.h*/constintBL=16；constreal64_TB[16]={-0.03687003131181,0.01091744268631,0.0558306521771,0.005429393216792,-0.08726921427845,-0.04839711653448,0.1804973650249,0.41334007432590.4133400743259,0.1804973650249,-0.04839711653448,-0.08726921427845,0.005429393216792,0.0558306521771,0.01091744268631,-0.03687003131181}；3.2Xilinx系数文件的产生选择FDATool菜单的“Targets”→“XilinxCoefficients（.COE）file”命令，MATLAB直接提示文件的保存位置，保存完毕之后另开一个窗口显示该文件的内容。典型的文件内容如下所示。;;XILINXCOREGenerator(tm)DistributedArithmeticFIRfiltercoefficient(.COE)File;GeneratedbyMATLAB(R)7.0andtheFilterDesignToolbox3.0.;;Generate