【正文】 allback(hObject, eventdata, handles) 30 圖 59 FIR低通 ： function FIRLowPassButton_Callback(hObject, eventdata, handles) 31 圖 510 退出 ： function varargout=ExitButton_Callback(hObject, eventdata, handles) close(gcf) 32 圖 511雙線性變換法低通濾波器 ： function DDesignLowPassButton_Callback(hObject, eventdata, handles) 最后，使用說明。第一步：通過設(shè)置 GUIDE 應(yīng)用程序的選項(xiàng)來運(yùn)行 GUIDE；第二步：使用界面設(shè)計(jì)編輯器進(jìn)行面設(shè)計(jì)；第三步：編寫控件行為響應(yīng)控制（即回調(diào)函數(shù)）代碼。 FIG 文件：包括 GUI 圖形窗口 及其所有后裔的完全描述，包括所有對(duì)象屬性的屬性值。用戶通過一定的方法（如鼠標(biāo)或鍵盤）選擇、激活這些圖形對(duì)象，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動(dòng)作或變化，比如實(shí)現(xiàn)計(jì)算、繪圖等。 比較后可得 。 grid。 subplot(2,2,4)。 plot(s)。 title(?濾波后信號(hào)的頻譜 ?,?fontweight?,?bold?)。 axis([ 0 150000 0 4000])。 %求濾波后的信號(hào) figure。 %求 S 域的頻率響應(yīng)的參數(shù) [num11,den11]=bilinear(b11,a11,)。 wp=2*pi*Fp/Ft。 %語音信號(hào)加入噪聲 S=fft(s)。下面我們以 IIR 低通為例： [y,fs,nbits]=wavread (‘ OriSound’ )。其中， h 是系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)向量； x 是輸入序列向量； y 是系統(tǒng)的輸出序列向量； M 是有用戶選擇的輸入序列的分段長度，缺省時(shí)，默認(rèn)的輸入向量的重長度 M=512。 0 500 1000 15000200400600濾波前信號(hào)的頻譜0 500 1000 15000200400600濾波后信號(hào)的頻譜0 500 1000 15001012濾波前信號(hào)的波形0 500 1000 15001012濾波后的信號(hào)波形 圖 41 驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的濾波器 由所得結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的濾波器符合要求。,39。 title(39。)。,39。 subplot(2,2,3)。,39。 title(39。 subplot(2,2,2)。,39。 title(39。 20 subplot(2,2,1)。 %利用雙線性變換實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng) S 域到 Z 域的變換 z11=filter(num11,den11,s)。 %求低通濾波器的階數(shù)和截止頻率 [b11,a11]=butter(n11,wn11,39。 ws=2*pi*Fs/Ft。 Ft=8000。fontweight39。 plot(abs(S))。bold39。加噪語音信號(hào)的時(shí)域波形 39。 y=s+*rand(1,N)。 19 4 進(jìn)行濾波，比較濾波前后語音信號(hào)的波形及頻譜 驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的濾波器 為了驗(yàn)證濾波器的可使用性，我們用常用的 sin 函數(shù)來進(jìn)行驗(yàn)證。 legend(?IIR 低通濾波器 ?,?Location?,?NorthWest?)。 [num11,den11]=bilinear(b11,a11,)。 fp=2*Ft*tan(wp/2)。 Fp=1000。 MATLAB 信號(hào)處理工具箱函數(shù) buttp buttor butter 是巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)，其 有 5 種調(diào)用格式，本課程設(shè)計(jì)中用到的是 [N,wc]=butter(N,wc,Rp,As,?s?),該格式用于計(jì)算巴特沃斯模擬濾波器的階數(shù) N 和 3dB 截止頻率 wc。 接下來，我們根據(jù)語音信號(hào)的特點(diǎn)給出有關(guān)濾波器的技術(shù)指標(biāo)： ①低通濾波器的性能指標(biāo)： fp=1000Hz， fc=1200Hz， As=100db ,Ap=1dB ②高通濾波器的性能指標(biāo)： fp=3500Hz， fc=4000Hz， As=100dB， Ap=1dB； ③帶通濾波器的性能指標(biāo)： fp1=1200Hz， fp2=3000hZ， fc1=1000Hz， fc2=3200Hz， As=100dB， Ap=1dB 在 Matlab 中 ，可以利用函數(shù) fir1 設(shè)計(jì) FIR 濾波器，利用函數(shù) butter,cheby1 和 17 ellip 設(shè)計(jì) IIR 濾波器，利用 Matlab 中的函數(shù) freqz 畫出各步步器的頻率響應(yīng)。 下面我們總結(jié)一下利用模擬濾波器設(shè)計(jì) IIR 數(shù)字低通濾波器的步驟： （ 1）確定數(shù)字低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)：通帶邊界頻率、通帶最大衰減，阻帶截止頻率、阻帶最小衰減。 （ 5）通過頻率變換將模擬低通轉(zhuǎn)換成相應(yīng)類型 的過渡模擬濾波器?？