基于MATLAB GUI的“濾波器設(shè)計(jì)軟件”設(shè)計(jì)

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1、 MATLAB課程設(shè)計(jì)報(bào)告 基于MATLAB GUI的“濾波器設(shè)計(jì)軟件”設(shè)計(jì) 47 摘 要 面對(duì)龐雜繁多的原始信號(hào), 如何提取所需信號(hào)、抑制不需要的信號(hào)這就需要使用濾波器。濾波器的作用主要是選擇所需頻帶的信號(hào)內(nèi)容而抑制不需要的其他頻帶的信號(hào)內(nèi)容。數(shù)字濾波器因其精度高、可靠性好、靈活性大等優(yōu)點(diǎn), 在語音信號(hào)處理、信號(hào)頻譜估計(jì)、信號(hào)去噪、無線通信中的數(shù)字變頻以及圖像處理等工程實(shí)際應(yīng)用中都很廣泛。根據(jù)其沖擊響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特性可將數(shù)字濾波器分為IIR（有限長沖擊響應(yīng)）和FIR（無限長沖擊響應(yīng)）。作為強(qiáng)大的計(jì)

2、算軟件, MATLAB提供了編寫圖形用戶界面的功能。所謂圖形用戶界面, 簡稱為GUI, 是由各種圖形對(duì)象, 如圖形窗口菜單按鈕、文本框等構(gòu)建的用戶界面。 MATALB 可以創(chuàng)建圖形用戶界面GUI ( GraphicalUser Interface) ,它是用戶和計(jì)算機(jī)之間交流的工具。MATLAB 將所有GUl 支持的用戶控件都集成在這個(gè)環(huán)境中并提供界面外觀、屬性和行為響應(yīng)方式的設(shè)置方法,隨著版本的提高,這種能力還會(huì)不斷加強(qiáng)。而且具有強(qiáng)大的繪圖功能,可以輕松的獲得更高質(zhì)量的曲線圖。 關(guān)鍵詞：MATLAB GUI IIR濾波器 FIR濾波器 目 錄 1設(shè)計(jì)任務(wù) 1 2 MATLA

3、B GUI的簡介 2 3 濾波器設(shè)計(jì)原理 3 3.1濾波器概述 3 3.2 IIR數(shù)字濾波器 4 3.2.1 IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理 4 3.2.2 IIR濾波器設(shè)計(jì)思想 5 3.2.3 IIR濾波器設(shè)計(jì)編程實(shí)現(xiàn) 6 3.3 FIR數(shù)字濾波器 8 3.3.1 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理 8 3.3.2 FIR濾波器設(shè)計(jì)思想 9 4 基于Matlab GUI的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn) 12 4. 1 GUI界面設(shè)計(jì)概述 12 4.2 “濾波器設(shè)計(jì)軟件”設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)任務(wù) 14 4.3 基于Matlab GUI的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 16 4.3.1 “濾波器設(shè)

4、計(jì)軟件”GUI界面設(shè)計(jì) 16 4.3.2 “濾波器設(shè)計(jì)軟件”回調(diào)函數(shù)編寫 17 4.3.3AutoChoose.m程序的編寫 22 4.4 運(yùn)行和結(jié)果顯示 28 5 設(shè)計(jì)總結(jié)和心得 33 5.1 設(shè)計(jì)總結(jié) 33 5.2 設(shè)計(jì)心得 34 Abstract 35 參考文獻(xiàn) 36 附錄 1設(shè)計(jì)任務(wù) 1 設(shè)計(jì)目的 1.鞏固所學(xué)習(xí)過的關(guān)于數(shù)字信號(hào)處理的濾波器的設(shè)計(jì) 2.學(xué)習(xí)使用MATLAB GUI設(shè)計(jì)工具應(yīng)用平面 2 設(shè)計(jì)要求 要求：“濾波器設(shè)計(jì)軟件”設(shè)計(jì) 1、要有人機(jī)交互界面。 2、濾波器設(shè)計(jì)的類型、參數(shù)均有多個(gè)值可供選擇。 3、當(dāng)用戶選擇（或輸入）濾

5、波器的參數(shù)時(shí)，能夠及時(shí)顯示設(shè)計(jì)好的濾波器的頻譜。 4、該軟件可設(shè)計(jì)FIR或IIR型濾波器至少一種。 2 MATLAB GUI的簡介 　　MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。 　　MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡稱，和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。M

6、ATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用

7、。 MATALB 可以創(chuàng)建圖形用戶界面GUI ( GraphicalUser Interface) ,它是用戶和計(jì)算機(jī)之間交流的工具。MATLAB 將所有GUl 支持的用戶控件都集成在這個(gè) 環(huán)境中并提供界面外觀、屬性和行為響應(yīng)方式的設(shè)置方法,隨著版本的提高,這種能力還會(huì)不斷加強(qiáng)。而且具有強(qiáng)大的繪圖功能,可以輕松的獲得更高質(zhì)量的曲線圖。 3 濾波器設(shè)計(jì)原理 3.1濾波器概述 隨著信息時(shí)代和數(shù)字世界的到來,數(shù)字信號(hào)處理已成為當(dāng)今一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)處理在通信、語音、圖像,自動(dòng)控制、雷達(dá)、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛

