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  • Matlab fdatool设计滤波器

    千次阅读 2018-01-26 16:59:23
    滤波器设计Matlab中当然可以使用函数进行创建,今天想设计一款滤波器,对原始的包含噪声的信号进行滤波,达到消除噪声的目的。但是百度了一大堆资料,很多都是设计滤波器,给出滤波器的性能分析,频率响应就...

    滤波器的设计在Matlab中当然可以使用函数进行创建,今天想设计一款滤波器,对原始的包含噪声的信号进行滤波,达到消除噪声的目的。但是百度了一大堆资料,很多都是设计了滤波器,给出滤波器的性能分析,频率响应就结束了。现在介绍一个简单的设计并使用滤波器的方法,Matlab自带的fdatool。步骤如下:

    1 启动fdatool

    在Matlab命令行窗口输入fdatool,然后fdatool图形界面会弹出。



    2 设计参数

    根据需求,选择不同的滤波器类型,设计方法以及参数等即可。下图是我设计的巴特沃斯(Butterworth)滤波器,作为参考。



    3 生成滤波器 

    参数设定好之后,点下面的“Design Filter”即可生成(上图是已经生成过的,所以按键是灰色)

    4 导出滤波器

    这一部很重要,网上找到资料也是说法不一,很多都没讲清楚。简单可行的方法是,依次点击 “File--Generate MATLAB Code--Filter Design Function”然后会弹出界面让你给滤波器函数命名。下面是我命名“MyButterworth.m”的函数,这个参数是无参数的。



    5 使用滤波器

    第4部导出的函数是无参数的。这里介绍如何使用它。例如我上面的函数

    %假设原始信号是s
    
    %调用生成的滤波函数返回滤波器示例
    Hd=MyButterworth;
    %得到滤波后的信号s_afterfilter
    s_afterfilter=filter(Hd,s);


    就两行代码,就可以得到滤波过后的函数。在我这个样例中,对信号滤波前后结果如下:



    搞定!


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  • Matlab中滤波器设计

    千次阅读 2013-12-06 20:22:33
    Matlab中滤波器设计 http://hi.baidu.com/cfin_nifc/item/bf737648734006e11381daba IIR滤波器有以下几个特点:  1.IIR数字滤波器的系统函数可以写成封闭函数的形式。  2.IIR数字滤波器...

    Matlab中的滤波器设计

    http://hi.baidu.com/cfin_nifc/item/bf737648734006e11381daba


    IIR滤波器有以下几个特点: 

    1.IIR数字滤波器的系统函数可以写成封闭函数的形式。 

    2.IIR数字滤波器采用递归型结构,即结构上带有反馈环路。IIR滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成,可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式,都具有反馈回路。由于运算中的舍入处理,使误差不断累积,有时会产生微弱的寄生振荡。 

    3.IIR数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果,如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等,有现成的设计数据或图表可查,其设计工作量比较小,对计算工具的要求不高。在设计一个IIR数字滤波器时,我们根据指标先写出模拟滤波器的公式,然后通过一定的变换,将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。 

    4.IIR数字滤波器的相位特性不好控制,对相位要求较高时,需加相位校准网络。 

    在MATLAB下设计IIR滤波器可使用Butterworth函数设计出巴特沃斯滤波器,使用Cheby1函数设计出契比雪夫I型滤波器,使用Cheby2设计出契比雪夫II型滤波器,使用ellipord函数设计出椭圆滤波器。下面主要介绍前两个函数的使用。 

    与FIR滤波器的设计不同,IIR滤波器设计时的阶数不是由设计者指定,而是根据设计者输入的各个滤波器参数(截止频率、通带滤纹、阻带衰减等),由软件设计出满足这些参数的最低滤波器阶数。在MATLAB下设计不同类型IIR滤波器均有与之对应的函数用于阶数的选择。 

    一、巴特沃斯IIR滤波器的设计 

    在MATLAB下,设计巴特沃斯IIR滤波器可使用butter函数。 

    Butter函数可设计低通、高通、带通和带阻的数字和模拟IIR滤波器,其特性为使通带内的幅度响应最大限度地平坦,但同时损失截止频率处的下降斜度。在期望通带平滑的情况下,可使用butter函数。 

    butter函数的用法为: 

