基于MATLAB的图形化信号处理工具的FIR数字滤波器设计

2015-03-17董雷

通信电源技术 2015年3期

董雷

（华中师范大学物理科学与技术学院，湖北武汉430079）

随着对信号处理要求的提高，数字滤波器作为一种离散的LIT系统，与模拟滤波相比，具有更高的效率和精度，而且稳定度强，灵活性也更大。

MATLAB是以矩阵运算为基础的一款软件，具有强大的运算功能，集计算、编程、可视化操作于一体，是数字信号处理研究的有力工具，其中MATLAB的数字信号处理工具箱中自带的图形化信号处理设计工具-SPTOOL包含四个GUI工具：信号浏览器、滤波器设计器、滤波器浏览器和频谱浏览器，为数字信号处理的设计过程提供了更加方便有效的途径。运用sptool的交互式滤波器设计界面设计数字滤波器，不仅避免了传统数字滤波器设计过程中繁冗复杂的运算，而且显得更加直观。形化信号处理界面，如图1所示。

图1 sptool界面

1 FIR数字滤波器的设计

（1）确定滤波器指标

在实际应用中滤波器的设计常常是基于用户的要求而进行，即由用户提出指标要求。这里给出一个滤波器指标：用凯泽窗设计通带截止频率分别为1 000 Hz和2 000 Hz，阻带截止频率分别为4 000 Hz和5 000 Hz，峰值通带波纹为1 dB，最小阻带衰减为60 dB的带通滤波器，抽样频率为48 000 Hz。

（2）设计滤波器

在MATLAB的命令行窗口中输入sptool打开图

单击列表框Filters下的New按钮，打开滤波器设计器，在弹出的滤波器设计界面中根据给定的指标输入相应的参数，然后点击Design Filters，得到滤波器幅频响应如图2。设计完成后保存为bandpass.fda的文件。在设计完成后图1所示界面的filters列表会出现filter1。在simulink仿真环境下，设计保存好的滤波器文件 .fda，可以直接导入到Digital Filter Design模块中去应用。

2 FIR数字滤波器的性能验证

（1）导入测试信号

以信号 y＝sin（2000πt）＋sin（6000πt）＋sin（10000πt）作为输入信号去测试滤波器，在命令行窗口中输入如下程序：

图2 滤波器设计界面

fs＝48000；

t＝（0：1000）／fs；

y＝sin（2*pi*1000*t）＋sin（2*pi*3000*t）＋sin（2*pi*5000*t）；

信号y和抽样频率fs被存入工作空间。

点击图1所示界面file菜单下的import选项将fs和y导入到signal列表中，如图3所示。导入完成后sig1就出现在signals列表中。

图3 导入测试信号

选中sig1，点击下方的view按钮，打开信号浏览器，观察测试信号的时域图，如图4所示。

图4 测试信号的时域图

（2）信号滤波处理及结果分析

选中sig2，点击下方的view按钮，观察滤波输出信号的时域图，如图5所示。与图4对比明显可以看出波形发生变化。

图5 滤波后信号时域图

选中sig1，点击spectra列表下的creat，生成sig1的频谱图默认名为spect1，选中sig2，点击spectra列表下的creat，生成sig2的频谱图默认名为spect2，可分别选中spect1和spect2，点击下面的view按钮，打开频谱浏览器，观察两个信号的频谱。也可同时选中spect1和spect2，对比观察滤波前后信号的频谱，如图6所示。可以看出滤波之前，能量集中1 000Hz，3 000 Hz，5 000 Hz，滤波之后主要集中在3 000 Hz，而1 000 Hz和5 000 Hz的频谱分量被滤波器滤掉，滤波器设计基本满足要求。