梢越柚谀M濾波器的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)一個(gè)所需類型的過渡模擬濾波器，再經(jīng)過雙線性變換 16 將其轉(zhuǎn)換策劃那個(gè)所需的數(shù)字濾波器。模擬濾波器設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一套相當(dāng)成熟的方法，它不但有完整的設(shè)計(jì)公式，而且還有較為完整的圖表供查詢，因此，充分利用這些已有的資源將會(huì)給數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)帶來很大方便。 （ 3）計(jì)算 h(n).。如下： 15 （ 1）根據(jù)對(duì)阻帶衰減及過渡帶的指標(biāo)要求，選擇窗函數(shù)類型（矩形窗 、三角窗、漢寧窗、哈明窗、凱塞窗等），并估計(jì)窗口長度 N。一個(gè)模擬帶通濾波器的例子是電阻 電感 電容電路 (RLC circuit)。 在電力系統(tǒng)中， 諧波 補(bǔ)償時(shí)用高通濾波器濾除某次及其以上的各次諧波。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時(shí)，它有時(shí)被稱為高頻剪切濾波器 , 或高音消除濾波器。其設(shè)計(jì)步驟是：先設(shè)計(jì)過渡模擬濾波器得到系統(tǒng)函數(shù) H（ s），然后將 H（ s）按某種方法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù) H(z)。根據(jù)不同的要求可以用 IIR 系統(tǒng)函數(shù)，也可以用 FIR 系統(tǒng)函數(shù)去逼近。 （ 2） 比無限脈沖響應(yīng)濾波器（ IIR filter）較容易最佳化（ optimize）。在設(shè)計(jì)一個(gè) IIR數(shù)字濾波器時(shí)，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式， 再 通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。 （ 2） IIR 數(shù)字濾波器采用遞歸 型結(jié)構(gòu) ： IIR 數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。 CB 低通濾波器的模擬函數(shù)由切比雪夫多項(xiàng)式定義，且在通帶內(nèi)的幅頻響應(yīng)是波動(dòng)的，在阻帶則 單調(diào)變化 。 模擬濾波器概述 用模 擬 — 數(shù)字變換法設(shè)計(jì) IIR數(shù)字濾波器，首先必須設(shè)計(jì)一個(gè)模擬濾波器，它有許多不同的類型，主要有以下兩種類型： ① 巴特沃思（ Botterworth 簡寫 BW）濾波器。 axis([ 0 150000 0 4000])。fontweight39。 plot(abs(S))。 axis([ 78000 80000 1 1])。fontweight39。 plot(s)。 s=y+Noise。)。 Randn 函數(shù)有兩種基本調(diào)用格式： Randn(n)和 Randn（ m,n） ,前者產(chǎn)生 n n 服從標(biāo)準(zhǔn)高斯 分布的隨 10 機(jī)數(shù)矩陣，后者產(chǎn)生 m n 的隨機(jī)數(shù)矩陣。 程序結(jié)果如下圖： 7 . 8 7 . 8 2 7 . 8 4 7 . 8 6 7 . 8 8 7 . 9 7 . 9 2 7 . 9 4 7 . 9 6 7 . 9 8 8x 1 041 0 . 500 . 51原始信號(hào)波形0 5 10 15x 1 0401000202130004000原始信號(hào)頻譜 圖 22 原始信號(hào)采集波形圖 語音信號(hào)加噪與頻譜分析 在 MATLAB 中產(chǎn)生高斯白噪聲非常方便， 我們 可以直接應(yīng)用兩個(gè)函數(shù) ： 一個(gè)是 WGN， 另一個(gè)是 AWGN。 plot(abs(Y))。 title(?原始信號(hào)波形 ?,?fontweight?,?bold?)。 Y=fft(y,n)。 在本次設(shè)計(jì)中，我們利用 fft 對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，就可以 得 到信號(hào)的頻譜特性。 對(duì)語音信號(hào) 進(jìn)行采樣其程序如下： [y,fs,nbits]=wavread (?OriSound?)。 8 語音信號(hào)的時(shí)頻分析 在 MATLAB 軟件平臺(tái)下，利用 wavread 函數(shù)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣，記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)， Wavread 函數(shù)調(diào)用格式 y=wavread（ file） %讀取 file 所規(guī)定的 wav 文件，返回采樣值放在向量 y 中?？梢钥吹?,文件存儲(chǔ)器的后綴默認(rèn)為 . wav ,這是 WINDOWS 操作系統(tǒng)規(guī)定的聲音文件存的標(biāo)準(zhǔn)。將話筒輸入計(jì)算機(jī)的語音輸入插口上 ,啟動(dòng)錄音機(jī)。對(duì)于采樣 率來說你可以想象它類似于一個(gè)照相機(jī)， 意味著音頻流進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)計(jì)算機(jī)每秒會(huì)對(duì)其拍照達(dá) 441000 次。 采樣位數(shù)和采樣率對(duì)于音頻接口來說是最為重要的兩個(gè)指標(biāo)，也是選擇音頻接口的兩個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。