filtrosfir ventanas libre

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Ing. Juan Ramon Terven S.

284

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 1451 muestra la versin analgica y digital de un filtro.

Figura 141. 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)

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 norecursivos.

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.

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 1451.

Tabla 141. 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 1452 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 142. 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. 141

En trminos generales si la k5esima muestra de entrada la denotamos como x(k), entonces la

n5esima salida es:

Ec. 142

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

calcula sus muestras de salida.

Figura 143. 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 Z51

.

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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. 143

La estructra del filtro sera la siguiente:

Figura 144. Estructura alterna del filtro promediador

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289

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

es un filtro de 55taps. (55tap 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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290

!"

Ec. 1453

Tomando la Ec. 1453 y la Figura 1454 podemos mostrar grficamente estos clculos en la

Figura 1455:

Figura 145. Convolucin del filtro promediador

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291

Note el orden de las entradas o muestras en la Figura 1455 est invertida del orden de la

Figura 1452, esta alteracin es lo que ocurre a los datos de entrada usando la estructura de la

Figura 1454.

Tomando la ecuacin de nuestro filtro promediador:

Ec. 144

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. 145

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 M5taps, entonces la salida es:

Ec. 146

La Ec. 1456 es la famosa ecuacin de la convolucin como se aplica en filtros FIR.

Esta ecuacin de la se escribe de manera abreviada como:

( ) ( ) ( )kxkhny *= Ec. 147

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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292

#"$"$"

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 1456 muestra grficamente este

concepto.

Figura 146. Convolucin de los coeficientes del filtro y una entrada impulso

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293

Si observamos la Figura 1456 con detenimiento, podemos notar que la respuesta del filtro

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

y

son sinnimos. Entonces cuando escuche que se refieren a la

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

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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294

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 147. Respuesta Impulsional (coeficientes)

Figura 148. Respuesta en frecuencia del filtro

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295

La Figura 1458 nos muestra el espectro de frecuencia del filtro H(m), como podemos

observar, tiene forma de filtro pasabajas de bajo rendimiento.

En la Figura 1459 se muestra la respuesta de fase. Para entender estas carctersticas veamos

un ejemplo.

Figura 149. Respuesta en fase

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Ejemplo 141. 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 14510).

Figura 1410. 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 14511 se

muestran ambas.

Figura 1411. Espectro de frecuencias de h(k) y x(k)

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297

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 1412. Entrada y Salida del Promediador

En la Figura 14512 vemos que la secuencia de salida est atenuada de acuerdo a la respuesta

en frecuencia del filtro (Figura 1458) adems est atrasada de acuerdo a la respuesta de fase del

filtro (Figura 1459).

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Ejemplo 142. 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

14513 se muestra la respuesta en frecuencia del filtro (), se muestra el espectro de la seal

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

producto de ambas ().

Figura 1413. H(m), X(m), Y(m)

En la Figura 14514 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 1458) y se encuentra desfasada

de acuerdo a la respuesta de fase (Figura 1459).

Figura 1414. Seales de Entrada y Salida

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299

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

de la Figura 1458 y Figura 1459.

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

. 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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300

Figura 1415. 3 juegos de coeficientes distintos

Figura 1416. 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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301

%"&"$"'()"

Para disear un filtro pasa5bajas 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

ParksMcClellan.

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

14517. Es decir con una frecuencia de corte de fs/8 o /4.

Figura 1417. Respuesta en Frecuencia deseada

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

Impulsional

Figura 1418. Respusta Impulsional del Filtro Pasabajas

La cual est formada por los siguientes coeficientes:

50.0000, 50.0158, 50.0239, 50.0182, 0.0000, 0.0215,0.0334, 0.0263, 50.0000, 50.0338, 50.0557, 50.0473, 0.0000,

0.0788, 0.1671, 0.2363, 0.2624, 0.2363, 0.1671, 0.0788, 0.0000, 50.0473, 50.0557, 50.0338, 50.0000, 0.0263, 0.0334

,0.0215, 0.0000, 50.0182, 50.0239, 50.0158, 50.0000

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 14519).

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303

Figura 1419. Ventana Rectangular para obtener los 9 Coeficientes del centro

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304

La Figura 14520 muestra las Respuestas Impulso y Respuestas en Frecuencia para ventanas

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

Figura 1420. Coeficientes usados y Respuestas en Frecuencia

Las respuestas de la Figura 14520 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 14521. Observe que la

atenuacin se produce ms rpido mientras ms coeficientes usemos.

Figura 1421. 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 14522 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 1422. Respuesta en Frecuencia para distinto nmero de coeficientes

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En la Figura 14523 se muestran las mismas respuestas usando escala en decibeles.

Figura 1423. 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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La ventana Blackman se obtiene usando la Ec. 1458 y se muestra en la Figura 14524.

Ec. 148

Figura 1424. Filtro Pasabajas Usando Ventana Blackman

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309

En la Figura 14524 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 14525 se comparan ambas ventanas y sus respectivas respuestas en

frecuencia.

Figura 1425. 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 142. Ventanas usadas para filtros FIR

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310

En la Figura 14526 se comparan las ventanas Rectangular, Blackman, Hamming y Hann y sus

respectivas respuestas en frecuencia.

Figura 1426. 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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311

La ventana Chebyshev esta dada por la siguiente funcin:

Ec. 149

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

AttenChef = 520

La Figura 14527 muestra la ventana y la respuesta en frecuencia para distintos valores de (en la

figura se denota como l).

Figura 1427. Respuesta de ventana Chebyshev para distintos valores de

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La ventana Kaiser est dada por

Ec. 1410

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

ancho de la regin de transicin.

Figura 1428. Ventana Kaiser para distintos valores de B

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

Figura 14529, 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 1429. Chebyshev vs Kaiser

! "#$"#%$

Siguiendo el procedimiento de diseo de un filtro pasa5bajas por ventanas se pueden crear

filtros Pasa5Banda, Pasa5Altas y Rechaza5Banda simplemente recorriendo la respuesta en

frecuencia.

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! ' ()*+*%,-%

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

cuya sintaxis es:

b = fir1(,.)

Comentarios: Genera un filtro pasa5bajas con ventana Hamming de n+1 coeficientes.

Entradas:

= Orden del filtro (nmero de coeficientes).

. = 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 pasa5banda 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.

'DC51' para hacer que la primera banda de un filtro multibanda sea pasa5banda.

'DC50' para hacer que la primera banda de un filtro multibanda sea de rechazo de banda.

b = fir1(,., .1)

Comentarios: Genera un filto pasa5bajas con ventana especificada.

Entradas:

= Orden del filtro.

. = Frecuencia de corte (igual que anterior).

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

b = fir1(,., 0/,.1)

Comentarios: Acepta tipo de filtro y ventana como parmetros.

b = fir1(2,/&/)

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

magnitude est normalizada o no.

Entradas: Todas las anteriores.

& =

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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316

Generar Ventanas en MATLAB

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

Tabla 143. 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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Ejemplo 143. Diseo de un filtro FIR pasabajas de orden 50 con frecuencia de corte de 0.2

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

!

"#$%&% %

%"'()*

!

()")+ %%!% !

!)(,-&./

En el ejemplo observe el uso de la funcin 134$56. Aqu se especifico el tamao de la

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

especifica la atenuacin en dB de las ondulaciones.

El comando 3$6 abre una herramienta llamada Filter Visualization Tool, la cual permite

analizar el filtro.

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

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

Figura 1430. Filter Visualization Tool

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