8、的應(yīng)用。在數(shù)字信號(hào)處理中,數(shù)字濾波器占有極其重要的地位?，F(xiàn)代數(shù)字濾波器可以用軟件或設(shè)計(jì)專用的數(shù)字處理硬件兩種方式來實(shí)現(xiàn),用軟件來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器優(yōu)點(diǎn)是隨著濾波器參數(shù)的改變,很容易改變?yōu)V波器的性能。根據(jù)數(shù)字濾波器單脈沖響應(yīng)的時(shí)域特性可將數(shù)字濾波器分為兩種, 即IIR （Infinite Impulse Response）無限長脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器和FIR (Finite Impulse Response)有限長脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器。從功能上分類, 可分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器。 3.2 IIR數(shù)字濾波器 3.2.1 I

9、IR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理 濾波器的設(shè)計(jì)質(zhì)上是尋找一個(gè)既能物理實(shí)現(xiàn)，又能滿足給定頻率特性指標(biāo)要求的系統(tǒng)傳輸函數(shù)。IIR濾波器一般采用遞歸型的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的輸入與輸出服從N階差分方程： 相應(yīng)的傳輸函數(shù)為： 設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器就是要確定傳輸函數(shù)中的系數(shù)、或零極點(diǎn)增益、、A，使濾波器的頻率特性滿足給定的性能指標(biāo)要求。設(shè)計(jì)原理主要包括兩個(gè)方面：一是根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，先設(shè)計(jì)出相應(yīng)的模擬濾波器再通過脈沖響應(yīng)不變法或雙線性變換法轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字濾波器；二是選擇一種優(yōu)準(zhǔn)則，如最小均方準(zhǔn)則，再在 ， 先最誤差此準(zhǔn)則下求出濾波器傳輸函數(shù)的系數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)理論，在MATLAB環(huán)境下設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾

10、波器主要有四種方法：一是典型設(shè)計(jì)法；二是完全設(shè)計(jì)法；三是最優(yōu)設(shè)計(jì)法；四是工具設(shè)計(jì)法。由于完全設(shè)計(jì)法程序簡單，我們在這里利用完全設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)濾波器。 3.2.2 IIR濾波器設(shè)計(jì)思想 IIR濾波器設(shè)計(jì)思想是：利用已有的模擬濾波器設(shè)計(jì)理論，首先根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)合適的模擬濾波器，然后再通過脈沖響應(yīng)不變法或雙線性變換法，完成從模擬到數(shù)字的變換。常用的模擬濾波器有巴特沃斯(Butterworth)濾波器、切比雪夫(Chebyshev) 濾波器、橢圓(Ellipse)濾波器、貝塞爾(Bessel)濾波器等，這些濾波器各有特點(diǎn)，供不同設(shè)計(jì)要求選用。濾波器的模擬數(shù)字

11、變換，通常是復(fù)變函數(shù)的映射變換，也必須滿足一定的要求 由于數(shù)字濾波器傳輸函數(shù)只與頻域的相對(duì)值有關(guān)，故在設(shè)計(jì)時(shí)可先將濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，設(shè)采樣頻率為Fs，歸一化頻率的計(jì)算公式是： 利用完全設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的步驟： （1）將設(shè)計(jì)指標(biāo)歸一化處理。 （2）根據(jù)歸一化頻率，確定最小階數(shù)N 和頻率參數(shù)Wn?？晒┻x用的階數(shù)選擇函數(shù)有:buttord，cheblord，cheb2ord，ellipord 等。 （3）運(yùn)用最小階數(shù)N 設(shè)計(jì)模擬低通濾波器原型。根據(jù)最小階數(shù)直接設(shè)計(jì)模擬低通濾波器原型，用到的函數(shù)有：butter, chebyl,cheby2, ellip 和be

12、ssel。如[B,A] = butter(N,Wn,type) 設(shè)計(jì)type型巴特沃斯(Butterworth)濾波器filter。N為濾波器階數(shù)，Wc為截止頻率， type決定濾波器類型， type= high，設(shè)計(jì)高通IIR濾波器，ftype= stop，設(shè)計(jì)帶阻IIR濾波器。 （4）再用freqz 函數(shù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。 3.2.3 IIR濾波器設(shè)計(jì)編程實(shí)現(xiàn) 例如選擇設(shè)計(jì)IIR的Butterworth低通濾波器，其Fs=22050Hz，F(xiàn)p1=3400Hz， Fs1=5000Hz,Rp=2dB,Rs=20dB 程序和效果圖（圖2）如下： Fs=

