filtord

フィルター次数

構文

n = filtord(b,a)

n = filtord(B,A,"ctf")

n = filtord({B,A,g},"ctf")

n = filtord(d)

n = filtord(sos)

説明

n = filtord(b,a) は、指定されたデジタル フィルターのフィルター次数 n を返します。デジタル フィルターを、分子係数 b と分母係数 a をもつ因果性有理システム関数として指定します。

n = filtord(B,A,"ctf") は、分子係数 B と分母係数 A をもつCascaded Transfer Functions (CTF) として表されるデジタル フィルターのフィルター次数を返します。 (R2024b 以降)

n = filtord({B,A,g},"ctf") は、デジタル フィルターのフィルター次数を CTF 形式で返します。分子係数 B、分母係数 A、およびフィルター セクション全体のスケーリング値 g を使用してフィルターを指定します。 (R2024b 以降)

n = filtord(d) は、デジタル フィルター d のフィルター次数 n を返します。d は関数 designfilt を使用して生成します。

n = filtord(sos) では、2 次セクション行列 sos で指定されるフィルターに対するフィルター次数が返されます。sos は K 行 6 列の行列です。セクション数 K は 2 以上でなければなりません。sos の各行は 2 次フィルターの係数に対応しています。2 次セクション行列の i 行目は [bi(1) bi(2) bi(3) ai(1) ai(2) ai(3)] に対応しています。

例

FIR フィルターの次数の確認

ウィンドウ法を使用して、正規化されたカットオフ周波数が $$0.5\pi$$ ラジアン/サンプルの 20 次の FIR フィルターを設計します。フィルター次数を検証します。

b = fir1(20,0.5);
n = filtord(b)

n = 
20

designfilt を使用して同一のフィルターを設計し、その次数を確認します。

di = designfilt('lowpassfir','FilterOrder',20,'CutoffFrequency',0.5);
ni = filtord(di)

ni = 
20

カスケード伝達関数のフィルター次数

R2024b 以降

阻止帯域エッジ周波数が 0.4、阻止帯域の減衰量が 50 dB の 40 次ローパス チェビシェフ II 型デジタル フィルターを設計します。CTF 形式の係数を使用してフィルター次数を計算します。

[B,A] = cheby2(40,50,0.4,"ctf");

n1 = filtord(B,A,"ctf")

n1 = 
40

通過帯域エッジ周波数が 0.3 と 0.7、通過帯域リップルが 0.1 dB、阻止帯域の減衰量が 50 dB の 30 次バンドパス楕円デジタル フィルターを設計します。CTF 形式の係数とゲインを使用してフィルター次数を計算します。

[B,A,g] = ellip(30,0.1,50,[0.3 0.7],"ctf");
n2 = filtord({B,A,g},"ctf")

n2 = 
60

FIR 設計と IIR 設計の間における次数差の判別

FIR 等リップル フィルターと IIR バタワース フィルターを同じ仕様のセットから設計します。2 つの設計間のフィルター次数の差を求めます。

fir = designfilt("lowpassfir",DesignMethod="equiripple", ...
    SampleRate=1e3,PassbandFrequency=100,StopbandFrequency=120, ...
    PassbandRipple=0.5,StopbandAttenuation=60);
iir = designfilt("lowpassiir",DesignMethod="butter", ...
    SampleRate=1e3,PassbandFrequency=100,StopbandFrequency=120, ...
    PassbandRipple=0.5,StopbandAttenuation=60);
FIR = filtord(fir)

FIR = 
114

IIR = filtord(iir)

IIR = 
41

入力引数

b — 分子係数

ベクトル | スカラー

分子係数。スカラーまたはベクトルで指定します。フィルターが全極フィルターの場合、b はスカラーです。それ以外の場合、b は行ベクトルまたは列ベクトルです。

例: b = fir1(20,0.25)

データ型: single | double
複素数のサポート: あり

a — 分母係数

ベクトル | スカラー

分母係数。スカラーまたはベクトルで指定します。フィルターが FIR フィルターの場合、a はスカラーです。それ以外の場合、a は行ベクトルまたは列ベクトルです。

例: [b,a] = butter(20,0.25)

データ型: single | double
複素数のサポート: あり

B,A — カスケード伝達関数 (CTF) 係数

スカラー | ベクトル | 行列

R2024b 以降

カスケード伝達関数 (CTF) 係数。スカラー、ベクトル、または行列として指定します。B と A は、それぞれカスケード伝達関数の分子係数と分母係数をリストします。

