Digital Filter Design ブロックの使用

Digital Filter Design ブロックの概要

Digital Filter Design ブロックを使用して、デジタルフィルターの設計と実装を行うことができます。設計するフィルターは、単一チャネル信号またはマルチチャネル信号をフィルター処理できます。Digital Filter Design ブロックは、パーソナルコンピューターや DSP チップといった浮動小数点システムのフィルターについて数値的な動作をシミュレートするのに最適です。Simulink^® Coder™ 製品を使用して、フィルターブロックから C コードを生成できます。

フィルターの設計と解析

フィルターの設計と解析はフィルターデザイナーアプリ内ですべて行うことができます。アプリは、Digital Filter Design ブロックをダブルクリックすると開きます。フィルターデザイナーでは、幅広いフィルター設計パラメーターと解析ツール (極-零点プロットやインパルス応答プロットなど) を利用できます。

フィルターの実装

フィルターデザイナーでのフィルターの設計が完了すると、指定したフィルター構造のフィルターがブロックによって自動的に実現されます。その後、このブロックを使用してモデル内で信号をフィルター処理できます。また、シミュレーション中にフィルター仕様パラメーターを変更してフィルターを微調整することもできます。同じ入力を渡した場合、Digital Filter Design ブロックの出力は、このブロックと同等な System object™ フィルターの出力と数値的に一致します。

フィルターの保存、エクスポート、インポート

Digital Filter Design ブロックでは、設計したフィルターを保存したり、MATLAB^® ワークスペースや MAT ファイルなどにフィルターをエクスポートしたり、他で設計したフィルターをインポートしたりできます。

フィルター設計を保存する方法については、フィルター設計セッションを保存する/開くを参照してください。フィルター設計をインポート/エクスポートする方法については、量子化されたフィルターのインポートとエクスポートを参照してください。

メモ

Digital Filter Design ブロックを使用して、フィルターの作成と実装を行うことができます。設計済みのフィルターを実装するには、Discrete FIR Filter ブロックまたは Biquad Filter ブロックを使用します。どちらの手法も同じ方法でフィルター設計が実装されます。また、どちらの手法も、シミュレーション時およびコード生成時の動作は同じです。

詳細については、Digital Filter Design ブロックのリファレンスページを参照してください。Digital Filter Design ブロックと Filter Realization Wizard の選択については、フィルター設計ブロックの選択を参照してください。

フィルター設計ブロックの選択

この節では、Digital Filter Design ブロックと Filter Realization Wizard ブロックの類似点と相違点について説明します。

類似点

Digital Filter Design ブロックと Filter Realization Wizard は、以下の点が似ています。

フィルターの設計と解析のオプション — どちらのブロックも、フィルターデザイナーアプリを使用してフィルターの設計と解析を行います。
出力値 — ブロックの出力が、倍精度浮動小数点、単精度浮動小数点、固定小数点である場合、同じ入力を渡したときの出力は、どちらのブロックも等価な System object の出力値と同じになります。

相違点

Digital Filter Design ブロックと Filter Realization Wizard は、以下の点が異なります。

サポートされているフィルター構造 — どちらのブロックも、両者に共通する数多くの基本的なフィルター構造をサポートしていますが、Filter Realization Wizard のほうが、Digital Filter Design ブロックよりも多くの構造をサポートしています。これは、このブロックが Sum、Gain、および Delay のブロックを使用してフィルターを実装できるためです。サポートされているすべての構造のリストについては、Filter Realization Wizard およびDSP System Toolbox ソフトウェアとフィルターデザイナーの使用を参照してください。
データ型のサポート — Filter Realization Wizard ブロックは、すべてのフィルター構造で単精度浮動小数点および倍精度浮動小数点による計算をサポートしており、一部のフィルター構造で固定小数点による計算をサポートしています。Digital Filter Design ブロックは、単精度浮動小数点および倍精度浮動小数点による計算のみサポートしています。
ブロックとウィザードの違い — Digital Filter Design ブロックは、それ自体がフィルターですが、Filter Realization Wizard ブロックは、あくまで、新たにフィルターを作成して既存のモデルに組み込むための手段を提供するものです。つまり、Filter Realization Wizard はモデル内でデータを処理するブロックではなく、モデル内でデータを処理するフィルターブロック (またはサブシステム) を生成するためのウィザードです。