13、22050；Fp1=3400；Fs1=5000；Rp=3；Rs=20；%設(shè)計(jì)指標(biāo) wp1=2*Fp1 /Fs；ws1=2*Fs1 /Fs；%求歸一化頻率 % 確定butterworth 的最小階數(shù)N 和頻率參數(shù)Wn [n,Wn]=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs)； [B,A] = butter(N,Wn)；%確定傳遞函數(shù)的分子、分母系數(shù) [h,f]=freqz(b,a,Nn,Fs_value);%生成頻率響應(yīng)參數(shù) plot(f,20*log(abs(h))) %畫幅頻響應(yīng)圖 plot(f,angle(h)); %畫相頻響應(yīng)圖 %[N, Wn] = butto

14、rd(Wp, Ws, Rp, Rs) 確定butterworth 的N 和Wn %[N, Wn] = cheblord ( (Wp, Ws, Rp, Rs) 確定Chebyshev濾波器的N 和Wn %[N, Wn] = cheb2ord (Wp, Ws, Rp, Rs) 確定Chebyshev2濾波器的N 和Wn %[N, Wn] = ellipord (Wp, Ws, Rp, Rs) 確定橢圓(Ellipse) 濾波器 的N 和Wn %[B,A] = butter(N,Wn,type) 設(shè)計(jì)type型巴特沃斯(Butterworth)濾波器filter. %[B,A] = che

15、by1 (N,R,Wn, type) 設(shè)計(jì)type型切比雪夫Ⅰ濾波器filter. %[B,A] = cheby2(N,R,Wn, type) 設(shè)計(jì)type型切比雪夫Ⅱ?yàn)V波器filter. %[B,A] = ellip(N,Rp,Rs,Wn, type) 設(shè)計(jì)type 型橢圓filter. 圖 2 Butterworth低通濾波器 3.3 FIR數(shù)字濾波器 3.3.1 FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理 根據(jù)數(shù)字濾波器沖激響應(yīng)的時(shí)域特征,可將數(shù)字濾波器分為2種,即無限長沖激響應(yīng)濾波器( IIR DF)和有限

16、長沖激響應(yīng)濾波器( F IR DF) 。F IR DF具有突出的優(yōu)點(diǎn):系統(tǒng)總是穩(wěn)定的、易于實(shí)現(xiàn)線性相位、允許設(shè)計(jì)多通帶(或多阻帶)濾波器。因此F IR DF在數(shù)字信號(hào)處理中得到廣泛的應(yīng)用。但與IIR DF相比,在滿足同樣的阻帶衰減的情況下需要較高的階數(shù)。濾波器階數(shù)越高將占用更多的DSP運(yùn)算時(shí)間。因此,對(duì)F IR DF的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足指標(biāo)要求的情況下盡量減少濾波器的階數(shù)。數(shù)字濾波器可以理解為是一個(gè)計(jì)算程序或算法,將代表輸入信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為代表輸出信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列,并在轉(zhuǎn)化過程中,使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。FIR DF的沖激響應(yīng)h ( k)是有限長的M 階F IR DF系統(tǒng)函數(shù)可表示為

17、 濾波器的輸出 它的設(shè)計(jì)問題實(shí)質(zhì)上是確定能滿足所要求的轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應(yīng)的常數(shù)問題,設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋最佳逼近法等。若要逼近的理想濾波器的頻率響應(yīng)為常用的有巴特沃思濾波器、切比雪夫型濾波器、橢圓濾波器和巴塞爾濾波器。 3.3.2 FIR濾波器設(shè)計(jì)思想 在這里我們利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器。窗函數(shù)法的基本想法是選取某一種合適的理想頻率選擇性濾波器(這種濾波器總是有一個(gè)非因果，無限長的脈沖響應(yīng)),然后將它的脈沖響應(yīng)截?cái)?或加窗)以得到一個(gè)線形相位和因果的FIR濾波器。因此,這種方法的重點(diǎn)在于選擇某種恰當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)和一種合適

18、的理想濾波器。 窗函數(shù)法又稱傅立葉級(jí)數(shù)法, 一般是先給定所要求的濾波器的頻率響應(yīng)Hd ( ejw) , 要求設(shè)計(jì)一個(gè)FIR 濾波器的頻率響應(yīng)H( ejw) 來逼近Hd( ejw) .設(shè)計(jì)是在時(shí)域進(jìn)行的, 首先由傅立葉變換導(dǎo)出hd( n) , 因此hd( n) 一定是無限長的序列, 而h( n) 是有限長的, 即要用有限長的h( n) 來逼近無限長的hd( n) , 最有效的方法是截?cái)鄅d ( n) , 或者說用一個(gè)有限長的窗口函數(shù)w( n) 來截取hd( n) , 即: h( n) = hd( n) w( n) , 因而窗函數(shù)的形狀及長度的選擇就很關(guān)鍵了. 在MATLAB 中常用的窗函數(shù)有矩