采樣頻率與聲音頻率之間有一定的關(guān)系，根據(jù)奎斯特理論，只有采樣頻率高于聲音信號(hào)最高頻率的兩倍時(shí)，才能把數(shù)字信號(hào)表示的聲音還原成為原來的聲音。 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試和測量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。 MATLAB 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 是由美國 mathworks 公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用 MATLAB 作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。 在機(jī)械方面，西北工業(yè)大學(xué)航海工程學(xué)院就 “基于 MATLAB 的艦船輻射噪聲信號(hào)小波消噪處理 ” 做過研究報(bào)告 ,他們針對(duì)艦船輻射噪聲信號(hào)的特點(diǎn)提出了小波消噪的方法 ,對(duì)小波消噪理論作了簡要的闡述 ,并 設(shè)計(jì)了一種消噪方案 ,最后利 4 用 MATLAB,在計(jì)算機(jī)上選用不同的小波基和閾值進(jìn)行了實(shí)船信號(hào)的消噪處理試驗(yàn) ,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了簡單的分析比較。 華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院就 “基于 MATLAB 的噪聲信號(hào)采集與分析系統(tǒng)研究 ”做過研究報(bào)告，他們利用 MATLAB 的數(shù)據(jù)采集工具箱 (DAQ)和信號(hào) 處理工具箱開發(fā)了一套聲音信號(hào)采集分析系統(tǒng) ,該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高精度的實(shí)時(shí)采集 ,還能將聲音信號(hào)資料導(dǎo)入系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成各種對(duì)應(yīng)的圖形，并具備 ZOOM 功能。從含噪語音信號(hào)的頻譜圖中可以看出含噪聲的語音信號(hào)頻譜 ,在整個(gè)頻域范圍內(nèi)分是布均勻。 噪聲污染位于聯(lián)合國四大公認(rèn)污染之一，無論是尖銳的火車汽笛聲，還是我們?nèi)舛牪坏降某暡?，次聲波都有可能給人們生活帶來極大不便。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大 功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如 C、 Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。 研究的目的和意義 語音信號(hào)的采集與分析技術(shù)是一門涉及面很廣的交叉科學(xué)，它的應(yīng)用和發(fā)展與語音學(xué)、聲音測量學(xué)、電子測量技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)處理等學(xué)科緊密聯(lián)系，語音是人類獲取信息的重要來源和利用信息的重要手段。 同時(shí)， IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和 橢圓濾波器 等， 有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查 ， 在設(shè)計(jì)一個(gè) IIR數(shù)字濾波器時(shí)，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，然后通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。 FIR數(shù)字濾波器是有限的單位響應(yīng)也有利于對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，便于編程，用于計(jì)算的時(shí)延也小，這對(duì)實(shí)時(shí)的信號(hào)處理很重要。數(shù)字濾波器可以通過數(shù)值運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濾波，所以數(shù)字濾波器處理精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活不存在阻抗匹配問題，可以實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無法實(shí)現(xiàn)的特殊功能。它在語音、雷達(dá)、圖像、系統(tǒng)控制、通信、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。 Chebyshev。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程中，使用窗函數(shù)法來設(shè)計(jì) FIR數(shù)字濾波器，用巴特沃斯、切比雪夫和雙線性變法設(shè)計(jì) IIR 數(shù)字濾波器，并利用MATLAB 作為輔助工具完成設(shè)計(jì)中的計(jì)算與圖形的繪制。特別是 Matlab 還具有信號(hào)分析工具箱 ,不需具備很強(qiáng)的編程能力 ,就可以很方便地進(jìn)行信號(hào)分析、處理和設(shè)計(jì)。 Matlab 功能強(qiáng)大、簡單易學(xué)、編程效率高 ,深受廣大科技工作者的歡迎。通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用 MATLAB作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。 MATLAB。 bilinear transformation 目錄 1．緒論 .........