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  • FILTROS DIGITALES

    Ing. Juan Ramon Terven S.

    284

    14 FILTROS DIGITALES

    El filtrado de datos digitales es de las disciplinas ms fundamentales del procesamiento

    digital de seales, su origen tiene ms de 50 aos. Fue a mediados de los aos 1960s cuando el

    anlisis y desarrollo de filtros digitales empez a tomar seriedad, fue entonces cuando los

    expertos en procesamiento digital de seales se dieron cuenta que las computadoras podan no

    solo analizar seales digitales sino tambin cambiar sus carctersticas a travs del filtrado

    digital.

    De manera general, el filtrado es el procesamiento de una seal en el dominio del tiempo

    dando como resultado un cambio en el contenido espectral de dicha seal. Este cambio

    comnmente es la reduccin o filtrado de algunos componentes de frecuencia indeseables, es

    decir, los filtros permiten pasar ciertas frecuencias mientras atenan otras.

    La Figura 14-1 muestra la versin analgica y digital de un filtro.

    Figura 14-1. a) Filtro analgico con entrada con ruido y salida con ruido reducido. b) Equivalente digital del

    filtro analgico

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    La diferencia principal entre un filtro analgico y un filtro digital es que los filtros analgicos

    operan sobre seales continuas y los filtros digitales operan sobre una secuencia de datos

    discretos.

    Los filtros digitales tradicionalmente se dividen en 2 categoras:

    Filtros FIR (Finite Impulse Response)

    Filtros IIR (Infinite Impulse Response)

    14.1 Filtros FIR

    Los filtros FIR solo usan muestras actuales y pasadas para obtener una salida, es decir no

    usan la muestra de salida anterior para obtener la muestra de salida actual. Por esta razn tambin

    son llamados filtros no-recursivos.

    Se les llama filtros de Respuesta Impulsional Finita debido a que dada una serie finita de

    datos diferentes de cero, produce una serie finita de datos de salida diferentes de cero.

    14.1.1 Filtro Promediador

    Para entender como funciona un filtro FIR veamos un ejemplo de un promediador. Imagine

    que estamos contando el nmero de carros que pasan sobre un puente cada minuto y necesitamos

    saber el promedio de carros que pasan por el puente cada 5 minutos; es decir cada minuto

    calculamos el promedio de carros en los ltimos 5 minutos. Tenemos los datos de la Tabla 14-1.

    Tabla 14-1. Valores del Filtro Promediador

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    En la columna del medio tenemos el nmero de carros que pasan cada minuto, y en la columna de

    la derecha tenemos el promedio de los ltimos 5 minutos. Por ejemplo, para obtener nuestro

    primer resultado: (10+22+24+42+37) /5 = 27, el segundo resultado: (22+24+42+37+77) / 5=40.4.

    En la Figura 14-2 podemos observar que los cambios bruscos en nuestro conteo de carros por

    minuto es suavizado por nuestro promediador.

    De antemano sabemos que los cambios bruscos en una secuencia en el dominio del tiempo

    representan componentes de alta frecuencia, podemos decir que nuestro promediador se comporta

    como un filtro pasa bajas.

    Figura 14-2. Promedio de carros. La linea clara muestra el nmero de carros por minuto y la lnea slida

    muestra el promedio de los ultimos 5 minutos.

    El filtro promediador es un filtro FIR pues para calcular la salida actual del filtro slo se

    requiere la muestra actual y muestras pasadas (no requerimos salidas anteriores del filtro).

    Adems para un nmero finito de datos diferente de cero produjo una serie finita de datos

    diferente de cero.

    De acuerdo al procedimiento para calcular el filtro podemos decir que para calcular la 5ta

    salida del filtro hicimos:

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    Ec. 14-1

    En trminos generales si la k-esima muestra de entrada la denotamos como x(k), entonces la

    n-esima salida es:

    Ec. 14-2

    Podemos hacer un diagrama de bloques de este filtro el cual muestre como el promediador

    calcula sus muestras de salida.

    Figura 14-3. Diagrama de bloques del filtro promediador cuando se aplica la quinta muestra de entrada

    Este diagrama de bloques es llamado estructura del filtro, es una descripcin fsica de cmo

    podemos calcular las salidas del filtro con la secuencia de entrada desplazada en orden de

    izquierda a derecha para cada nuevo clculo del filtro.