19、形窗, Hanning 窗, Hamming 窗, Blackman 窗,Kaiser 窗等, 這些窗函數(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn), 各有利弊, 默認(rèn)值是Hamming 窗。 利用完全設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的步驟： （1）將設(shè)計(jì)指標(biāo)歸一化處理。 （2）根據(jù)歸一化頻率，選擇函數(shù)buttord確定最小階數(shù)N 和頻率參數(shù)Wn。 （3）確定窗口值。Windows指定窗函數(shù)類型，默認(rèn)為Hamming窗；可選Hanning、Hamming、Blackman、triangle、bartlett等窗，每種窗都可以由Matlab的相應(yīng)函數(shù)生成。 （4）確定傳遞函數(shù)的分母系數(shù)。函數(shù)fir1的調(diào)用格式為B= fir1

20、(n, Wn, ftype, Windows)，同時(shí)選擇在此函數(shù)中選擇要設(shè)計(jì)的濾波器的類型。其中，n為濾波器階數(shù)，Wc為截止頻率ftype決定濾波器類型，ftype= high，設(shè)計(jì)高通FIR濾波器，ftype= stop，設(shè)計(jì)帶阻FIR濾波器。 （5）再用freqz 函數(shù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。 3.3.3 FIR濾波器設(shè)計(jì)編程實(shí)現(xiàn) 例如選擇設(shè)計(jì)FIR的Blackman窗的低通濾波器，其Fs=22050Hz，F(xiàn)p1=3400Hz，F(xiàn)s1=5000Hz,Rp=2dB,Rs=20dB 程序和效果圖（圖 3）如下： Fs=22050；Fp1=3400；Fs1=5000；Rp=3；Rs=20；n

21、=75;%設(shè)計(jì)指標(biāo) wp1=2*Fp1 /Fs；ws1=2*Fs1 /Fs；%求歸一化頻率 % 確定的最小階數(shù)N 和頻率參數(shù)Wn [n,Wn]=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs)； [b,a] = butter(N,Wn)；%確定傳遞函數(shù)的分子、分母系數(shù) w=blackman(n+1); %確定窗口值 % w=boxcar(n+1); % w=bartlett(n+1); % w=triang(n+1); % w=hanning(n+1); % w=hamming(n+1); b=fir1(n,wn,w);% 確定傳遞函數(shù)的分母系數(shù) [h,f]=freqz(b

22、,1); %生成頻率響應(yīng)參數(shù) plot(f,20*log(abs(h))) %畫幅頻響應(yīng)圖 plot(f,angle(h)); %畫相頻響應(yīng)圖 圖 3 Blackman窗低通濾波器 4 基于Matlab GUI的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn) 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

23、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^屬性的設(shè)來完成的。因此在設(shè)置這些屬性時(shí), 要注意下面幾個(gè)常用又很重要的屬性設(shè)置： 1、控件風(fēng)格和外觀 （1）BackgroundColor：設(shè)置控件背景顏色，使用[R G B]或顏色定義。 （2）CData：在控件上顯示的真彩色圖像，使用矩陣表示。 （3）ForegroundColor：文本顏色。 （4）String屬性：控件上的文本，以及列表框和彈出菜單的選項(xiàng)。 （5）Visible：控件是否可見。 2、對(duì)象的常規(guī)信息

24、 （1）Enable屬性： 表示此控件的使能狀態(tài)，設(shè)置為on”，表示可選，為“off”時(shí)則表示不可選。 （2）Style：控件對(duì)象類型。 （3）Tag：控件表示（用戶定義）。 （4）TooltipString屬性：提示信息顯示。當(dāng)鼠標(biāo)指針位于此控件上時(shí)，顯示提示信息。 （5）UserData：用戶指定數(shù)據(jù)。 （6）Position：控件對(duì)象的尺寸和位置。 （7）Units：設(shè)置控件的位置及大小的單位 （8）有關(guān)字體的屬性，如 FontAngle， FontName等。 3、控件回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行 （1）BusyAction：處理回調(diào)函數(shù)的中

25、斷。有兩種選項(xiàng)：即Cancel：取消中斷事件，queue：排隊(duì)（默認(rèn)設(shè)置）。 （2）ButtonDownFcn屬性：按鈕按下時(shí)的處理函數(shù)。 （3）CallBack屬性：是連接程序界面整個(gè)程序系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)性功能的紐帶。該屬性值應(yīng)該為一個(gè)可以直接求值的字符串，在該對(duì)象被選中和改變時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)地對(duì)字符串進(jìn)行求值。 （4）CreateFcn：在對(duì)象產(chǎn)生過程中執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)。 （5）DeleteFcn：刪除對(duì)象過程中執(zhí)行的回調(diào)函數(shù)。 （6）Interruptible屬性：指定當(dāng)前的回調(diào)函數(shù)在執(zhí)行時(shí)是否允許中斷，去執(zhí)行其他的函數(shù)。 4、控件當(dāng)前狀態(tài)信息 （1）Li

