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数字滤波器设计仿真管理论文
数字滤波器设计仿真管理论文 摘要：传统的数字滤波器的设计过程复杂，计算工作量大，滤波特性调整 困难，影响了它的应用。本文介绍了一种利用MATLAB信号处理工具箱 （SignalProcessingToolbox）快速有效的设计由软件组成的常规数字滤波器的设 计方法。给出了使用MATLAB语言进行程序设计和利用信号处理工具箱的 FDATool工具进行界面设计的详细步骤。利用MATLAB设计滤波器，可以随时对 比设计要求和滤波器特性调整参数，直观简便，极大的减轻了工作量，有利于滤 波器设计的最优化。本文还介绍了如何利用MATLAB环境下的仿真软件Simulink 对所设计的滤波器进行模拟仿真。关键词：数字滤波器MATLABFIRIIR 引言：
在电力系统微机保护和二次控制中，很多信号的处理与分析都是基于对正 弦基波和某些整次谐波的分析，而系统电压电流信号（尤其是故障瞬变过程）中 混有各种复杂成分，所以滤波器一直是电力系统二次装置的关键部件【1】。目 前微机保护和二次信号处理软件主要采用数字滤波器。传统的数字滤波器设计使 用繁琐的公式计算，改变参数后需要重新计算，在设计滤波器尤其是高阶滤波器 时工作量很大。利用MATLAB信号处理工具箱（SignalProcessingToolbox）可以 快速有效的实现数字滤波器的设计与仿真。
1数字滤波器及传统设计方法 数字滤波器可以理解为是一个计算程序或算法，将代表输入信号的数字时 间序列转化为代表输出信号的数字时间序列，并在转化过程中，使信号按预定的 形式变化。数字滤波器有多种分类，根据数字滤波器冲激响应的时域特征，可将 数字滤波器分为两种，即无限长冲激响应（IIR）滤波器和有限长冲激响应（FIR） 滤波器。
IIR数字滤波器具有无限宽的冲激响应，与模拟滤波器相匹配。所以IIR滤 波器的设计可以采取在模拟滤波器设计的基础上进一步变换的方法。FIR数字滤 波器的单位脉冲响应是有限长序列。它的设计问题实质上是确定能满足所要求的 转移序列或脉冲响应的常数问题，设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波 纹最佳逼近法等。在对滤波器实际设计时，整个过程的运算量是很大的。例如利用窗函数法 【2】设计M阶FIR低通滤波器时，首先要根据（1）式计算出理想低通滤波器的 单位冲激响应序列，然后根据（2）式计算出M个滤波器系数。当滤波器阶数比 较高时，计算量比较大，设计过程中改变参数或滤波器类型时都要重新计算。
设计完成后对已设计的滤波器的频率响应要进行校核，要得到幅频相频响 应特性，运算量也是很大的。我们平时所要设计的数字滤波器，阶数和类型并不 一定是完全给定的，很多时候都是要根据设计要求和滤波效果不断的调整，以达 到设计的最优化。在这种情况下，滤波器的设计就要进行大量复杂的运算，单纯 的靠公式计算和编制简单的程序很难在短时间内完成设计。利用MATLAB强大 的计算功能进行计算机辅助设计，可以快速有效的设计数字滤波器，大大的简化 了计算量，直观简便。
2数字滤波器的MATLAB设计 2.1FDATool界面设计 2.1.1FDATool的介绍 FDATool（FilterDesignAnalysisTool）是MATLAB信号处理工具箱里专用 的滤波器设计分析工具，MATLAB6.0以上的版本还专门增加了滤波器设计工具 箱（FilterDesignToolbox）。FDATool可以设计几乎所有的基本的常规滤波器， 包括FIR和IIR的各种设计方法。它操作简单，方便灵活。
FDATool界面总共分两大部分，一部分是DesignFilter，在界面的下半部， 用来设置滤波器的设计参数，另一部分则是特性区，在界面的上半部分，用来显 示滤波器的各种特性。DesignFilter部分主要分为：
FilterType（滤波器类型）选项，包括Lowpass（低通）、Highpass（高通）、 Bandpass（带通）、Bandstop（带阻）和特殊的FIR滤波器。
DesignMethod（设计方法）选项，包括IIR滤波器的Butterworth（巴特沃思） 法、ChebyshevTypeI（切比雪夫I型）法、ChebyshevTypeII（切比雪夫II型）法、 Elliptic（椭圆滤波器）法和FIR滤波器的Equiripple法、Least-Squares（最小乘方） 法、Window（窗函数）法。FilterOrder（滤波器阶数）选项，定义滤波器的阶数，包括SpecifyOrder （指定阶数）和MinimumOrder（最小阶数）。在SpecifyOrder中填入所要设计的 滤波器的阶数（N阶滤波器，SpecifyOrder＝N-1），如果选择MinimumOrder则 MATLAB根据所选择的滤波器类型自动使用最小阶数。