    Los elementos delay representan el retardo que hay entre cada muestra, en la literatura de

    procesamiento digital de seales se representa como Z-1

    .

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    En nuestro filtro promediador, sumamos cinco muestras y dividimos entre 5 para obtener la

    salida, en un filtro FIR convencional lo que se hara es multiplicar cada una de las 5 muestras por

    51 y luego realizar la sumatoria:

    Ec. 14-3

    La estructra del filtro sera la siguiente:

    Figura 14-4. Estructura alterna del filtro promediador

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    En el filtro anterior, como se usaron 5 muestras para calcular el resultado actual, se dice que

    es un filtro de 5-taps. (5-tap FIR filter), adems a los valores que multiplican cada muestra (1/5

    en este caso) se les llama coeficientes del filtro.

    El aspecto ms interesante en el entendimiento de los filtros digitales FIR consiste en cmo

    estimar su respuesta en el dominio de la frecuencia. En esto influyen 2 factores: el nmero de

    taps y el valor de los coeficientes.

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    14.1.2 Convolucin en filtros FIR

    Ec. 14-3

    Tomando la Ec. 14-3 y la Figura 14-4 podemos mostrar grficamente estos clculos en la

    Figura 14-5:

    Figura 14-5. Convolucin del filtro promediador

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    Note el orden de las entradas o muestras en la Figura 14-5 est invertida del orden de la

    Figura 14-2, esta alteracin es lo que ocurre a los datos de entrada usando la estructura de la

    Figura 14-4.

    Tomando la ecuacin de nuestro filtro promediador:

    Ec. 14-4

    Y tomando en cuenta que los coeficientes no siempre sern iguales (1/5), podemos

    representarlos por una variable h(k), y reescribiendo nuestra ecuacin queda:

    Ec. 14-5

    En donde desde h(0) hasta h(4) es igual a 1/5 en el filtro promediador.

    Si generalizamos un poco ms la ecuacin anterior y hacemos que funcione para cualquier

    nmero de taps, digamos M-taps, entonces la salida es:

    Ec. 14-6

    La Ec. 14-6 es la famosa ecuacin de la convolucin como se aplica en filtros FIR.

    Esta ecuacin de la Convolucin se escribe de manera abreviada como:

    ( ) ( ) ( )kxkhny *= Ec. 14-7

    Se lee de la siguiente manera: y de n es igual a la convolucin de h de k con x de k.

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    14.1.3 Respuesta Impulsional

    La Respuesta Impulsional o Respuesta al Impulso Unitario (Impulse Response) es la

    secuencia de salida del filtro en el dominio del tiempo cuando se le aplica una entrada de un solo

    valor unitario (impulso) precedido y seguido de ceros. La Figura 14-6 muestra grficamente este

    concepto.

    Figura 14-6. Convolucin de los coeficientes del filtro y una entrada impulso

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    Si observamos la Figura 14-6 con detenimiento, podemos notar que la respuesta del filtro

    FIR al impulso es igual a los coeficientes del filtro. Por esta razn los trminos Coeficientes del

    filtro FIR y Respuesta Impulsional son sinnimos. Entonces cuando escuche que se refieren a la

    respuesta impulsional del filtro FIR, tambin se refieren a los coeficientes.

    14.1.4 El Teorema de la Convolucin

    La idea de todo filtro consiste en dejar pasar ciertas frecuencias y atenuar o eliminar otras

    frecuencias. El filtro promediador analizado anteriormente nos mostr que funciona como un

    filtro pasabajas, pero surgen las preguntas Cul es su frecuencia de corte?, Qu tan bueno es su

    rendimiento? Cmo disear uno con caractersticas personalizadas?

    Las respuestas a estas preguntas estn en el Teorema de la Convolucin:

    Si dos secuencias en el dominio del tiempo h(k) y x(k) tienen DFTs H(m) y X(m)

    respectivamente, entonces la DFT de h(k)*x(k) es el producto )()( mXmH . Asimismo la DFT

    inversa de )()( mXmH es h(k)*x(k)

    Debido a la dualidad del Teordema de la Convolucin, podemos cambiar de lado la

    operacin, es decir:

    Esto nos dice que La convolucin en un dominio es igual a la multiplicacin en el otro

    dominio.