26、stboxTop：在列表框中顯示的最頂層的字符串的索引。 （2）Max：最大值。 （3）Min：最小值。 （4）Value：控件的當(dāng)前值。 應(yīng)用MATLAB制作這樣一個(gè)過程是非常方便的, 我們可以通過GUI操作來看到。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

27、界面能夠完成所預(yù)定的功能。 4.2 “濾波器設(shè)計(jì)軟件”設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)任務(wù) “濾波器設(shè)計(jì)軟件”設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)任務(wù)如下： 1、能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互 2、在下拉Digital Filter菜單里選擇IIR和FIR濾波器設(shè)計(jì) 3、當(dāng)選擇IIR濾波器時(shí)，能夠選擇巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫Ⅰ(ChebyshevⅠ)濾波器、切比雪夫Ⅱ(ChebyshevⅡ)濾波器、橢圓(Ellipse)濾波器 4、當(dāng)選擇FIR濾波器是，能夠選擇Boxar、Bartlett、Blackman、Hanning、Hamming、Kaiser窗口設(shè)計(jì)濾波器 5、在下拉菜單F

28、ilter Type中選擇濾波器類型，能夠選擇Lowpass、Highpass、Bandpass、Bandstop四種類型 6、在下拉菜單Display Type中選擇圖形顯示類型，能夠選擇Linear、Logarithmic兩種類型 7、在設(shè)計(jì)濾波器階數(shù)時(shí)，可選擇自定義階數(shù)和利用最小階數(shù)設(shè)計(jì)濾波器，并顯示最小階數(shù) 8、在參數(shù)輸入中，可輸入抽樣頻率Fs、濾波器通帶臨界頻率（Fp1、Fp2）、濾波器阻帶臨界頻率（Fst1、Fst2）、通帶內(nèi)的最大衰減Rp、通帶內(nèi)的最小衰減Rs 9、設(shè)計(jì)的濾波器的幅頻響應(yīng)和幅頻響應(yīng)顯示在界面中 MATLAB中的屬性控制非常多, 要設(shè)置哪些對(duì)象的屬性

29、, 哪些可以不設(shè)置, 都需針對(duì)具體問題具體分析解決。接下來再通過控件布置編輯器來設(shè)置控件的對(duì)齊方式及間距等, 以完善界面功能。按要求設(shè)計(jì)好的“濾波器設(shè)計(jì)軟件”主面板見圖4, 共包括5個(gè)區(qū)域： （1）圖形區(qū)：用于顯示各模塊的仿真曲線 （2）參數(shù)設(shè)區(qū)：由個(gè)靜態(tài)文本框和個(gè)編輯框以及類型選擇按紐組成, 實(shí)時(shí)的進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定和濾波器原型的選定 （3）對(duì)象模型區(qū)：由下拉菜單選定數(shù)字濾波器類型, 當(dāng)用戶的輸人參數(shù)發(fā)生變化時(shí), 可通過單擊響應(yīng)的“ Run”按鈕, 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的實(shí)時(shí)刷新與顯示 （4）數(shù)據(jù)顯示區(qū)：對(duì)應(yīng)于圖形顯示結(jié)果, 實(shí)時(shí)顯示濾波器階次和分子分母多項(xiàng)式系數(shù)。 圖 4 “濾波

30、器設(shè)計(jì)軟件”主面板 4.3 基于Matlab GUI的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 4.3.1 “濾波器設(shè)計(jì)軟件”GUI界面設(shè)計(jì) 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gui設(shè)計(jì)的圖形界面如圖5 。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，如圖6。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)

31、場, 使單擊控件時(shí)激活回調(diào)程序完成一定的功能。 圖 5 GUI設(shè)計(jì)的圖形界面 圖6 “濾波器設(shè)計(jì)軟件”GUI界面設(shè)計(jì) 4.3.2 “濾波器設(shè)計(jì)軟件”回調(diào)函數(shù)編寫 設(shè)計(jì)總框圖如圖7所示 圖7 設(shè)計(jì)總框圖 1、Digital Filter下拉菜單 在下拉Digital Filter菜單里選擇IIR和FIR濾波器設(shè)計(jì) 選擇IIR或者FIR屏蔽相應(yīng)的選項(xiàng)，當(dāng)選擇IIR選項(xiàng)時(shí)，使FIR的Windows的選擇窗口不能使用，程序和效果圖（圖8 、圖9 ）如下：

32、 function DigitalFilter_Callback(hObject, eventdata, handles) %讀取此時(shí)選擇的濾波器選擇，“IIR、FIR” DigitalFilter_value=get(handles.DigitalFilter,Value); %當(dāng)選擇了IIR時(shí)，使窗口選項(xiàng)屏蔽 if(DigitalFilter_value==1) set(handles.FilterDesign,enable