    [b,a]=butter(n,Wn,/ftype/) 

    其中n代表滤波器阶数,Wn代表滤波器的截止频率,这两个参数可使用buttord函数来确定。buttord函数可在给定滤波器性能的情况下,求出巴特沃斯滤波器的最小阶数n,同时给出对应的截止频率Wn。buttord函数的用法为: 

    [n,Wn]= buttord(Wp,Ws,Rp,Rs) 

    其中Wp和Ws分别是通带和阻带的拐角频率(截止频率),其取值范围为0至1之间。当其值为1时代表采样频率的一半。Rp和Rs分别是通带和阻带区的波纹系数。 

    不同类型(高通、低通、带通和带阻)滤波器对应的Wp和Ws值遵循以下规则: 

    1.高通滤波器:Wp和Ws为一元矢量且Wp>Ws; 

    2.低通滤波器:Wp和Ws为一元矢量且Wp<Ws; 

    3.带通滤波器:Wp和Ws为二元矢量且Wp<Ws,如Wp=[0.2,0.7],Ws=[0.1,0.8]; 

    4.带阻滤波器:Wp和Ws为二元矢量且Wp>Ws,如Wp=[0.1,0.8],Ws=[0.2,0.7]。 

    二、契比雪夫I型IIR滤波器的设计 

    在期望通带下降斜率大的场合,应使用椭圆滤波器或契比雪夫滤波器。在MATLAB下可使用cheby1函数设计出契比雪夫I型IIR滤波器。 

    cheby1函数可设计低通、高通、带通和带阻契比雪夫I型滤IIR波器,其通带内为等波纹,阻带内为单调。契比雪夫I型的下降斜度比II型大,但其代价是通带内波纹较大。 

    cheby1函数的用法为: 

    [b,a]=cheby1(n,Rp,Wn,/ftype/) 

    在使用cheby1函数设计IIR滤波器之前,可使用cheblord函数求出滤波器阶数n和截止频率Wn。cheblord函数可在给定滤波器性能的情况下,选择契比雪夫I型滤波器的最小阶和截止频率Wn。 

    cheblord函数的用法为: 

    [n,Wn]=cheblord(Wp,Ws,Rp,Rs) 

    其中Wp和Ws分别是通带和阻带的拐角频率(截止频率),其取值范围为0至1之间。当其值为1时代表采样频率的一半。Rp和Rs分别是通带和阻带区的波纹系数。

    -----------------------------------------------------------------------

    MATLAB参考程序和仿真内容 

    %*******************************************************************% 

    %mode: 1--巴特沃斯低通;2--巴特沃斯高通;3--巴特沃斯带通;4--巴特沃斯带阻 

    % 5--契比雪夫低通;6--契比雪夫高通;7--契比雪夫带通;8--契比雪夫带阻 

    %fp1,fp2: 通带截止频率,当高通或低通时只有fp1有效 

    %fs1, fs2: 阻带截止频率,当高通或低通时只有fs1有效 

    %rp: 通带波纹系数 

    %as: 阻带衰减系数 

    %sample: 采样率 

    %h: 返回设计好的滤波器系数 

    %*******************************************************************% 

    function[b,a]=iirfilt(mode,fp1,fp2,fs1,fs2,rp,as,sample) 

    wp1=2*fp1/sample;wp2=2*fp2/sample; 

    ws1=2*fs1/sample;ws2=2*fs2/sample; 

    %得到巴特沃斯滤波器的最小阶数N和3bd频率wn 

    if mode<3[N,wn]=buttord(wp1,ws1,rp,as); 

    elseif mode<5[N,wn]=buttord([wp1 wp2],[ws1 ws2],rp,as); 