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    Regresando al ejemplo del filtro promediador, necesitamos ver el espectro de frecuencia de

    H(m) para poder contestar las primeras dos preguntas antes planteadas.

    Figura 14-7. Respuesta Impulsional (coeficientes)

    Figura 14-8. Respuesta en frecuencia del filtro

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    La Figura 14-8 nos muestra el espectro de frecuencia del filtro H(m), como podemos

    observar, tiene forma de filtro pasabajas de bajo rendimiento.

    En la Figura 14-9 se muestra la respuesta de fase. Para entender estas carctersticas veamos

    un ejemplo.

    Figura 14-9. Respuesta en fase

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    Ejemplo 14-1. Filtro Promediador aplicando una senoidal de f=fs/32

    En el siguiente ejemplo, se convoluciona h(k) (Respuesta Impulsional del filtro) con x(k) la

    cual representa una senoidal cuya frecuencia f es 1/32 de fs (Figura 14-10).

    Figura 14-10. Seal de entrada x(k)

    De acuerdo al Teorema de la Convolucin, si convolucionamos h(k) con x(k) es lo mismo

    que si hacemos una multiplicacin punto a punto de H(m) con X(m). En la Figura 14-11 se

    muestran ambas.

    Figura 14-11. Espectro de frecuencias de h(k) y x(k)

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    Lo interesante aqu es que no tenemos que multiplicarlas en el dominio de la frecuencia, sino

    simplemente aplicamos convolucin en el dominio del tiempo. Aplicando la convolucin

    ( ) ( ) ( )kxkhny *= obtenemos el siguiente resultado.

    Figura 14-12. Entrada y Salida del Promediador

    En la Figura 14-12 vemos que la secuencia de salida est atenuada de acuerdo a la respuesta

    en frecuencia del filtro (Figura 14-8) adems est atrasada de acuerdo a la respuesta de fase del

    filtro (Figura 14-9).

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    Ejemplo 14-2. Filtro Promediador aplicando una senoidal de f=fs/8

    En este ejemplo se aplica una seal de f=fs/8 al filtro pasa bajas promediador. En la Figura

    14-13 se muestra la respuesta en frecuencia del filtro (H(m)), se muestra el espectro de la seal

    de entrada (X(m)) y adems se muestra el espectro de frecuencia de la salida, la cual es el

    producto de ambas (Y(m)).

    Figura 14-13. H(m), X(m), Y(m)

    En la Figura 14-14 se muestra la entrada x(k) y la salida y(n), observe que la salida est

    atenuada como indica la respuesta en frecuencia del filtro (Figura 14-8) y se encuentra desfasada

    de acuerdo a la respuesta de fase (Figura 14-9).

    Figura 14-14. Seales de Entrada y Salida

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    Como podemos ver, las amplitudes de las salidas y los atrasos de fase coinciden con aquellos

    de la Figura 14-8 y Figura 14-9.

    Lo importante aqu es que no necesitamos implementar un filtro FIR y aplicarle diversas

    seales para descubrir su respuesta a la frecuencia. Simplemente necesitamos sacar la DFT de la

    respuesta impulsional (coeficientes) para determinar cual sera su respuesta a la frecuencia.

    Antes de continuar veamos un resumen de lo que hemos aprendido:

    1. La secuencia de salida de un filtro FIR es igual a la convolucin de la secuencia de entrada y

    la Respuesta Impulsional del filtro (coeficientes).

    2. La respuesta en frecuencia de un filtro FIR es la DFT de la Respuesta Impulsional.

    3. El espectro de la salida de un filtro es el producto del espectro de la entrada y la respuesta en

    frecuencia del filtro.

    4. La convolucin en el dominio del tiempo y la multiplicacin en el dominio de la frecuencia

    son pares de transformadas de Fourier.

    Una caracterstica indeseable que podemos observar en la respuesta en frecuencia de nuestro

    filtro promediador son aquellas prominencias que se forman en la forma de onda llamadas

    lbulos. Estos lbulos son generados debido al cambio drstico de los coeficientes.

    Considere los siguientes 3 juegos de coeficientes y observe la respuesta en frecuencia que genera

    cada uno.

