基于matlabGUI的IIR低通數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

DSP 課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目基于 matlab GUI 的 IIR 低通數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)學(xué) 院 信息工程學(xué)院 專 業(yè) 通信工程 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間 2015 年 1 月 7 日 目錄1.設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及基本要求 .12. 總體設(shè)計(jì)思路 .13設(shè)計(jì)方案 .13.1 原始語(yǔ)音信號(hào)加噪處理 .13.2 濾波器設(shè)計(jì) .23.2.1 數(shù)字濾波器的基本知識(shí) .23.2.2 數(shù)字濾波器的選取 .33.3 濾除噪聲后的語(yǔ)音信號(hào) .34.GUI 設(shè)計(jì) .44.1 GUI 界面設(shè)計(jì)概述 .44.2 GUI 界面設(shè)計(jì)具體操作 .44.3GUI 界面演示 .45.課程設(shè)計(jì)總結(jié) .6參考文獻(xiàn) .6附錄 .711.設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及基本要求要求錄制一段自己的語(yǔ)音信號(hào)后，對(duì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)加入干擾噪聲，設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)字濾波器濾除噪聲并進(jìn)行驗(yàn)證，最后設(shè)計(jì) GUI 界面。2. 總體設(shè)計(jì)思路1.獲取一段語(yǔ)音。2.對(duì)所獲取的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加噪處理。3.設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器。4.將加噪后的信號(hào)通過(guò)所設(shè)計(jì)的濾波器，濾除噪聲。5.驗(yàn)證濾除噪聲后的語(yǔ)音信號(hào)。6.利用 matlab GUI 設(shè)計(jì)模板設(shè)計(jì)相應(yīng)的 GUI 界面。3設(shè)計(jì)方案3.1 原始語(yǔ)音信號(hào)加噪處理fs=44100; Au=1;s=audioread(C:UsersASUSDesktopyinpin.wav);sound(s,44100);t=(0:length(s)-1)/fs;f=linspace(-fs/2,fs/2,length(s);n=(Au*cos(2*pi*20000*t);x=s+n;sound(x,44100);y1=fft(s);y2=fft(x);y3=fftshift(y1);y4=fftshift(y2);subplot(221);plot(t,s);title(原語(yǔ)音信號(hào));subplot(222);plot(t,x);title(加噪后的語(yǔ)音信號(hào) );subplot(223);plot(f,abs(y3);title(原始語(yǔ)音信號(hào)頻譜);subplot(224);plot(f,abs(y4);title(加噪后的信號(hào)頻譜);20 2 4 6 8 10 12 14-1-0.500.51 低低低低低0 2 4 6 8 10 12 14-2-1012 低低低低低低低低-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5x 104050100150200250 低低低低低低低低-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5x 10400.511.52x 105 低低低低低低低低3.2 濾波器設(shè)計(jì)3.2.1 數(shù)字濾波器的基本知識(shí)數(shù)字濾波器分為 FIR 數(shù)字濾波器和 IIR 數(shù)字濾波器兩種，即有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR ，F(xiàn)inite Impulse Response）濾波器和無(wú)線沖激響應(yīng)（ IIR，Infinite Impulse Response）濾波器。（一） FIR 數(shù)字濾波器 FIR 的特點(diǎn)： nNnzhzH10)()(不存在極點(diǎn)（z=0 除外） ，系統(tǒng)函數(shù)| z0|處收斂。系統(tǒng)單位沖激響應(yīng)在有限個(gè) n 值處不為零。結(jié)構(gòu)上主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒(méi)有輸出到輸入的反饋。故只能用較高的階數(shù)達(dá)到高的選擇性。FIR數(shù)字濾波器的幅頻特性精度較之于 IIR 數(shù)字濾波器低，但是線性相位即不同頻率分量的信號(hào)經(jīng)過(guò)FIR 數(shù)字濾波器后他們的時(shí)間差不變。FIR 數(shù)字濾波器具有系統(tǒng)穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)相位控制，允許設(shè)計(jì)多帶通濾波器等優(yōu)點(diǎn)。