B のサイズは L 行 (m + 1) 列、A のサイズは L 行 (n + 1) でなければなりません。ここで、

• L はフィルター セクションの数を表します。

• m はフィルターの分子の次数を表します。

• n はフィルターの分母の次数を表します。

カスケード伝達関数の形式と係数行列の詳細については、CTF 形式によるデジタル フィルターの指定を参照してください。

メモ

A(:,1) のいずれかの要素が 1 と等しくない場合、filtord はフィルター係数を A(:,1) で正規化します。この場合、A(:,1) はゼロ以外でなければなりません。

データ型: double | single
複素数のサポート: あり

g — スケール値

スカラー | ベクトル

R2024b 以降

スケール値。実数値のスカラー、または L + 1 個の要素をもつ実数値のベクトルとして指定します。ここで、L は CTF セクションの数です。スケール値は、カスケード フィルター表現のセクション全体にわたるフィルター ゲインの分布を表します。

filtord 関数は、g の指定方法に応じて、scaleFilterSections 関数を使用してフィルター セクションにゲインを適用します。

• スカラー — この関数は、すべてのフィルター セクションにわたってゲインを均一に配分します。

• ベクトル — この関数は、最初の L 個のゲイン値を対応するフィルター セクションに適用し、最後のゲイン値をすべてのフィルター セクションに均一に配分します。

データ型: double | single

d — デジタル フィルター

digitalFilter オブジェクト

デジタル フィルター。digitalFilter オブジェクトで指定します。デジタル フィルターを周波数応答仕様に基づいて生成するには、関数 designfilt を使用します。

例: d = designfilt('lowpassiir','FilterOrder',3,'HalfPowerFrequency',0.5) は、正規化された 3 dB の周波数 0.5π ラジアン/サンプルをもつ 3 次のバタワース フィルターを指定します。

sos — 2 次セクションの行列

行列

2 次セクションの行列。K 行 6 列の行列で指定します。K 番目の双二次フィルターのシステム関数は、次の有理 Z 変換で表されます。

$$H_k(z)=\frac{B_k(1)+B_k(2)z^{-1}+B_k(3)z^{-2}}{A_k(1)+A_k(2)z^{-1}+A_k(3)z^{-2}}.$$

行列 sos の K 行目の係数は、次の順序で並びます。

$$\left[\begin{array}{cccccc}{B}_k(1)& B_k(2)& B_k(3)& A_k(1)& A_k(2)& A_k(3)\end{array}\right].$$

フィルターの周波数応答は、単位円上で次のように値が求められるシステム関数です。

$$z=e^{j2\pi f}.$$

データ型: single | double
複素数のサポート: あり

出力引数

n — フィルター次数

整数

フィルター次数。整数で指定します。

詳細

カスケード伝達関数

IIR デジタル フィルターをカスケード セクションに分割すると、数値安定性が向上し、係数の量子化誤差の影響を受けにくくなります。L 個の伝達関数 H₁(z)、H₂(z)、…、H_L(z) による伝達関数 H(z) のカスケード形式は次のとおりです。

$$H(z)={\displaystyle \prod _{l=1}^L{H}_l(z)}=H_1(z)\times H_2(z)\times \cdots \times H_L(z).$$

CTF 形式によるデジタル フィルターの指定

解析、可視化、信号フィルター処理で使用するため、CTF 形式でデジタル フィルターを指定できます。係数 B と A をリストしてフィルターを指定します。スカラーまたはベクトルの g を指定することで、セクション全体にフィルターのスケーリング ゲインを含めることもできます。

フィルター係数

係数を L 行の行列

$$B=\left[\begin{array}{cccc}{b}_{11}& b_{12}& \cdots & b_{1,m+1}\\ b_{21}& b_{22}& \cdots & b_{2,m+1}\\ ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ b_{L1}& b_{L2}& \cdots & b_{L,m+1}\end{array}\right],A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& \cdots & a_{1,n+1}\\ a_{21}& a_{22}& \cdots & a_{2,n+1}\\ ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ a_{L1}& a_{L2}& \cdots & a_{L,n+1}\end{array}\right],$$

として指定した場合、L 個のカスケード伝達関数のシーケンスとしてフィルターを指定したものとみなされます。このとき、フィルターの完全な伝達関数は次のようになります。

$$H\left(z\right)=\frac{b_{11}+b_{12}{z}^{-1}+\cdots +b_{1,m+1}{z}^{-m}}{a_{11}+a_{12}{z}^{-1}+\cdots +a_{1,n+1}{z}^{-n}}\times \frac{b_{21}+b_{22}{z}^{-1}+\cdots +b_{2,m+1}{z}^{-m}}{a_{21}+a_{22}{z}^{-1}+\cdots +a_{2,n+1}{z}^{-n}}\times \cdots \times \frac{b_{L1}+b_{L2}{z}^{-1}+\cdots +b_{L,m+1}{z}^{-m}}{a_{L1}+a_{L2}{z}^{-1}+\cdots +a_{L,n+1}{z}^{-n}},$$