33、,on); set(handles.Windows,enable,off) %當(dāng)選擇了FIR時(shí)，使IIR的濾波器（Butterworth、 ChebyshevⅠ等）選項(xiàng)屏蔽 else set(handles.FilterDesign,enable,off); set(handles.Windows,enable,on) end 圖8 IIR濾波器選擇

34、 圖 9 FIR濾波器選擇 2、Filter Type下拉菜單 在下拉菜單Filter Type中選擇濾波器類型 選擇低通或者高通濾波器時(shí)，隱藏相應(yīng)的帶通和帶阻的第二個(gè)臨界頻率，使其頻率參數(shù)不能輸入，程序和效果圖（圖10 、圖11 ）如下： function FilterType_Callback(hObject, eventdata, handles) %讀取此時(shí)設(shè)計(jì)的濾波器的類型，“Lowpass、Highpass、Bandpass、Bandstop” FilterType_value=get(handles.FilterType

35、,Value); %當(dāng)選擇Lowpass或者Highpass，屏蔽相應(yīng)的臨界頻率的顯示 if((FilterType_value==1)||(FilterType_value==2)) set(handles.Fp2,visible,off);set(handles.Fs2,visible,off); set(handles.text17,visible,off);set(handles.text19,visible,off); set(handl

36、es.text6,visible,off);set(handles.text10,visible,off); else %當(dāng)選擇Bandpass或者Bandstop，使相應(yīng)的臨界頻率的顯示，使參數(shù)能夠輸入 if((FilterType_value==3)||(FilterType_value==4)) set(handles.Fp2,visible,on);set(handles.Fs2,visible,on); se

37、t(handles.text17,visible,on);set(handles.text19,visible,on); set(handles.text6,visible,on);set(handles.text10,visible,on); end end 圖10低通、高通濾波器頻率參數(shù)輸入 圖11 低通、高通濾波器頻率參數(shù)輸入 3、Min Order和Custom Orde按鈕 在設(shè)計(jì)濾波器階數(shù)時(shí)，可選擇自定義階數(shù)和利用最小階數(shù)設(shè)計(jì)濾波器，并顯示最

38、小階數(shù) ，這里涉及的控件Min Order和Custom Order，其回調(diào)函數(shù)如下： （1）按鈕Min Order 選擇使用最小階數(shù)設(shè)置時(shí)，屏蔽自定義階數(shù)的輸入，如圖12： function MinOrder_Callback(hObject, eventdata, handles) MinOrder_value=get(handles.MinOrder,Value); if(MinOrder_value==1) set(handles.Order,visi

39、ble,off); else set(handles.Order,visible,on); end （2）按鈕Custom Order 選擇自定義階數(shù)時(shí)，顯示階數(shù)輸入框，如圖13 function CustomOrderButton_Callback(hObject, eventdata, handles) CustomOrderButton_value=get(handles.CustomOrderButton,Value);

40、 if(CustomOrderButton_value==0) set(handles.Order,visible,off); else set(handles.Order,visible,on); end （3）其中涉及Run控件中的程序如下： ①顯示最小階數(shù) set(handles.MinOrderDisplay,strin

41、g,num2str(n)) ②當(dāng)選擇了自定義階數(shù)時(shí)，讀取自定義階數(shù) if(MinOrder_value==0) n=str2double(get(handles.Order,String)) end 圖12 使用最小階數(shù)設(shè)計(jì)Filter 圖13 使用自定義階數(shù)設(shè)計(jì)Filter 4、Fp1、Fp2、Fst1、Fst2文本編輯框 參數(shù)輸入時(shí)，在輸入抽樣頻率Fs的前提下，判斷濾波器通帶臨界頻率（Fp1、Fp2）、濾波器阻帶臨界頻率（Fst1、Fst2）的歸一化頻率wp1、 wp2、ws1、ws1是否在[0,1]之間，如不正確顯示錯(cuò)

42、誤對(duì)話框，其程序和效果圖（圖14）如下： function Fp1_Callback(hObject, eventdata, handles) %檢查輸入的通帶臨界頻率Fp1的歸一化頻率是否在[0,1]之間 Fs_value=str2double(get(handles.Fs,String)); Fp1_value=str2double(get(handles.Fp1,String)); wp1=2*Fp1_value/Fs_value; %如果不在[0,1]之間，顯示輸入錯(cuò)誤對(duì)話框 if(wp1>=1) errordlg(‘wp1=2*Fp1/Fs,歸一化頻率不在

