完整版matlab中fdatool使用说明.docx
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完整版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FDATool
MATLAB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DesignFilter
FDATool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)=
显然上式可以写成:
H(z)=
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
,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
-0.03690.01090.05580.0054-0.0873-0.04840.18050.41330.4133
Columns10through16
0.1805-0.0484-0.08730.00540.05580.0109-0.0369
2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
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,-0.04839711653448,0.1804973650249,0.4133400743259
0.4133400743259,0.1804973650249,-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.
;
;Generatedon:
22-Dec-200512:
03:
10
;
Radix=16;
Coefficient_Width=16;
CoefData=0000,
079c,
05a2,
f90b,
f166,
0000,
2272,
4000,
4000,
2272,
0000,
f166,
f90b,
05a2,
079c,
0000;
这些系数已经运用二进制补码对其进行了运算,所以可以表示成十六进制。
3.3CCS接口
CCS(CodeComposerStudio)是TI公司为其数字信号处理器开发的集成开发环境(IDE)。
在HDLcoder中,可以向CCS输出C语言头文件或者直接写入处理器的存储空间中,然后由CCS本身作进一步的处理。
在此接口中,可以选择目标板和目标处理器的型号,在这里目标板的型号一般只能是TI公司提供的专用EVM板。
上述型号必须手动输入。
选择FDATool菜单的“Targets”→“CodeComposerStudio(R)IDE”命令,打开CCS接口。
此接口的窗口如图B.13所示。
图B.13CCS接口窗口
3.4HDL语言的生成
选择FDATool菜单的“Targets”→“GenerateHDL”命令,打开生成HDL源代码的窗口,该窗口如图B.14所示。
图B.14生成HDL源代码的窗口
在生成HDL文件时,可以选择生成VHDL或是VerilogHDL。
可以对时钟信号、复位信号、进程、构造体和实体的定义等等进行设置。
最后可以选择文件输出的文件夹和文件名。
文件一般有如下内容和格式:
------------------------------------------------------------
--Module:
filter
--GeneratedbyMATLAB(R)7.0andtheFilterDesignHDLCoder1.0
--Generatedon:
2005-12-2212:
33:
35
--HDLCode
--此处显示滤波器特性以及输出HDL代码时的设置
------------------------------------------------------------------
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.std_logic_1164.all;
USEIEEE.numeric_std.ALL;
ENTITYfilterIS
PORT(clk:
INstd_logic;
clk_enable:
INstd_logic;
reset:
INstd_logic;
filter_in:
INstd_logic_vector(15DOWNTO0);--sfix16_En15
filter_out:
OUTstd_logic_vector(15DOWNTO0)--sfix16_En9
);
ENDfilter;
---------------------------------------------------------------------
--ModuleArchitecture:
filter
---------------------------------------------------------------------
ARCHITECTURErt1OFfilterIS
--局部函数
--类定义
TYPEdelay_pipeline_typeISARRAY(NATURALrange<>)OFsigned(15DOWNTO0);
--sfix16_En15
--定义常数
CONSTANTcoeff1:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(0,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff2:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(1948,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff3:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(1442,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff4:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(-1781,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff1:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(0,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff2:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(1948,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff3:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(1442,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff4:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(-1781,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff5:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(-3738,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff6:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(0,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff7:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(8818,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff8:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(16384,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff9:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(16384,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff10:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(8818,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff11:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(0,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff12:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(-3738,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff13:
signed(15DOWNTO0):
=to_signed(-1781,16);--sfix16_En14
CONSTANTcoeff14:
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=to_signed(1442,16);--sfix16_En14
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=to_signed(1948,16);--sfix16_En14
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=to_signed(0,16);--sfix16_En14
--信号
SIGNALdelay_pipeline:
delay_pipeline_type(0To15);sfix16_En15
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SIGNALs
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