FIR 數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)有四種：橫截性；級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)；頻率采樣型結(jié)構(gòu)；線性相位 FIR 濾波器的結(jié)構(gòu)（二）IIR 數(shù)字濾波器IIR 數(shù)字濾波器的特點(diǎn)：電位沖激響應(yīng) h(n)是無(wú)限長(zhǎng)的；系統(tǒng)函數(shù) H(z)在有限 z 平面上（0 |z|）有極點(diǎn)存在；結(jié)構(gòu)上存在著輸出到輸入的反饋，也就是結(jié)構(gòu)上是遞歸型的。IIR 濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成。有限階 IIR 的表達(dá)式： 3)()(01 knxbknyayMNk NkkzazXYH10)(IIR 數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)也有四種：直接 I 型；直接 II 型典范型；級(jí)聯(lián)型；并聯(lián)型。3.2.2 數(shù)字濾波器的選取由原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖可以看出，語(yǔ)音信號(hào)的能量集中在低頻部分，所以根據(jù)濾波器的特性和功能，所選擇的濾波器應(yīng)該具有濾除無(wú)用的高頻成分的作用，所以可以選用低通濾波器。又由于 IIR 數(shù)字濾波器的輸出不但取決于過(guò)去和現(xiàn)在的輸入，還取決于過(guò)去的輸出，所以，選擇IIR 數(shù)字濾波器比選擇 FIR 數(shù)字濾波器要好。所設(shè)計(jì)的 IIR 切比雪夫數(shù)字低通濾波器如下：T=1;Fs=1/T;Ap=1;As=10;Wp=0.55*pi/T;Ws=0.6*pi/T;wp=(2/T)*tan(Wp/2);ws=(2/T)*tan(Ws/2);N,wc=cheb1ord(wp,ws,Ap,As,s);B,A=cheby1(N,Ap,wc,s);Bz,Az=bilinear(B,A,Fs);H,W=freqz(Bz,Az,512,fs);3.3 濾除噪聲后的語(yǔ)音信號(hào)將加噪后的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)所設(shè)計(jì)的低通數(shù)字濾波器：r=filter(Bz,Az,x);并播放語(yǔ)音，聽(tīng)其效果。0 1 2 3x 10400.511.5 低低低低低0 5 10 15-1-0.500.51低低低低低低低低低低低-4 -2 0 2 4x 1040100020003000 低低低低低-4 -2 0 2 4x 1040100020003000 低低低低低低低低4由濾除噪聲后的語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖可以看出，噪音已被濾除，試聽(tīng)可知，原始語(yǔ)音信號(hào)基本沒(méi)有丟失。4.GUI 設(shè)計(jì)4.1 GUI 界面設(shè)計(jì)概述GUI 設(shè)計(jì)面板是 GUI 設(shè)計(jì)工具應(yīng)用的平面，面板上部提供了菜單和常用工具按鈕，左邊提供了多種如命令按鈕、單選按鈕、可編輯文本框、靜態(tài)文本框、彈出式菜單等。進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí), 首先單擊面板左邊所需的控件, 然后在右邊的圖形界面編輯區(qū)中再次單擊某一恰當(dāng)位置, 這時(shí)將在該位上為圖形界面添加相應(yīng)的控件。一個(gè)圖形界面的完成, 除了設(shè)計(jì)其外觀外, 還有相當(dāng)?shù)囊徊糠质峭ㄟ^(guò)屬性的設(shè)來(lái)完成的。應(yīng)用 MATLAB 制作這樣一個(gè)過(guò)程是非常方便的, 我們可以通過(guò) GUI 操作來(lái)看到。該環(huán)境下要設(shè)計(jì)一個(gè)界面友好的仿真軟件，一般應(yīng)完成以下兩個(gè)步驟：（1）GUI 界面設(shè)計(jì)。主要是通過(guò)不同的文本框、按鈕等許多工具的使用，設(shè)計(jì)出一個(gè)圖形用戶界面。要清楚這個(gè)圖形界面的功能是什么，即在圖形界面上的操作會(huì)引發(fā)什么樣的結(jié)果。（2）回調(diào)函數(shù)的設(shè)計(jì)。用戶應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)好的圖形界面的功能，針對(duì)各個(gè)不同的圖形對(duì)象來(lái)編寫出能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的函數(shù)代碼，確保這個(gè)圖形界面能夠完成所預(yù)定的功能。4.2 GUI 界面設(shè)計(jì)具體操作在 matlab 命令行窗口中輸入 guide 或點(diǎn)擊 matlab 界面上面的菜單中的 圖標(biāo)，打開(kāi) gui設(shè)計(jì)的圖形界面。然后拖入所要的圖形控件，按需要修改外觀和空間屬性，直至滿足要求。設(shè)置屬性點(diǎn)擊 guide 界面上方的 Run 按鈕，會(huì)生成一個(gè) fig 文件，一個(gè) m 文件，其中 fig 文件就是界面的圖形，m 文件是界面的回調(diào)函數(shù)，在 m 文件里每個(gè)控件的回調(diào)函數(shù)都已經(jīng)自動(dòng)生成，控件要做的工作就是在文件框架下定義某些特殊要求的狀態(tài)并補(bǔ)充完整回調(diào)函數(shù)場(chǎng), 使單擊控件時(shí)激活回調(diào)程序完成一定的功能。4.3GUI 界面演示51.初始界面2.輸入相應(yīng)參數(shù)并點(diǎn)擊相應(yīng)控件后界面65.