43、【0，1】之間，請輸入正確的參數(shù)’,‘錯(cuò)誤信息’) end 圖 14 輸入?yún)?shù)錯(cuò)誤信息框顯示 Fp2、Fst1、Fst2的回調(diào)函數(shù)同理編程 5、Run按鈕 根據(jù)輸入的參數(shù)顯示設(shè)計(jì)的濾波器的幅頻特性和相頻特性圖，其程序如下： function Run_Callback(hObject, eventdata, handles) %點(diǎn)擊Run立即運(yùn)行AutoChoose,m文件，實(shí)現(xiàn)濾波器設(shè)計(jì)程序 AutoChoose(handles) 6、Auto Run按鈕 當(dāng)選擇了Auto Run按鈕時(shí)，能夠根據(jù)所選的IIR的濾波器（Butterworth、 Cheb

44、yshevⅠ等）、FIR的窗口選項(xiàng)、圖形顯示類型（Linear、Logarithmic）立即顯示濾波器的幅頻特性和相頻特性圖，其中IIR的濾波器（Butterworth、 ChebyshevⅠ等）的回調(diào)函數(shù)程序如下： function FilterDesign_Callback(hObject, eventdata, handles) AutoRun_value=get(handles.AutoRun,Value); %當(dāng)選擇了Filter（Butterworth、 ChebyshevⅠ等）中一種Filter運(yùn)行AutoChoose,m文件 if(AutoRun_value==

45、1) AutoChoose(handles) end 7、Quit按鈕 退出濾波器設(shè)計(jì)窗口，其程序如下： function Quit_Callback(hObject, eventdata, handles) %點(diǎn)擊Quti按鈕退出 Close 4.3.3AutoChoose.m程序的編寫 function AutoChoose(handles) Nn=128; DigitalFilter_value=get(handles.DigitalFilter,Value); FilterDesign_value=get(handles.Fil

46、terDesign,Value); Windows_value=get(handles.Windows,Value); FilterType_value=get(handles.FilterType,Value); DisplayType_value=get(handles.DisplayType,Value); Order_value=get(handles.Order,Value); Rp_value=str2double(get(handles.Rp,String)); Rs_value=str2double(get(handles.Rs,String)); Fs_valu

47、e=str2double(get(handles.Fs,String)); Fp1_value=str2double(get(handles.Fp1,String)); Fp2_value=str2double(get(handles.Fp2,String)); Fs1_value=str2double(get(handles.Fs1,String)); Fs2_value=str2double(get(handles.Fs2,String)); wp1=2*Fp1_value/Fs_value;wp2=2*Fp2_value/Fs_value; ws1=2*Fs1_value/F

48、s_value;ws2=2*Fs2_value/Fs_value; wp=[wp1,wp2];ws=[ws1,ws2]; if(DigitalFilter_value==1) if(FilterDesign_value==1) if((FilterType_value==1)||(FilterType_value==2)) [n,Wn]=buttord(wp1,ws1,Rp_value,Rs_value)； set(handles.MinOrderDisplay,string,num2str(n)) els

49、e if((FilterType_value==3)||(FilterType_value==4)) [n,Wn]=buttord(wp,ws,Rp_value,Rs_value)； set(handles.MinOrderDisplay,string,num2str(n)) end end else if(FilterDesign_value==2) if((FilterType_value==1)||(FilterTy

50、pe_value==2)) [n,Wn]=cheb1ord(wp1,ws1,Rp_value,Rs_value)； set(handles.MinOrderDisplay,string,num2str(n)) else if((FilterType_value==3)||(FilterType_value==4)) [n,Wn]=cheb1ord(wp,ws,Rp_value,Rs_value)；

51、 set(handles.MinOrderDisplay,string,num2str(n)) end end else if(FilterDesign_value==3) if((FilterType_value==1)||(FilterType_value==2)) [n,Wn]=cheb2ord(wp1,ws1,Rp_value,Rs_value)； set

52、(handles.MinOrderDisplay,string,num2str(n)) else if((FilterType_value==3)||(FilterType_value==4)) [n,Wn]=cheb2ord(wp,ws,Rp_value,Rs_value)； set(handles.MinOrderDisplay,string,num2str(n)) end

53、 end else if(FilterDesign_value==4) if((FilterType_value==1)||(FilterType_value==2)) [n,Wn]=ellipord(wp1,ws1,Rp_value,Rs_value)； set(handles.MinOrderDisplay,string,num2str(n)) else if((FilterT

54、ype_value==3)||(FilterType_value==4)) [n,Wn]=ellipord(wp,ws,Rp_value,Rs_value)； set(handles.MinOrderDisplay,string,num2str(n)) end end end end end end else if(DigitalFilt

55、er_value==2) if((FilterType_value==1)||(FilterType_value==2)) [n,Wn]=buttord(wp1,ws1,Rp_value,Rs_value); set(handles.MinOrderDisplay,string,num2str(n)) else if((FilterType_value==3)||(FilterType_value==4)) [n,Wn]=buttord(wp,ws,Rp_value,