ここで、m ≥ 0 はフィルターの "分子次数"、n ≥ 0 は "分母次数" です。

• B と A の両方をベクトルとして指定した場合、基になるシステムは 1 つのセクションから成る IIR フィルター (L = 1) であるとみなされます。このとき、B は伝達関数の分子を表し、A はその分母を表します。

• B がスカラーの場合、フィルターは全極 IIR フィルターのカスケードであるとみなされます。このとき、各セクションの全体的なシステム ゲインは B に等しくなります。

• A がスカラーの場合、フィルターは FIR フィルターのカスケードであるとみなされます。このとき、各セクションの全体的なシステム ゲインは 1/A に等しくなります。

メモ

• 2 次セクションの行列をカスケード伝達関数に変換するには、sos2ctf 関数を使用します。

• 零点-極-ゲイン フィルター表現をカスケード伝達関数に変換するには、zp2ctf 関数を使用します。

係数とゲイン

全体的なスケーリング ゲイン、または係数値から共通因数としてくくりだされた複数のスケーリング ゲインがある場合、係数とゲインを {B,A,g} 形式の cell 配列として指定できます。フィルター セクションのスケーリングは、固定小数点演算を使用して各フィルター セクションの出力の振幅レベルを確実に同等にする場合に特に重要であり、数値精度の制限によるフィルター応答の不正確さを回避するのに役立ちます。

ゲインは、全体的なゲインを表すスカラー、またはセクションのゲインを表すベクトルとして指定できます。

• ゲインがスカラーの場合、その値はすべてのカスケード フィルター セクションに均一に適用されます。

• ゲインがベクトルの場合、カスケード内のフィルター セクションの数 L よりも 1 つ多い要素をもたなければなりません。最初の L 個のスケール値はそれぞれ対応するフィルター セクションに適用され、最後の値はすべてのカスケード フィルター セクションに均一に適用されます。

係数行列とゲイン ベクトルを

$$B=\left[\begin{array}{cccc}{b}_{11}& b_{12}& \cdots & b_{1,m+1}\\ b_{21}& b_{22}& \cdots & b_{2,m+1}\\ ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ b_{L1}& b_{L2}& \cdots & b_{L,m+1}\end{array}\right],A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& \cdots & a_{1,n+1}\\ a_{21}& a_{22}& \cdots & a_{2,n+1}\\ ⋮& ⋮& \ddots & ⋮\\ a_{L1}& a_{L2}& \cdots & a_{L,n+1}\end{array}\right],g=\left[\begin{array}{ccccc}{g}_1& g_2& \cdots & g_L& g_{\text{S}}\end{array}\right],$$

として指定した場合、フィルター システムの伝達関数は次であるとみなされます。

$$H\left(z\right)=g_{\text{S}}\left(g_1\frac{b_{11}+b_{12}{z}^{-1}+\cdots +b_{1,m+1}{z}^{-m}}{a_{11}+a_{12}{z}^{-1}+\cdots +a_{1,n+1}{z}^{-n}}\times g_2\frac{b_{21}+b_{22}{z}^{-1}+\cdots +b_{2,m+1}{z}^{-m}}{a_{21}+a_{22}{z}^{-1}+\cdots +a_{2,n+1}{z}^{-n}}\times \cdots \times g_L\frac{b_{L1}+b_{L2}{z}^{-1}+\cdots +b_{L,m+1}{z}^{-m}}{a_{L1}+a_{L2}{z}^{-1}+\cdots +a_{L,n+1}{z}^{-n}}\right).$$

ヒント

• スケーリング ゲインを含むフィルターを CTF 形式で取得できます。butter、cheby1、cheby2、ellip などのデジタル IIR フィルター設計関数の出力を使用します。これらの関数で、"ctf" フィルタータイプ引数を指定し、スケール値を取得するために B、A、g を返すように指定します。 (R2024b 以降)

参照

[1] Lyons, Richard G. Understanding Digital Signal Processing. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2004.

拡張機能

C/C++ コード生成

MATLAB® Coder™ を使用して C および C++ コードを生成します。

使用上の注意および制限:

filtord 関数に CTF 係数を入力する場合、コードを生成するには、filtord 構文に "ctf" 入力引数を含めなければなりません。

バージョン履歴

R2013a で導入

R2024b: カスケード伝達関数を使用したフィルターの解析

filtord 関数は、カスケード伝達関数 (CTF) 形式の入力をサポートします。

参考

ctffilt | designfilt | digitalFilter | isallpass | isminphase | ismaxphase | isstable