    %得到契比雪夫滤波器的最小阶数N和3bd频率wn 

    elseif mode<7[N,wn]=cheb1ord(wp1,ws1,rp,as); 

    else[N,wn]=cheblord([wp1 wp2],[ws1 ws2],rp,as); 

    end 

    %得到滤波器系数的分子b和分母a 

    if mode= =1[b,a]=butter(N,wn);end 

    if mode= =2[b,a]=butter(N,wn,/high/);end 

    if mode= =3[b,a]=butter(N,wn);end 

    if mode= =4[b,a]=butter(N,wn,/stop/);end 

    if mode= =5[b,a]=cheby1(N,rp,wn);end 

    if mode= =6[b,a]=cheby1(N,rp,wn,/high/);end 

    if mode= =7[b,a]=cheby1(N,rp,wn);end 

    if mode= =8[b,a]=cheby1(N,rp,wn,/stop/);end 

    set(gcf,/menubar/,menubar); 

    freq_response=freqz(b,a); 

    magnitude=20*log10(abs(freq_response)); 

    m=0:511; 

    f=m*sample/(2*511); 

    subplot(3,1,1);plot(f,magnitude);grid; %幅频特性 

    axis([0 sample/2 1.1*min(magnitude) 1.1*max(magnitude)]); 

    ylabel('Magnitude');xlabel('Frequency-->'); 

    phase=angle(freq_response); 

    subplot(3,1,2);plot(f,phase);grid; %相频特性 

    axis([0 sample/2 1.1*min(phase) 1.1*max(phase)]); 

    ylabel('Phase');xlabel('Frequency-->'); 

    h=impz(b,a,32); %32点的单位函数响应 

    t=1:32; 

    subplot(3,1,3);stem(t,h);grid; 

    axis([0 32 1.2*min(h) 1.1*max(h)]); 

    ylabel('h(n)');xlabel('n-->'); 

    %*******************************************************************% 

    假设需设计一个巴特沃斯低通IIR滤波器,通带截止频率为2KHz,阻带截止频率为3KHz,通带波纹系数为1,阻带衰减系数为20,采样频率为10KHz,则只需在MATLAB的命令窗口下键入: 

    [b,a]=iirfilt(1,2000,3000,2400,2600,1,20,10000) 

    程序进行模拟,并且按照如下顺序输出数字滤波器系统函数的系数 

    b= b0 b1 ……bn 

    a= a0 a1 ……an 

    关于软件仿真实验内容,建议在完成大量仿真例子的基础上,选择能够体现实验要求的4个例子进行记录,系统函数只要记录系统的阶数。


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    14356484f68cad41e9761d92b3da512f.png

    滤波器(Filter)可以对特定信号频率以外的频率进行有效滤除。按照所处理信号的不同分为:模拟滤波器和数字滤波器。按照所通过信号频率的不同分为:

    低通滤波器-允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频分量或干扰和噪声;

    高通滤波器-允许信号中的高频分量通过,抑制低频或直流分量;

    带通滤波器-允许一定频段的信号通过,抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声;

    带阻滤波器-抑制一定频段内的信号,允许该频段以外的信号通过。

    下图是小派曾经遇到的一款非常迷你的滤波器。

    537ddeaae17935c58daa8de1e473a62e.png

    数字滤波器在电子通信、图像处理、军事航天等领域有着十分广泛的应用,今天着重介绍数字滤波器。其中FIR滤波器为有限脉冲响应(Finite Impulse Response)数字滤波器。在信号进入FIR滤波器之前,要将信号通过A/D器件进行模数转换,使模拟信号(Analog Signal)变为数字信号(Digital Signal)。为使信号处理不失真,一般还要把采样频率设置为信号频率上限的4-5倍。

    下面使用MATLAB模拟设计FIR低通数字滤波器。例如:某信号频率为20kHz,噪声频率为35kHz,采样频率为100kHz(采样频率是信号频率的4-5倍)。然后设计一个带通衰减1dB,带阻衰减100dB,带通频率20kHz,带阻频率35kHz的FIR低通数字滤波器。