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    Figura 14-15. 3 juegos de coeficientes distintos

    Figura 14-16. Respuesta en Frecuencia de cada juego de coeficientes

    Como podemos observar se pueden reducir los lbulos al minimizar los cambios bruscos en los

    coeficientes, sin embargo al reducir los lbulos, se incrementa el lbulo principal de nuestro filtro

    pasa bajas.

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    14.1.5 Diseo de Filtros FIR pasa-bajas

    Para disear un filtro pasa-bajas invertimos el procedimiento anterior. En lugar de escoger un

    conjunto de coeficientes y analizar su respuesta en frecuencia; primero determinamos su

    respuesta en frecuencia y despus obtenemos los coeficientes que nos dan dicha respuesta.

    Los 2 mtodos ms populares para el diseo de filtro FIR son:

    1. Mtodo de Diseo por Ventanas.

    2. Mtodo ptimo, tambin llamado Mtodo de diseo de Intercambio de Remez oMtodo

    Parks-McClellan.

    14.1.5.1 Mtodo de Diseo por Ventanas

    En este mtodo tambin llamado El mtodo de las series de Fourier se siguen los siguientes

    pasos:

    1. Definir las muestras individuales en el dominio de la frecuencia que representan H(m).

    2. Aplicar la Transformada Inversa Discreta de Fourier (IDFT) para obtener la respuesta

    impulsional h(k).

    3. Aplicar una ventana a la respuesta impulsional para mejorar la respuesta en frecuencia.

    4. Evaluar la respuesta en frecuencia obtenida para ver si cumple con nuestros

    `requerimientos.

    Por ejemplo suponga que se desea disear un filtro con una Respuesta en Frecuencia de la Figura

    14-17. Es decir con una frecuencia de corte de fs/8 o /4.

    Figura 14-17. Respuesta en Frecuencia deseada

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    Aplicando la Transformada Inversa Discreta de Fourier (IDFT) obtenemos la Respuesta

    Impulsional

    Figura 14-18. Respusta Impulsional del Filtro Pasabajas

    La cual est formada por los siguientes coeficientes:

    -0.0000, -0.0158, -0.0239, -0.0182, 0.0000, 0.0215,0.0334, 0.0263, -0.0000, -0.0338, -0.0557, -0.0473, 0.0000,

    0.0788, 0.1671, 0.2363, 0.2624, 0.2363, 0.1671, 0.0788, 0.0000, -0.0473, -0.0557, -0.0338, -0.0000, 0.0263, 0.0334

    ,0.0215, 0.0000, -0.0182, -0.0239, -0.0158, -0.0000

    Desde el punto de vista prctico de implementacin por Hardware, mientras menos coeficientes

    se usen, ms rpido se obtiene la respuesta y por lo tanto podemos trabajar con frecuencias ms

    altas. Sin embargo, mientras ms coeficientes usemos, la Respuesta en Frecuencia de nuestro

    filtro se parece ms a la ideal.

    Imagine que estamos lmitados por la velocidad de clculo de nuestro dsPIC, entonces solo

    deseamos usar los 9 coeficientes del centro, para esto aplicamos una ventana rectangular y

    obtenemos slo los 9 coeficientes del centro (Figura 14-19).

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    Figura 14-19. Ventana Rectangular para obtener los 9 Coeficientes del centro

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    La Figura 14-20 muestra las Respuestas Impulso y Respuestas en Frecuencia para ventanas

    rectangulares de 9, 19 y 32 (todos) muestras.

    Figura 14-20. Coeficientes usados y Respuestas en Frecuencia

    Las respuestas de la Figura 14-20 estn en escala lineal. Esta escala es til para ver las

    ondulaciones de la banda de paso. Si queremos ver la atenuacin de la banda de rechazo se usa la

    escala en decibeles (vea APENDICE D. Recordatorio sobre Decibeles ).

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    La respuesta en frecuencia graficada en dB se muestra en la Figura 14-21. Observe que la

    atenuacin se produce ms rpido mientras ms coeficientes usemos.