56、Rs_value); set(handles.MinOrderDisplay,string,num2str(n)) end end end end MinOrder_value=get(handles.MinOrder,Value); if(MinOrder_value==0) n=str2double(get(handles.Order,String)) end switch DigitalFilter_value %數(shù)字濾波器IIR或者FIR選擇 case 1 %選擇I

57、IR濾波器 switch FilterDesign_value%IIR中Butterworth、Chebyshev1、Chebyshev2、Ellipise濾波器 case 1 %選擇Butterworth濾波器 switch FilterType_value%選擇濾波器類型 case 1 %低通濾波器 [b,a]=butter(n,Wn); [h,f]=freqz(b,a,Nn,Fs_value); axes(handles.Magnitude); %把下面程序得到的圖畫在Magazine if

58、(DisplayType_value==1) %選擇Linear畫幅頻圖 plot(f,abs(h)) %畫幅頻圖 else plot(f,20*log10(abs(h))) %選擇Logarithmic畫幅頻圖 end grid on; axes(handles.Phase); %把下面程序得到的圖畫在Phase plot(f,angle(h)); %畫相頻圖 grid on; case 2 %高通濾波器

59、 [b,a]=butter(n,Wn,high); [h,f]=freqz(b,a,Nn,Fs_value); axes(handles.Magnitude); if(DisplayType_value==1) plot(f,abs(h)) else plot(f,20*log10(abs(h))) end grid on; axes(handles.Ph

60、ase);plot(f,angle(h));grid on; case 3 %帶通濾波器 [b,a]=butter(n,Wn); [h,f]=freqz(b,a,Nn,Fs_value); axes(handles.Magnitude); if(DisplayType_value==1) plot(f,abs(h)) else plot(f,20*log10(abs(h))) end grid on;

61、 axes(handles.Phase);plot(f,angle(h));grid on; case 4 %帶阻濾波器 [b,a]=butter(n,Wn,stop); [h,f]=freqz(b,a,Nn,Fs_value); axes(handles.Magnitude); if(DisplayType_value==1) plot(f,abs(h)) else plot(f,20*log10(abs(h))) end

62、 grid on; axes(handles.Phase);plot(f,angle(h));grid on; end case 2 %選擇設(shè)計(jì)Chebyshev1濾波器 …… case 3 %選擇設(shè)計(jì)Chebyshev2濾波器 …… case 4 %選擇設(shè)計(jì)Ellipse濾波器 …… end case 2 %選擇FIR濾波器 switch Windows_value %FIR中的Windows選擇 case 1 %

63、選擇設(shè)計(jì)boxar濾波器 …… case 2 %選擇設(shè)計(jì)Bartlett濾波器 …… case 3 %選擇設(shè)計(jì)Blackman濾波器 …… case 4 %選擇設(shè)計(jì)hanning濾波器 …… case 5 %選擇設(shè)計(jì)hamming濾波器 …… case 6 %選擇設(shè)計(jì)kaiser濾波器 …… end end 4.4 運(yùn)行和結(jié)果顯示 1 運(yùn)行和結(jié)果顯示 在圖形界面下, 按“ 運(yùn)行” ,出現(xiàn)如圖15 所示界面，選擇要設(shè)計(jì)的濾波器選項(xiàng)，編輯框中輸人要求設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器的性能指標(biāo),, 選擇“Run”命令按鈕,

64、出現(xiàn)如圖所示的模擬低通原型濾波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線, 最小階次。當(dāng)選擇了“Auto Run”按鈕，在“濾波器類型選擇”旁的下拉菜單框中選擇其他類型的濾波器會(huì)立刻出現(xiàn)此類型的濾波器的圖形。 例如選擇設(shè)計(jì)IIR的Butterworth低通濾波器，其Fs=1000Hz，F(xiàn)p1=100Hz， Fs1=300Hz,Rp=3dB,Rs=20dB,n=4,顯示如圖16 圖15 運(yùn)行顯示界面 圖 16 Butterworth低通濾波器 2 顯示不同濾波器的顯示結(jié)果 1、選擇設(shè)計(jì)IIR低通濾波器，其Fs=10

65、00Hz，F(xiàn)p1=100Hz，F(xiàn)s1=300Hz, Rp=3dB,Rs=20dB,n=4,利用四種不同濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖17、18、19、20顯示： 圖17 Butterworth低通濾波器 圖18 ChebyshevⅠ低通濾波器 圖19 ChebyshevⅡ低通濾波器 圖20 Ellipse低通濾波器 2、選擇設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器，其Fs=4000Hz，F(xiàn)p1=900Hz，F(xiàn)p2=1300Hz，F(xiàn)s1=600Hz, Fs2=1500Hz, Rp=1dB,Rs=40dB,n=20,Rp=3dB,Rs=20dB, n=4,利用四種不同濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖21、22、23、24、25、26顯示： 圖21 Boxar窗帶通濾波器 圖22 Bartlett窗帶通濾波器 圖22 Blackman窗帶通濾波器 圖23 Hanning窗帶通濾波器