    首先,启动MATLAB,新建脚本,输入如下代码,使信号频率20kHz,噪声频率35kHz,采样频率100kHz的数字信号图形化显示。

    a971369c4365004e7b4113ab3e7cd702.png

    0f295c832b77bd9a2d5af12c2a7fc134.png

    其中黑线为含有噪声的原始信号,红线为想要通过的有用低频信号。

    第二,在MATLAB命令行窗口中输入fdatool,启动滤波器设计和分析工具。进入滤波器设计和分析工具(Filter Design & Analysis Tool)界面后:1.在Respone Type中选择低通滤波器(Lowpass);2.在Design Method中选择FIR Equiripple等波纹FIR滤波器;3.在Filter Order中选择最小滤波器阶次Minimum Order;4.在Options中设置Desity Factor为20(默认值);5.在Frequency Specification中设置Units为kHz,采样频率Fs=100kHz,带通频率Fpass=20kHz, 带阻频率Fstop=35kHz;6.在Magnitude Specification中指定带通衰减Apass=1dB,带阻衰减Astop=100dB。

    c0da43a6b9855760a3e7c6d1c5c965da.png

    第三,点击Design Filter,即完成了FIR低通数字滤波器的设计,可以看到该低通数字滤波器允许频率20kHz信号通过,阻止频率35kHz以上的信号通过。

    af7a4876b57c76df4c5f17fda7de60e2.png

    第四,点击File-->Generate MATLAB Code-->Filter Design Function,将该FIR低通数字滤波器保存为函数代码,可以命名为FIR_Lowpass.m。

    0ac8c37a9a5a6cf15f0096336e5a6a0d.png

    第五,在第一步脚本文件中接着输入以下代码,调用该FIR低通数字滤波器函数,并图形化显示低通滤波后的信号图形。

    de1a97f9c93fe3863b2d627d70e94c35.png

    2e51b20aaf92c33e6ed8f3a65e967f25.png

    可以看到,经过FIR低通数字滤波器后,35kHz的噪声信号被滤除,得到了20kHz的有用信号。

    以上就完成了MATLAB模拟设计FIR低通数字滤波器的工作。高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器可以参照此方法进行模拟设计。

    91eb607659ca30930315f37f5bcba990.png

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  • MATLAB中滤波器设计

    2011-04-20 12:38:08
    MATLAB中滤波器设计滤波器设计概述
  • Matlab中自带工具箱FDATool也能很方便快速的实现滤波器系数h的整定,可以方便应用到嵌入式(大多数基于FIR滤波设计)、FPGA、DSP里的FIR系数当中,本文将描述基于MATLAB下FDATool生成FIR的实用方法。FDATool打开,...

    Matlab中自带工具箱FDATool也能很方便快速的实现滤波器系数h的整定,可以方便应用到嵌入式(大多数基于FIR滤波设计)、FPGA、DSP里的FIR系数当中,本文将描述基于MATLAB下FDATool生成FIR的实用方法。

    FDATool打开,可以直接在命令窗口键入fdatool回车即可启动,也可以通过UI界面打开,操作如下:

    fc2b3042bf75aeba4b6623660ec235d9.png
    UI界面下打开 FDATool

    这里通过图解快速进行一个FIR设计一个低通滤波器,

    1. 滤波类型(Filter Type)= Lowpass

    2. 采样率(Fs) = 1000HZ

    3. 滤波阶数(order) = 16(阶数越大,滤波品质越好,但相对滞后越大)

    4. 密度因子( Density Factor)= order+1 = 17

    5. Fpass(通频带)= 95HZ

    6. Fstop(截止带)= 105HZ

    7. Wpass(通频带宽增益期望)= 1DB

    8. Wstop(截止带宽增益期望)= -40DB

    具体FDA设计图:

    7cbe73fe5b33013824d72aa45a85b2f0.png
    FDA设计FIR滤波器

    生成FIR系数,笔者建议,直接生成ASCII复制出来放到需要运行的工程。File→Export然后保存ASCII格式,这时候MATLAB将会自动打开该文件(也可以通过记事本打开)。

    8750d8cc501d044ea584e9120e8c7eb5.png
    FIR系数保存成ACSII格式

    85adfb9aa90304765c600f8314eb6d42.png
    FIR系数内容,取Numberator部分

    最后,用该系数进行FIR滤波处理,详见代码(强烈建议将FIR的h系数拷贝到工程里面):

    clear all
    clc
    
    %FIR h 1000HZ lopass Fpass = 95HZ  Fstop = 105HZ
    h = [0.013645230215860393307991671463241800666
        0.020864467885159766052938223879209544975
        0.033805656970854927600989014990773284808
        0.048945673554616375700021535521955229342
        0.064942719858356201534377305506495758891
        0.080076064347642750274047784841968677938
        0.092538395154703717571109677919594105333
        0.100751060201654682457750311641575535759
        0.103616541625144178984108123131591128185
        0.100751060201654682457750311641575535759
        0.092538395154703717571109677919594105333
        0.080076064347642750274047784841968677938
        0.064942719858356201534377305506495758891
        0.048945673554616375700021535521955229342
        0.033805656970854927600989014990773284808
        0.020864467885159766052938223879209544975
        0.013645230215860393307991671463241800666];
    