    Figura 14-21. Respuesta en Frecuencia en dB

    Sin embargo aun usando todos los 32 coeficientes, nuestra respuesta en frecuencia presenta

    ondulaciones en la banda de paso. Estas son debidas a las ondulaciones de la respuesta

    impulsional (h(k)) y no es posible eliminarlas en la prctica. Podemos reducir la regin de

    transicin usando ms coeficientes, pero NO podemos eliminar las ondulaciones de la banda de

    paso. Estas ondulaciones se conocen como El fenmeno de Gibbs y se manifiesta cada vez que

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    una funcin con una discontinuidad instantnea se representa por series de Fourier. Es decir

    ningn conjunto finito de senoidales ser capaz de cambiar tan rpido como una discontinuidad

    instantnea. En este caso la discontinuidad instantnea la presenta la ventana rectangular.

    En la Figura 14-22 se muestra la Respuesta en Frecuencia del mismo filtro anterior usando

    32, 64, 128 y 256 coeficientes. Observe que al aumentar el nmero de coeficientes se reduce la

    banda de transicin (aproximndose al ideal) y se reduce tambin la amplitud de las ondulaciones

    de la banda de paso pero no se eliminan.

    Figura 14-22. Respuesta en Frecuencia para distinto nmero de coeficientes

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    En la Figura 14-23 se muestran las mismas respuestas usando escala en decibeles.

    Figura 14-23. Respuesta en Frecuencia en decibeles para distinto nmero de coeficientes

    La solucin al problema de las ondulaciones en la banda de paso y las ondulaciones de los

    lados est en el uso de otras ventanas (en lugar de la ventana rectangular) que no tengan cambios

    instantneos para reducir las ondulaciones de h(k) y provocando que se reduzcan las ondulaciones

    de la banda de paso y las ondulaciones de los lados.

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    Ventana Blackman

    La ventana Blackman se obtiene usando la Ec. 14-8 y se muestra en la Figura 14-24.

    Ec. 14-8

    Figura 14-24. Filtro Pasabajas Usando Ventana Blackman

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    En la Figura 14-24 podemos observar que las ondulaciones son ampliamente reducidas a tal

    grado que en la escala lineal no se ven pero en la escala en dB si se pueden observar. Sin

    embargo el precio que hay que pagar para reducir las ondulaciones es una regin de transicin

    mas ancha. En la Figura 14-25 se comparan ambas ventanas y sus respectivas respuestas en

    frecuencia.

    Figura 14-25. Ventana Rectangular (azul) vs Ventana Blackman (verde)

    Aparte de la ventana Blackman existe una amplia variedad de ventanas en donde se destacan las

    siguientes:

    Tabla 14-2. Ventanas usadas para filtros FIR

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    En la Figura 14-26 se comparan las ventanas Rectangular, Blackman, Hamming y Hann y sus

    respectivas respuestas en frecuencia.

    Figura 14-26. Comparacin de distintas ventanas

    Entonces en el mtodo de diseo por ventanas simplemente seleccionamos una ventana, la

    multiplicamos por la respuesta impulsional para obtener nuestros coeficientes del filtro FIR.

    Como podemos observar, el uso de estas ventanas es til en el diseo de un filtro FIR, pero

    tenemos poco control sobre su respuesta en frecuencia; es decir lo nico que podemos hacer es

    seleccionar alguna ventana y aceptar su respuesta en frecuencia. Afortunadamente existen

    algunas funciones de ventanas que nos permiten ms flexibilidad al jugar entre si queremos

    menor regin de transicin o menos ondulaciones. Entre este tipo de funciones, las ms populares

    son la ventana Chebyshev y la ventana Kaiser.

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    Ventana Chebyshev

    La ventana Chebyshev esta dada por la siguiente funcin:

    Ec. 14-9

    La atenuacin en decibeles de la banda de rechazo esta dada por

    AttenChef = -20

    La Figura 14-27 muestra la ventana y la respuesta en frecuencia para distintos valores de (en la

    figura se denota como l).

    Figura 14-27. Respuesta de ventana Chebyshev para distintos valores de

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    Ventana Kaiser

    La ventana Kaiser est dada por

    Ec. 14-10

    Conforme aumenta el valor de aumenta la atenuacin de la banda de rechazo pero aumenta el

    ancho de la regin de transicin.

    Figura 14-28. Ventana Kaiser para distintos valores de B

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    Chebyshev vs Kaiser

    Ahora la pregunta es: Cul es mejor? Pues depende de la aplicacin. Si observamos la

    Figura 14-29, la ventana Chebyshev proporciona una regin de transicin ms angosta que

    Kaiser, pero las ondulaciones de la banda de rechazo del filtro Kaiser disminuyen con la

    frecuencia.

