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程中起著很重要的作用，但在傳統(tǒng)模擬帶通濾波器的設計過程中需要大量繁瑣的數(shù)值計算，如果手工計算則費時費力。也有許多公司開發(fā)了相關的濾波器設計軟件，如AnsoftDesigner，F(xiàn)ilterlab等，但是它們大多數(shù)使用起來不容易上手，而且價格比較昂貴。Matlab中的圖形界面編程環(huán)境GUIDE為用戶開發(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，對界面上各個控件的回調函數(shù)進行編寫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。用戶在使用時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型，即可在分析濾波器特性時只需選擇相應菜單就能得出對應的特性。該工具解決了用戶在設計Chebyshev型模擬帶通濾波器時大量繁瑣的數(shù)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課程的輔助教學軟件。

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指標通過某種頻率轉換關系轉換成模擬低通濾波器的技術指標，并依據(jù)這些技術指標設計出低通濾波器的轉移函數(shù)，然后再依據(jù)頻率轉換關系變成所要設計的濾波器的轉移函數(shù)。工程實際中，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指標通過頻率變換關系，轉換成模擬低通濾波器的技術指標，其次根據(jù)這些技術指標設計出低通切比雪夫濾波器轉移函數(shù)，最后再依據(jù)頻率轉換關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設計工具簡介

在Matlab中，圖形用戶界面(graphical user interface，GUI)是Matlab中一個專用于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界面，是人機交互的有效工具和方法。通過GUIDE可以很方便地設計出各種符合要求的圖形用戶界面。用戶通過一定的方法(如鼠標或鍵盤)選擇、激活這些圖形對象，使計算機產(chǎn)生某種動作或變化，比如實現(xiàn)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工具進行設計，也可綜合以上兩種方法進行設計。GUIDE主要是一個界面設計工具集。Matlab將所有GUl支持的用戶控件都集成在這個環(huán)境中并提供界面外觀、屬性和行為相應方式的設置方法。GUIDE將用戶保存設計好的圖形用戶界面保存在一個FIG資源文件中，同時自動生成包含圖形用戶界面初始化和組件界面布局控制代碼的M文件，這個M文件為實現(xiàn)回調函數(shù)的編寫提供了一個參考框架。FIG文件是一個二進制文件，包含系列化的圖形窗口對象。所有對象的屬性都是用戶創(chuàng)建圖形窗口時保存的屬性。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(shù)及控件的回調函數(shù)，主要用來控制GUI展開時的各種特征。該文件基本上可以分為GUI初始化和回調函數(shù)2個部分，控件的回調函數(shù)可根據(jù)用戶與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，通過文本編輯框控件來接收用戶輸入的濾波器設計指標值，考慮到分析濾波器時輸出的參數(shù)較多，如果用一一對應的文本框來接收輸出的參數(shù)值，則使軟件界面在設計中難以布局，并影響了界面的美觀，所以只用一個文本編輯框控件來實現(xiàn)多個參數(shù)的輸出。在濾波器類型選擇控件方面，因為只用2種濾波器來進行選擇設計，所以使用兩個單選按鈕，以實現(xiàn)濾波器類型的選擇；在濾波器特性曲線分析和參數(shù)計算方面，利用圖形界面設計工具GUIDE提供的菜單編輯器來設計出分析、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時使用一個坐標軸來實現(xiàn)各個特性曲線的繪制，這樣可以使軟件界面簡潔明了。最后對參數(shù)輸入和參數(shù)輸出區(qū)進行功能區(qū)域劃分，利用控件工具箱中的框架按鈕，將參數(shù)的輸入與輸出區(qū)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顯示出的實際效果。設計的界面如圖2所示，設計出的軟件界面由4個部分組成：菜單欄、參數(shù)輸入?yún)^(qū)、參數(shù)輸出區(qū)、繪圖區(qū)。

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、脈沖相應和零極點子菜單，計算菜單包括階數(shù)、零點、極點、增益、轉移函數(shù)(分子)和轉移函數(shù)(分母)子菜單。