    Fs = 1000;            % Sampling frequency HZ                   
    T = 1/Fs;             % Sampling period  S     
    N = 2000;             % Number of signal 
    t = (0:N-1)*T;        % Time vector
    
    %构造一个信号,其中包含幅值为 0.7 的 50 Hz 正弦量和幅值为 1 的 120 Hz 正弦量
    y1 = 0.7*sin(2*pi*50*t) + sin(2*pi*120*t);
    %利用h系数进行FIR滤波
    y2 = filter(h',1,y1);
    
    %波形快速傅里叶运算
    Y1 = fft(y1);
    Y2 = fft(y2);
    
    %计算双侧频谱P2
    P1_2 = abs(Y1/N);
    %取出前面一半进行分析
    P1_1 = P1_2(1:N/2+1);
    %最终转化为单侧幅频
    P1_1(2:end-1) = 2*P1_1(2:end-1);
    
    %计算双侧频谱P2
    P2_2 = abs(Y2/N);
    %取出前面一半进行分析
    P2_1 = P2_2(1:N/2+1);
    %最终转化为单侧幅频
    P2_1(2:end-1) = 2*P2_1(2:end-1);
    
    %确定频域映射,转化为HZ
    f = Fs*(0:(N/2))/N;
    
    subplot(4,1,1);
    plot(t,y1);
    title('原始信号0.7幅值50HZ,1幅值120HZ')
    subplot(4,1,2);
    plot(f,P1_1);
    title('原始信号FFT分析')
    subplot(4,1,3);
    plot(t,y2);
    title('FIR滤波后波形')
    subplot(4,1,4);
    plot(f,P2_1);
    title('FIR滤波后FFT')

    1cace4ad5731170caf6f5548c050037d.png
    FIR数据滤波后图形演示
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    万次阅读 多人点赞 2019-11-16 00:54:00
    [Matlab]FIR滤波器设计:(基本窗函数FIR滤波器设计) ​ IIR滤波器主要设计方法先设计一个模拟低通滤波器,然后把它转化为形式上的数字滤波器。但对于FIR滤波器来说,设计方法的关键要求之一就是保证线性相位条件。而...
  • MATLAB在数字滤波器设计教学的应用研究
  • Matlab中设计梳状滤波器

    千次阅读 2020-02-10 14:48:48
    梳状滤波器之所以被...MATLAB中有专门梳状滤波器函数,编程很方便。这里根据自己解读过程整理一下,供大家参考。 一、梳状滤波器函数 1,[b, a] = iirnotch(Wo, BW, Ab) Wo:要清除频率; BW:带宽; Ab...
  • 姓名 XXX 学号 XX 专业 XXXXXX 课程设计题目 基于MATLAB设计巴特沃斯低通滤波器 指导教师 XX 主要内容: 本文重点研究怎样通过MATLAB来模拟出巴特沃斯低通滤波器讨论巴特沃斯低通滤波器在实际的一些应用提出了...
  • 毕 业 设 计 任 务 书 设计题目基于 MATLAB 的 IIR 数字滤波器设计 专 业 通信工程 班级学号 姓 名 指导...1通过毕业设计把自己在大学所学的知识应用到实践当中 2 深入了解利用 Matlab 设计 FIR 数字滤波器的基本方法
  • 文档 通信系统仿真课程设计任务书 院系电气信息工程学院 XXX 学号 XX 专业 XXXXXX 课程设计题目 基于 MATLAB 设计巴特沃斯低通滤波器 指导教师 XX 主要容 : 本文重点研究怎样通过 MATLAB 来模拟出巴特沃斯低通滤波器...
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