デジタルフィルタ設計ツール

PySide6 + SciPy 製のデジタルフィルタ設計 GUIです。FIR(カイザー窓) と IIR(Chebyshev II, SOS) を切り替え、ローパス/ハイパス/バンドパスのいずれかを設計できます。設計結果として ゲイン/位相線図、インパルス応答、C言語配列の係数 を出力します。

ライセンス: MIT（本リポジトリ内の LICENSE 参照）

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特長

• FIR (Kaiser) / IIR (Chebyshev II, SOS) を切替

• ローパス / ハイパス / バンドパス対応

• 単位選択: Fs, f_p/f_s を Hz / kHz / MHz から選択可能

• Bode 表示: ゲイン/位相の周波数軸を log/lin 切替

• 位相表示: ラップ (±180°) / アンラップ切替

• 過渡応答: インパルス応答及びステップ応答から選択でき、表示時間(ms)を任意指定

• カーソル＆ツールチップ: マウス位置の f(または t) と |H| / ∠H / h を即時表示。縦線/横線のカーソルラインを描画

• C言語配列出力:

  • FIR: static const float fir_taps[N] (float32)
  • IIR(SOS): static const float iir_sos[sec][6] (各行 {b0,b1,b2,1,a1,a2})
  • CMSIS-DSP 互換: static const float biquad_coeffs[5*sec] = {b0,b1,b2,-a1,-a2,...}

• クリップボードにサマリと配列を一括コピー

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動作環境

• Python 3.10+ 推奨
• 主要依存: numpy, scipy, matplotlib, PySide6

pip install numpy scipy matplotlib PySide6

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使い方

1. リポジトリを取得
2. 依存をインストール（上記参照）
3. アプリ起動
4. 左ペインで仕様を設定し、[設計する] を押す
5. 右ペインに ゲイン[dB] / 位相[deg] / 過渡応答 が表示されます
6. 下部テキストに C配列 と設計サマリが出力されます（[C配列をコピー] でクリップボードへ）

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UI 詳説

設計ファミリ

• FIR (Kaiser): 線形位相。阻止域減衰 A_s と遷移帯域幅からタップ数を推定します
• IIR (Chebyshev II, SOS): Stopband に等リプル。SOS 表現で安定性良好

フィルタタイプ

• ローパス / ハイパス: f_p（通過域端）, f_s（阻止域端）
• バンドパス: f_p1, f_p2, f_s1, f_s2 関係: f_s1 < f_p1 < f_p2 < f_s2

単位選択 (Hz/kHz/MHz)

• Fs および各境界周波数の右側で選択可能。内部では自動的に Hz に換算して設計します

スペック

• 阻止域減衰 A_s [dB]: FIR の β／タップ数推定、IIR の cheb2ord/cheby2 に利用
• 通過域リプル A_p [dB]: IIR のみ（cheb2ord の gpass）
• FIRオプション: 最大タップ数、奇数タップ強制（推奨）
• 過渡応答表示時間: ms 指定
• 周波数軸: log/linear 切替
• 位相表示: ラップ or アンラップ

グラフ操作

• マウス移動で ツールチップ（f/t と Y 値）表示
• 同時に 縦線/横線のカーソルラインを描画（グラフ外に出ると自動で非表示）

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出力される C 配列

FIR (Kaiser)

// FIR taps (float32), length = N
static const float fir_taps[N] = {
    /* 係数 ... */
};

firwin により線形位相の係数を生成。既定で 奇数タップ。

IIR (SOS)

// IIR SOS (float32) SはIIRフィルタの段数
static const float iir_sos[S][6] = {
    // {b0, b1, b2, 1.0, a1, a2}  (a0正規化済み)
};

CMSIS-DSP 互換 (biquad df1)

// arm_biquad_cascade_df1_f32 用
static const float biquad_coeffs[5*S] = {
    // per section: b0, b1, b2, -a1, -a2
};
// ワークバッファ例: float biquad_state[4*S] = {0};

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設計ノート

FIR タップ数推定

• 近似式: $N \approx \frac{A_s - 8}{2.285,\Delta\omega} + 1$ ($\Delta\omega = 2\pi,\Delta f/\mathrm{Fs}$)
• β 推定: 21 dB 以下 → 0、50 dB 以下 → 0.5842(A-21)^0.4 + 0.07886(A-21)、それ以外 → 0.1102(A-8.7)

IIR (Chebyshev II)

• cheb2ord(wp, ws, gpass=A_p, gstop=A_s) で次数・境界を推定し、cheby2(..., output='sos') で実数 SOS に展開
• SciPy の規約で周波数は ナイキスト正規化 (Hz→/ (Fs/2)) を使用

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既知の制限

• 極端に狭い遷移帯域では FIR タップ数が非常に大きくなります（上限: 16385）。
• IIR は Stopband 等リプルで、通過域は単調だが 位相は非線形です。
• 係数は float32 で C 配列化。固定小数点(Qフォーマット)は未実装。
• グラフの画像保存や係数の .h/.csv へのファイル保存は未実装（今後対応予定）。

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トラブルシューティング

• ModuleNotFoundError: 依存をインストールしてください

  pip install numpy scipy matplotlib PySide6

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開発

• 単一ファイル: digital_filter_designer.py

• 主要依存 API:

  • SciPy: firwin, cheb2ord, cheby2, freqz, sosfreqz, lfilter
  • Matplotlib QtAgg: 埋め込みキャンバス
  • PySide6: Qt Widgets

PR / Issue 歓迎です！

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exe化(Windowsが対象)

本プロジェクトのexe化にはNuitkaを推奨しております。 まずNuitkaをインストールします。

pip install nuitka

以下のコマンドでexe化を実行してください

nuitka digital_filter_designer.py --enable-plugin=pyside6 --standalone --windows-console-mode=disable --follow-imports

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謝辞

• SciPy / NumPy / Matplotlib / Qt の各コミュニティに感謝します。