各ブロックを使用する状況

以下に、Digital Filter Design ブロックまたは Filter Realization Wizard のいずれかに特有の状況を示します。

Digital Filter Design
- 単精度浮動小数点および倍精度浮動小数点のフィルターをシミュレートする目的での使用
- 組み込みシステム用に浮動小数点フィルターを実装する高度に最適化された ANSI^® C コードを生成する目的での使用
Filter Realization Wizard
- DSP チップ、フィールドプログラマブルゲートアレイ (FPGA)、特定用途向け集積回路 (ASIC) における固定小数点フィルターの数値的な動作をシミュレートする目的での使用
- Digital Filter Design ブロックでサポートされていない構造をもつ単精度浮動小数点および倍精度浮動小数点のフィルターをシミュレートする目的での使用
- フィルター構造を可視化する目的での使用 (ブロックは、Sum、Gain、Delay ブロックを使用してフィルターを作成できる)
- 複数のフィルターブロックを素早く生成する目的での使用

詳細については、Using Filter Realization Wizard および Filter Realization Wizard ブロックのリファレンスページを参照してください。

Simulink でのローパスフィルターの作成

Digital Filter Design ブロックを使用して、デジタル FIR または IIR フィルターの作成と実装を行うことができます。このトピックでは、これを使用して FIR ローパスフィルターを作成します。

Simulink を開き、新しいモデルファイルを作成します。
DSP System Toolbox™ の Filtering ライブラリから Digital Filter Design ブロックをモデルにクリックアンドドラッグします。
Digital Filter Design ブロックをダブルクリックします。
フィルターデザイナーアプリが開きます。
パラメーターを以下のように設定し、[OK] をクリックします。
- 応答タイプ = ローパス
- 設計法 = FIR、等リップル
- フィルター次数 = 最小次数
- 単位 = 正規化 (0-1)
- wpass = 0.2
- wstop = 0.5
アプリの下部にある [フィルター設計] をクリックし、フィルターを設計します。
これで、Digital Filter Design ブロックが、指定したパラメーターをもつフィルターを表すようになります。
[編集] メニューから、[構造の変換] を選択します。
[構造の変換] ダイアログボックスが開きます。
[直接型 FIR 転置] を選択し、[OK] をクリックします。
ブロックの名前を Digital Filter Design - Lowpass に変更します。

これで、Digital Filter Design ブロックが、直接型 FIR 転置構造をもつローパスフィルターを表すようになります。このフィルターは、[wpass] と [wstop] のパラメーターの定義に従って、ナイキスト周波数 (サンプリング周波数の半分) の 20% 以下のすべての周波数を通過させ、ナイキスト周波数の 50% 以上の周波数を阻止します。次のトピックSimulink でのハイパスフィルターの作成では、Digital Filter Design ブロックを使用してハイパスフィルターを作成します。設計済みのフィルターの実装に関する詳細については、Digital Filter Implementationsを参照してください。

Simulink でのハイパスフィルターの作成

この例では次を使用します。

モデルを開く

このトピックでは、Digital Filter Design ブロックを使用してハイパスフィルターを作成します。

Simulink でのローパスフィルターの作成で作成したモデルがデスクトップ上に開いていない場合は、同等のモデル ex_filter_ex4 を開きます。

DSP System Toolbox の Filtering ライブラリから 2 つ目の Digital Filter Design ブロックをモデルにクリックアンドドラッグします。

Digital Filter Design ブロックをダブルクリックします。フィルターデザイナーアプリが開きます。

パラメーターを以下のように設定します。

応答タイプ = Highpass
設計法 = FIR、Equiripple
フィルター次数 = Minimum order
単位 = Normalized (0 to 1)
wstop = 0.2
wpass = 0.5

アプリの下部にある [フィルター設計] ボタンをクリックし、フィルターを設計します。これで、Digital Filter Design ブロックが、指定したパラメーターをもつフィルターを表すようになります。

[編集] メニューで、[構造の変換] を選択します。[構造の変換] ダイアログボックスが開きます。

[直接型 FIR 転置] を選択し、[OK] をクリックします。ブロックの名前を Digital Filter Design - Highpass に変更します。