課程設(shè)計(jì)總結(jié)這次的課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)數(shù)字信號(hào)處理有了更深的認(rèn)識(shí)，對(duì) Matlab 能更熟練地應(yīng)用，對(duì)matlab GUI 有了更多的了解。對(duì)于 GUI 在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用中，數(shù)字信號(hào)處理這門學(xué)科的知識(shí)是基礎(chǔ)，要掌握數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)的原理后，并用代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，才能很好地結(jié)合MATLAB 進(jìn)行 GUI 編程。參考文獻(xiàn)1陳后金數(shù)字信號(hào)處理第二版北京：高等教育出版社，2008.112劉衛(wèi)國(guó)MATLAB 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用第二版北京：高等教育出版社，2006.77附錄%GUI 源程序function varargout = gui_lmj(varargin)% GUI_LMJ MATLAB code for gui_lmj.fig% GUI_LMJ, by itself, creates a new GUI_LMJ or raises the existing% singleton*.% H = GUI_LMJ returns the handle to a new GUI_LMJ or the handle to% the existing singleton*.% GUI_LMJ(CALLBACK,hObject,eventData,handles,.) calls the local% function named CALLBACK in GUI_LMJ.M with the given input arguments.% GUI_LMJ(Property,Value,.) creates a new GUI_LMJ or raises the% existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are% applied to the GUI before gui_lmj_OpeningFcn gets called. An% unrecognized property name or invalid value makes property application% stop. All inputs are passed to gui_lmj_OpeningFcn via varargin.% *See GUI Options on GUIDEs Tools menu. Choose “GUI allows only one% instance to run (singleton)“.% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES% Edit the above text to modify the response to help gui_lmj% Last Modified by GUIDE v2.5 07-Jan-2015 10:29:29% Begin initialization code - DO NOT EDITgui_Singleton = 1;gui_State = struct(gui_Name, mfilename, .gui_Singleton, gui_Singleton, .gui_OpeningFcn, gui_lmj_OpeningFcn, .gui_OutputFcn, gui_lmj_OutputFcn, .gui_LayoutFcn, , .gui_Callback, );if nargin endif nargoutvarargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else8gui_mainfcn(gui_State, varargin:);end% End initialization code - DO NOT EDIT% - Executes just before gui_lmj is made visible.function gui_lmj_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)% This function has no output args, see OutputFcn.% hObject handle to figure% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)% varargin command line arguments to gui_lmj (see VARARGIN)% Choose default command line output for gui_lmjhandles.output = hObject;% Update handles structureguidata(hObject, handles);% UIWAIT makes gui_lmj wait for user response (see UIRESUME)% uiwait(handles.figure1);% - Outputs from this function are returned to the command line.function varargout = gui_lmj_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);% hObject handle to figure%