基于Matlab GUI的模擬帶通濾波器的設計

0 引 言

模擬帶通濾波器在信號的檢測和傳輸過(guò)程中起著(zhù)很重要的作用，但在傳統模擬帶通濾波器的設計過(guò)程中需要大量繁瑣的數值計算，如果手工計算則費時(shí)費力。也有許多公司開(kāi)發(fā)了相關(guān)的濾波器設計軟件，如AnsoftDesigner，Filterlab等，但是它們大多數使用起來(lái)不容易上手，而且價(jià)格比較昂貴。Matlab中的圖形界面編程環(huán)境GUIDE為用戶(hù)開(kāi)發(fā)軟件界面提供了強有力的工具。在圖形界面編程環(huán)境GUIDE下，設計好濾波器的設計工具界面后，對界面上各個(gè)控件的回調函數進(jìn)行編寫(xiě)就能設計出交互式濾波器的分析設計軟件。

本文在Matlab GUI基礎上設計了針對Chebyshev型模擬帶通濾波器的設計分析軟件。用戶(hù)在使用時(shí)只需輸入要設計的濾波器設計指標值，選擇要設計的濾波器類(lèi)型，即可在分析濾波器特性時(shí)只需選擇相應菜單就能得出對應的特性。該工具解決了用戶(hù)在設計Chebyshev型模擬帶通濾波器時(shí)大量繁瑣的數值計算，不僅可以作為研究設計Chebyshev型模擬帶通濾波器的輔助工具，還可以作為設計濾波器等相關(guān)課程的輔助教學(xué)軟件。

1 模擬帶通濾波器的設計理論

目前，模擬高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器的設計方法都是先將要設計的濾波器技術(shù)指標通過(guò)某種頻率轉換關(guān)系轉換成模擬低通濾波器的技術(shù)指標，并依據這些技術(shù)指標設計出低通濾波器的轉移函數，然后再依據頻率轉換關(guān)系變成所要設計的濾波器的轉移函數。工程實(shí)際中，設計高通、帶通、帶阻濾波器的常用方法是借助低通原型濾波器，經(jīng)頻率變換和元件變換得到。

對于模擬帶通濾波器的設計，首先是將要設計的模擬帶通濾波器的技術(shù)指標通過(guò)頻率變換關(guān)系，轉換成模擬低通濾波器的技術(shù)指標，其次根據這些技術(shù)指標設計出低通切比雪夫濾波器轉移函數，最后再依據頻率轉換關(guān)系變成模擬低通切比雪夫濾波器，其具體設計流程如圖1所示。

2 Matlab GUI設計工具簡(jiǎn)介

在Matlab中，圖形用戶(hù)界面(graphical user interface，GUI)是Matlab中一個(gè)專(zhuān)用于GUI程序設計的向導設計器，而GUI是由各種圖形對象，如圖形窗口、圖軸、菜單、按鈕、文本框等構建的用戶(hù)界面，是人機交互的有效工具和方法。通過(guò)GUIDE可以很方便地設計出各種符合要求的圖形用戶(hù)界面。用戶(hù)通過(guò)一定的方法(如鼠標或鍵盤(pán))選擇、激活這些圖形對象，使計算機產(chǎn)生某種動(dòng)作或變化，比如實(shí)現計算、繪圖等。GUI設計既能以基本的Matlab程序設計為主，也能以鼠標為主，利用GUIDE工具進(jìn)行設計，也可綜合以上兩種方法進(jìn)行設計。GUIDE主要是一個(gè)界面設計工具集。Matlab將所有GUl支持的用戶(hù)控件都集成在這個(gè)環(huán)境中并提供界面外觀(guān)、屬性和行為相應方式的設置方法。GUIDE將用戶(hù)保存設計好的圖形用戶(hù)界面保存在一個(gè)FIG資源文件中，同時(shí)自動(dòng)生成包含圖形用戶(hù)界面初始化和組件界面布局控制代碼的M文件，這個(gè)M文件為實(shí)現回調函數的編寫(xiě)提供了一個(gè)參考框架。FIG文件是一個(gè)二進(jìn)制文件，包含系列化的圖形窗口對象。所有對象的屬性都是用戶(hù)創(chuàng )建圖形窗口時(shí)保存的屬性。該文件最主要的功能是對象句柄的保存。M文件包含GUI設計、控制函數及控件的回調函數，主要用來(lái)控制GUI展開(kāi)時(shí)的各種特征。該文件基本上可以分為GUI初始化和回調函數2個(gè)部分，控件的回調函數可根據用戶(hù)與GUI的具體交互行為分別調用。

3 軟件界面設計

在軟件設計時(shí)，通過(guò)文本編輯框控件來(lái)接收用戶(hù)輸入的濾波器設計指標值，考慮到分析濾波器時(shí)輸出的參數較多，如果用一一對應的文本框來(lái)接收輸出的參數值，則使軟件界面在設計中難以布局，并影響了界面的美觀(guān)，所以只用一個(gè)文本編輯框控件來(lái)實(shí)現多個(gè)參數的輸出。在濾波器類(lèi)型選擇控件方面，因為只用2種濾波器來(lái)進(jìn)行選擇設計，所以使用兩個(gè)單選按鈕，以實(shí)現濾波器類(lèi)型的選擇；在濾波器特性曲線(xiàn)分析和參數計算方面，利用圖形界面設計工具GUIDE提供的菜單編輯器來(lái)設計出分析、計算菜單，并加入相應的功能子菜單。繪制輸出濾波器的特性曲線(xiàn)時(shí)使用一個(gè)坐標軸來(lái)實(shí)現各個(gè)特性曲線(xiàn)的繪制，這樣可以使軟件界面簡(jiǎn)潔明了。最后對參數輸入和參數輸出區進(jìn)行功能區域劃分，利用控件工具箱中的框架按鈕，將參數的輸入與輸出區劃分，利用控件工具箱中文本標簽對上面相應控件的功能命名。將設計好的界面文件保存運行，就可以看到軟件在運行時(shí)顯示出的實(shí)際效果。設計的界面如圖2所示，設計出的軟件界面由4個(gè)部分組成：菜單欄、參數輸入區、參數輸出區、繪圖區。

其中，設計的分析菜單包括濾波器的幅頻特性、相頻特性、階躍響應、脈沖相應和零極點(diǎn)子菜單，計算菜單包括階數、零點(diǎn)、極點(diǎn)、增益、轉移函數(分子)和轉移函數(分母)子菜單。