このブロックによって、直接型 FIR 転置構造をもつハイパスフィルターが実装されます。このフィルターは、[wpass] と [wstop] のパラメーターの定義に従って、ナイキスト周波数 (サンプリング周波数の半分) の 50% 以上のすべての周波数を通過させ、ナイキスト周波数の 20% 以下の周波数を阻止します。このハイパスフィルターは、Simulink でのローパスフィルターの作成で説明したローパスフィルターとは逆になっています。ハイパスフィルターでは、ローパスフィルターで阻止される周波数が通過し、ローパスフィルターで通過する周波数が阻止されます。次のトピックSimulink における高周波ノイズのフィルター処理では、これらのDigital Filter Designブロックを使用して、信号から高周波ノイズを除去する機能をもつモデルを作成します。設計済みのフィルターの実装に関する詳細については、Digital Filter Implementationsを参照してください。

Simulink における高周波ノイズのフィルター処理

この例では次を使用します。

モデルを開く

前のトピックでは、Digital Filter Design ブロックを使用して FIR ローパス/ハイパスフィルターを作成しました。このトピックでは、これらのブロックを使用して、信号から高周波ノイズを除去するモデルを作成します。このモデルでは、一様な乱数信号で励起されるハイパスフィルターを使用して高周波ノイズを生成します。このノイズを正弦波に追加した後、ローパスフィルターを使用して高周波ノイズを除去します。

Simulink でのハイパスフィルターの作成で作成したモデルがデスクトップ上に開いていない場合は、同等のモデル ex_filter_ex5 を開きます。

以下のブロックをモデルにクリックアンドドラッグします。

Simulink Math Operations ライブラリのAdd (Simulink)ブロック
Sources ライブラリのRandom Sourceブロック
Sources ライブラリのSine Waveブロック
Sinks ライブラリのTime Scopeブロック

次の表に示すように、これらのブロックのパラメーターを設定します。表に記載されていないパラメーターは、既定の設定のままにします。

Add ブロック:

アイコン形状 = rectangular
符号リスト = ++

Random Source ブロック:

ソースタイプ = Uniform
最小値 = 0
最大値 = 4
サンプルモード = Discrete
サンプル時間 = 1/1000
フレームあたりのサンプル数 = 50

Sine Wave ブロック:

周波数 (Hz) = 75
サンプル時間 = 1/1000
フレームあたりのサンプル数 = 50

Time Scope ブロック:

[ファイル]、[入力端子の数]、[3]
[ビュー]、[コンフィギュレーションプロパティ]。[時間] タブを開き、[時間範囲] を One frame period に設定する

ブロックを次の図のように接続します。場合によっては、このタスクを実行するためにブロックのサイズを変更する必要があります。

[モデル化] タブの [モデル設定] をクリックします。[コンフィギュレーションパラメーター] ダイアログボックスが開きます。

[ソルバー] ペインでパラメーターを以下のように設定し、[OK] をクリックします。

開始時間 = 0
終了時間 = 5
タイプ = Fixed-step
ソルバー = Discrete (no continuous states)

[シミュレーション] タブで [実行] を選択します。モデルのシミュレーションが開始され、3 つの入力信号がスコープに表示されます。

シミュレーションが完了したら、Time Scope のメニューから [ビュー]、[凡例] を選択します。Time Scope ウィンドウに凡例が表示されます。Scope 表示の任意の場所に、これをクリックアンドドラッグできます。チャネルの名前を変更するには、凡例の内側をダブルクリックし、既定のチャネル名を以下のように置き換えます。

Add = Noisy Sine Wave
Digital Filter Design - Lowpass = Filtered Noisy Sine Wave
Sine Wave = Original Sine Wave

次の手順で、各チャネルの色、スタイル、およびマーカーを設定します。

Time Scope ウィンドウで [ビュー]、[スタイル] を選択し、以下のように設定します。

Noisy Sine Wave

ライン: -
マーカー: なし
色: 黒

Filtered Noisy Sine Wave

ライン: -
マーカー: 菱形
色: 赤

Original Sine Wave

ライン: なし
マーカー: *
色: 青

Time Scope には以下のように表示されるはずです。

ローパスフィルターによって、ノイズを含む正弦波の高周波ノイズが除去されているのがわかります。

これで、Digital Filter Design ブロックを使用して信号から高周波ノイズを除去するモデルが作成されました。これらのブロックの詳細については、Digital Filter Designブロックのリファレンスページを参照してください。フィルターの設計と実装が可能なその他のブロックについては、Using Filter Realization Wizardを参照してください。フィルター設計を保存する方法については、フィルター設計セッションを保存する/開くを参照してください。フィルター設計をインポート/エクスポートする方法については、量子化されたフィルターのインポートとエクスポートを参照してください。