    Lo principal aqu es tratar de reducir los niveles de las ondulaciones sin ampliar mucho la

    ondulacin principal; los diseadores de filtros digitales comnmente experimentan con varios

    valores de y para las ventanas Chebyshev y Kaiser para obtener la respuesta en frecuencia

    optima para una aplicacin en particular.

    Figura 14-29. Chebyshev vs Kaiser

    14.1.5.1.1 Filtros Pasa-Banda, Pasa-Altas, Rechaza-Banda

    Siguiendo el procedimiento de diseo de un filtro pasa-bajas por ventanas se pueden crear

    filtros Pasa-Banda, Pasa-Altas y Rechaza-Banda simplemente recorriendo la respuesta en

    frecuencia.

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    14.1.5.1.2 Diseo de filtros FIR por Mtodo de Ventanas con MATLAB

    Para disear un Filtro FIR usando el Mtodo de Ventanas en MATLAB se usa la funcin fir1

    cuya sintaxis es:

    b = fir1(n,Wn)

    Comentarios: Genera un filtro pasa-bajas con ventana Hamming de n+1 coeficientes.

    Entradas:

    n = Orden del filtro (nmero de coeficientes).

    Wn = Frecuencia de corte normalizada. Valor entre 0 y 1, en donde 1 corresponde a la

    frecuencia de Nyquist. Si Wn es un vector de 2 elementos (Wn=[w1 w2]), la funcin regresa

    un filtro pasa-banda cuya banda () est en el rango w1<

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    'stop' para un filtro rechaza banda, si Wn = [w1 w2]. La frecuencia de rechazo est

    especificada por este intervalo.

    'DC-1' para hacer que la primera banda de un filtro multibanda sea pasa-banda.

    'DC-0' para hacer que la primera banda de un filtro multibanda sea de rechazo de banda.

    b = fir1(n,Wn, Window)

    Comentarios: Genera un filto pasa-bajas con ventana especificada.

    Entradas:

    n = Orden del filtro.

    Wn = Frecuencia de corte (igual que anterior).

    Window = Vector que especifica la ventana a usar. Este vector debe ser de n+1 elementos.

    b = fir1(n,Wn, ftype,Window)

    Comentarios: Acepta tipo de filtro y ventana como parmetros.

    b = fir1(,normalization)

    Comentarios: Funciona igual que cualquiera de las otras versiones, adems especifica si la

    magnitude est normalizada o no.

    Entradas: Todas las anteriores.

    normalization =

    scale (valor predeterminado): Normaliza el filtro de tal manera que la magnitud de la

    respuesta del filtro en la frecuencia central sea 0dB.

    noscale : No normaliza el filtro.

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    Generar Ventanas en MATLAB

    Para generar una ventana en MATLAB se usa alguna de las siguientes funciones:

    Tabla 14-3. Ventanas y su respectiva funcin en Matlab

    Estas funciones regresan un vector columna con los valores de una ventana del tipo

    especificado. Veamos un ejemplo.

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    Ing. Juan Ramon Terven S.

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    Ejemplo 14-3. Diseo de un filtro FIR pasa-bajas de orden 50 con frecuencia de corte de 0.2

    de la frecuencia de Nyquist con ventana Chebyshev y 40dB de atenuacion de ondulaciones.

    % Filtro Pasa-Bajas Chebyshev%

    n = 50 %Orden del filtro

    wn = 0.2 %Frecuencia de corte

    ventana = chebwin(n+1,40)

    b = fir1(n,wn,ventana); % b contiene los coeficientes del filtro

    fvtool(b,1) % Abre la Filter Visualization Tool

    En el ejemplo observe el uso de la funcin chebwin(n+1,40). Aqu se especifico el tamao de la

    ventana, en este caso n+1, porque as lo especifica la funcin fir1 y el segundo parmetro

    especifica la atenuacin en dB de las ondulaciones.

    El comando fvtool(b,1) abre una herramienta llamada Filter Visualization Tool, la cual permite

    analizar el filtro.

    El resultado de este programa es un vector b que contiene los coeficientes del filtro y la Filter

    Visualization Tool, la cual permite analizar el filtro previamente diseado.

    Figura 14-30. Filter Visualization Tool