フィルター設計
説明
[フィルター設計] を使用すると、デジタル フィルターを対話的に設計することができます。このタスクは、digitalFilter オブジェクトを使用してフィルターを設計するための MATLAB® コードを自動的に生成します。DSP System Toolbox™ がインストールされている場合、タスクは dsp.FIRFilter (DSP System Toolbox) オブジェクトおよび dsp.SOSFilter (DSP System Toolbox) オブジェクトを使用してフィルターを設計および実装する MATLAB コードを生成できます。これらの System object はストリーミング信号をフィルター処理します。 (R2023b 以降)
最初に、フィルター応答を選択します。このタスクでは、フィルター応答のタイプに応じてフィルター パラメーターの指定が制御されます。指定できるフィルター パラメーターには次のものがあります。
サンプル レート
フィルター次数
周波数制約
振幅の制約
設計法
表示オプションのリストから選択して、生成されたフィルター応答と追加のフィルター情報を可視化します。フィルターの制約、設計法、設計法パラメーターの詳しい説明については、designfilt のドキュメンテーションを参照してください。
ライブ エディターのタスクの詳細については、ライブ スクリプトへの対話型タスクの追加を参照してください。
タスクを開く
[フィルター設計] タスクを MATLAB エディターのライブ スクリプトに追加するには、以下のようにします。
[ライブ エディター] タブで [タスク]、[フィルター設計] を選択します。
スクリプト内の任意のコード ブロックで、
designfilt、filter、lowpassなど、該当するキーワードを入力します。提示されるコマンド補完の候補から[フィルター設計]を選択します。
例
この例では、ライブ エディターで "フィルター設計" タスクを使用してデジタル フィルターのコードを生成する方法を説明します。このタスクを使用して、デジタル フィルターの対話的な設計、フィルター応答の表示、コードの生成を行うことができます。
信号の作成または読み込み
ライブ エディターで、ノイズを含んだ心電図 (ECG) 信号を MATLAB® ワークスペースに読み込みます。データをプロットします。
load noisyecg
plot(noisyECG_withTrend)
ノイズを含んだ ECG 信号が表示されます。信号に影響を与えるノイズの発生源はいくつかあり、たとえば、動きのアーティファクト、高周波数ノイズ、電源干渉などがあります。対話的にフィルターを設計してノイズを信号から除去します。[ライブ エディター] タブで [タスク] リストを展開し、Design Filter を選択してタスクを開きます。
ローパス FIR フィルターの設計
高周波数ノイズを除去するには、最初に [ローパス FIR] フィルターを選択し、[次数] に 20 を指定します。周波数、振幅、アルゴリズムのパラメーターに使用可能なオプションは、選択したフィルター応答タイプとフィルター次数によって異なります。
ローパス フィルターは、入力信号から、指定したしきい値を超える望ましくない周波数成分を除去します。[周波数パラメーターの指定] セクションで、[周波数制約] リストから Cutoff (6dB) frequency を選択します。サンプル レートがわかっている場合は、[周波数単位] リストから Hz を選択できます。[サンプル レート] オプションが表示されたら、ワークスペース内の変数からサンプル レートを選択できます。この例ではサンプル レートは不明であるため、正規化されたカットオフ周波数、0.5 ラジアン/サンプルを指定します。
FIR ローパス フィルターの場合は、[振幅パラメーターの指定] セクションで、通過帯域リップル量と阻止帯域の減衰量を制御する制約を指定できます。[振幅の制約] リストから Passband ripple and stopband attenuation を選択します。振幅の制約とフィルター次数は、フィルターの遷移幅にも影響する場合があります。
FIR constrained least-squares 設計法を選択します。アルゴリズムのオプションは既定の設定のままにします。
[フィルター応答の表示] セクションで Magnitude & phase と Group delay を選択して、設計したフィルター応答を可視化します。振幅プロットでは、阻止帯域の減衰量のレベルが 60 dB であることが確認できます。群遅延プロットは、10 サンプルの遅延と、フィルターが線形位相であることを示しています。
[コードの表示] セクションの下にある矢印をクリックして、設計したフィルターの生成コードを表示します。コマンド ライン上でコードのコピーや貼り付けを行うことで、フィルター設計仕様を手動で編集できます。
ノイズを含んだ ECG 信号に設計したフィルターを適用します。フィルターによって生じた遅延を考慮して結果をプロットします。
load designedFilter filteredECG = filter(designedFilter,noisyECG_withTrend); delay = grpdelay(designedFilter); mdelay = mean(delay); filteredECG(1:mdelay) = []; plot(noisyECG_withTrend(1:end-mdelay)) hold on plot(filteredECG) legend(["Original","Filtered"]) hold off
等リップル バンドストップ FIR フィルターの設計
心電図モニターのような医療機器は、電磁干渉の影響を受ける場合があります。電源は、一般的に 50 Hz または 60 Hz の周波数で動作します。この例では、MIT-BIH Arrhythmia Database [1]から取得された ECG 信号に 60 Hz の正弦波をノイズとして追加しています。サンプル レートは 360 Hz です。このノイズを除去するために、[フィルター設計] タスクを開き、最小次数バンドストップ FIR フィルターを設計します。既定のフィルター名を bandstop60Hz に変更します。
[周波数単位] に Hz を指定します。サンプル レートを指定するには、値を入力するか、リストからサンプル レート変数を選択します。サンプル レート変数をリストに表示するには、その変数をワークスペースに保存する必要があります。変数 fs を作成し、それが 360 Hz に等しくなるように設定します。その後で [サンプル レート] リストから fs を選択します。通過帯域と阻止帯域の周波数値を指定し、周波数を、60 Hz を中心とする 10 Hz ノッチ フィルターの 55 Hz から 65 Hz の範囲で減衰させます。
fs = 360;
[通過帯域リップル 2 (dB)] を 0.5 に設定し、[阻止帯域の減衰量 (dB)] を 80 に増やします。
このタスクは、既定で等リップル設計法を使用します。フィルターの振幅応答と位相応答を表示します。
[フィルター応答の表示] セクションから Filter information を選択して、設計したフィルターの詳細をさらに表示することもできます。
ecg60Hz をワークスペースに読み込みます。MAT ファイルには、ノイズが追加されている元の ECG 信号 (ecg60) と、フィルター処理された信号 (ecgFilt) が含まれます。両方の信号をプロットしてフィルター結果を可視化します。
load ecg60Hz t = 0:1/fs:(length(ecg60)-1)/fs; plot(t,[ecg60 ecgFilt]) legend(["Original";"Filtered"])
パラメーター
ヒント
タスク ウィンドウの右上隅にある [自動実行] チェックボックスをオンまたはオフにすることで、自動実行オプションを有効または無効にできます。自動実行を有効にすると、変更を加えたときに、タスクを含む現在のセクションが自動的に実行されます。
参照
[1] Moody, G.B., and R.G. Mark. "The Impact of the MIT-BIH Arrhythmia Database". IEEE Eng in Med and Biol 20(3):45-50 (May-June 2001): 45-50.