FrenquencySpecifications选项，可以详细定义频带的各参数，包括采样频 率Fs和频带的截止频率。它的具体选项由FilterType选项和DesignMethod选项决定， 例如Bandpass（带通）滤波器需要定义Fstop1（下阻带截止频率）、Fpass1（通 带下限截止频率）、Fpass2（通带上限截止频率）、Fstop2（上阻带截止频率）， 而Lowpass（低通）滤波器只需要定义Fstop1、Fpass1。采用窗函数设计滤波器时， 由于过渡带是由窗函数的类型和阶数所决定的，所以只需要定义通带截止频率， 而不必定义阻带参数。
MagnitudeSpecifications选项，可以定义幅值衰减的情况。例如设计带通滤 波器时，可以定义Wstop1（频率Fstop1处的幅值衰减）、Wpass（通带范围内的 幅值衰减）、Wstop2（频率Fstop2处的幅值衰减）。当采用窗函数设计时，通带 截止频率处的幅值衰减固定为6db，所以不必定义。
WindowSpecifications选项，当选取采用窗函数设计时，该选项可定义，它 包含了各种窗函数。
2.1.2带通滤波器设计实例 本文将以一个FIR滤波器的设计为例来说明如何使用MATLAB设计数字 滤波器：在小电流接地系统中注入83.3Hz的正弦信号，对其进行跟踪分析，要求 设计一带通数字滤波器，滤除工频及整次谐波，以便在非常复杂的信号中分离出 该注入信号。参数要求：96阶FIR数字滤波器，采样频率1000Hz，采用Hamming 窗函数设计。
本例中，首先在FilterType中选择Bandpass（带通滤波器）；
在DesignMethod 选项中选择FIRWindow（FIR滤波器窗函数法），接着在WindowSpecifications选 项中选取Hamming；
指定FilterOrder项中的SpecifyOrder＝95；
由于采用窗函数法 设计，只要给出通带下限截止频率Fc1和通带上限截止频率Fc2，选取Fc1＝70Hz， Fc2＝84Hz。设置完以后点击DesignFilter即可得到所设计的FIR滤波器。通过菜 单选项Analysis可以在特性区看到所设计滤波器的幅频响应、相频响应、零极点 配置和滤波器系数等各种特性。设计完成后将结果保存为1.fda文件。在设计过程中，可以对比滤波器幅频相频特性和设计要求，随时调整参数 和滤波器类型， 以便得到最佳效果。其它类型的FIR滤波器和IIR滤波器也都可以使用 FDATool来设计。
Fig.1MagnitudeResponseandPhaseResponseofthefilter 2.2程序设计法 在MATLAB中，对各种滤波器的设计都有相应的计算振幅响应的函数【3】， 可以用来做滤波器的程序设计。
上例的带通滤波器可以用程序设计：
c=95;％定义滤波器阶数96阶 w1=2*pi*fc1/fs;
w2=2*pi*fc2/fs;%参数转换，将模拟滤波器的技术指标转换为数字滤波器 的技术指标 window=hamming(c+1);%使用hamming窗函数 h=fir1(c,[w1/piw2/pi],window);％使用标准响应的加窗设计函数fir1 freqz(h,1,512);％数字滤波器频率响应 在MATLAB环境下运行该程序即可得到滤波器幅频相频响应曲线和滤波 器系数h。篇幅所限，这里不再将源程序详细列出。
3Simulink仿真 本文通过调用Simulink中的功能模块构成数字滤波器的仿真框图，在仿真 过程中，可以双击各功能模块，随时改变参数，获得不同状态下的仿真结果。例 如构造以基波为主的原始信号，，通过Simulink环境下的DigitalFilterDesign（数 字滤波器设计）模块导入2.1.2中FDATool所设计的滤波器文件1.fda。仿真图和滤 波效果图如图2所示。可以看到经过离散采样、数字滤波后分离出了83.3Hz的频率分量（scope1）。
之所以选取上面的叠加信号作为原始信号，是由于在实际工作中是要对已经经过 差分滤波的信号进一步做带通滤波，信号的各分量基本同一致，可以反映实际的 情况。本例设计的滤波器已在实际工作中应用，取得了不错的效果。
4结论 利用MATLAB的强大运算功能，基于MATLAB信号处理工具箱 （SignalProcessingToolbox）的数字滤波器设计法可以快速有效的设计由软件组 成的常规数字滤波器，设计方便、快捷，极大的减轻了工作量。在设计过程中可 以对比滤波器特性，随时更改参数，以达到滤波器设计的最优化。利用MATLAB 设计数字滤波器在电力系统二次信号处理软件和微机保护中，有着广泛的应用前 景。
