【文章內(nèi)容簡介】 函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、 連接 其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、 圖像處理 、 信號檢測 、金融建模設計與分析等領域。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完成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 ,使 MATLAB 成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對 C， FORTRAN， C++ ， JAVA 的支持?？梢灾苯诱{(diào)用 ,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫中方便自己 6 以后調(diào)用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用 [9]。 圖形用戶界面或圖形用戶接口 (Graphical User Interface， GUI)是指采用圖形方式顯示的計算機操作環(huán)境用戶接口。與早期計算機使用的命令行界面相比，圖形界面對于用戶來說更為簡便易用。 GUIDE 是 Matlab 提供的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境，提供了一系列用于創(chuàng)建圖形用戶界面的工具，從而簡化界面布局和編程工作。 MATLAB 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生 物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應用領域內(nèi)特定類型的問題 。 7 3 系統(tǒng)設計 系統(tǒng) 設計 的 理論依據(jù) ⑴ 采樣定理 在進行模擬 /數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當采樣頻率 大于信號中，最高頻率 fmax 的 2 倍時，即： =2fmax,則采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的 5～ 10 倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理。 1924 年奈奎斯特 (Nyquist)就推導出在理想低通信道的 最高大碼元傳輸速率的公式 : 理想低通信道的最高大碼元傳輸速率 =2W*log2 N (其中 W是理想低通信道的帶寬 ,N 是電平強度 ) ⑵ 采樣頻率 采樣頻率（也稱為采樣速度或者 采樣率 ）定義了每秒從連續(xù)信號中提取并組成離散信號的采樣個數(shù)，它用赫茲（ Hz）來表示。采樣頻率的倒數(shù)是采樣周期或者叫作 采樣時間 ，它是采樣之間的時間間隔。采樣頻率只能用于周期性采樣的采樣器，對于非周期性采樣的采樣器沒有規(guī)則限制。采樣頻率與聲音頻率之間有一定的關系，根據(jù)奎斯特理論，只有采樣頻率高于聲音信號最高頻率的兩倍時，才能把數(shù)字信號表示的聲音還原成為原來的聲音。這就是說采樣頻率是衡量聲卡采集、記錄和還原聲音文件的質(zhì)量標準。 ⑶ 語音的錄入與打開 在 MATLAB 中， [y,fs,bits]=wavread(39。Blip39。,[N1 N2])。用于讀取語音，采樣值放在向量 y中， fs表示采樣頻 率 (Hz)， bits 表示采樣位數(shù)。 [N1 N2]表示讀取從 N1 點到 N2 點的值（若只有一個 N 的點則表示讀取前 N 點的采樣值） [10]。 sound(x,fs,bits)。 用于對聲音的回放。向量 x則就代表了一個信號（也即一個復雜的“函數(shù)表達式”）也就是說可以像處理一個信號表達式一樣 8 處理這個聲音信號。 ⑷ 時域信號的 FFT 分析 FFT 即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的 [11]。 在 MATLAB的信號處理工具箱中函數(shù) FFT和 IFFT用于快速傅立葉變換和逆變換。函數(shù) FFT 用于序列快速傅立葉變換 ，其 調(diào)用格式 為 y=fft(x)， 其中， x是序列， y是序列的 FFT， x 可以為一向量或矩陣，若 x 為一向量， y是 x的 FFT 且和x相同長度 ； 若 x 為一矩陣，則 y是對矩陣的每一列向量進行 FFT。 如果 x 長度是 2 的冪次方，函數(shù) fft 執(zhí)行高速基－ 2FFT 算法 ， 否則 fft 執(zhí)行一種混合基的離散傅立葉變換算法，計算速度較慢。 函數(shù) FFT的另一種調(diào)用格式 為 y=fft(x,N)，式中， x， y意義同前， N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行 N點的 FFT， 若 x為向量且長度小于 N，則函數(shù)將 x 補零至長度 N； 若向量 x 的長度大于 N，則函數(shù)截短 x 使之長度為 N； 若 x 為矩陣，按相同方法對 x進行處理 。 ⑸ 語音信號的頻域分析 語音信號的頻域分析就是分析語音信號的頻域持征。從廣義上講，語音信號的頻域分析包括語音信號的頻譜、功率譜、倒頻譜、頻譜包絡分析等，而常用的頻域分析方法有帶通濾波器組法、傅里葉變換法、線件預測法等幾種。本文介紹的是語音信號的傅里葉分析法。因為語音波是一個非平穩(wěn)過程，因此適用于周期、瞬變或平穩(wěn)隨機信號的標準傅里葉變換不能用來直接表示語音信號，而應該用短時傅里葉變換對語音信號的頻譜進行分析 ，相應的頻譜稱為“短時譜 ”。 ⑹ 數(shù)字濾波器設計原理 數(shù)字濾波是數(shù)字信號分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性強、便于大規(guī)模集成和可實現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點。在信號的過濾、檢測和參數(shù)的估計等方面，經(jīng)典數(shù)字濾波器是使用最廣泛的一種線性系統(tǒng)。 數(shù)字濾波器的作用是利用離散時間系統(tǒng)的特性對輸入信號波形 (或頻譜 )進行加工處理，或者說利用數(shù)字方法按預定的要求對信號進行變換。 ⑺ 數(shù)字濾波器的設計步驟 9 不論是 IIR 濾波器還是 FIR 濾波器的設計都包括三個步驟： ① 按照 實際任務的要求，確定濾波器的性能指標。 ② 用一個因果、穩(wěn)定的離散線性時不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)去逼近這一性能指標。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。 ③ 利用有限精度算法實現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)，包括結構選擇、字長選擇等。 ⑻ IIR 濾波器與 FIR 濾波器的性能比較 FIR:Finite Impulse response，有限沖擊響應 IIR:Infinite Impulse response，無限沖擊響應 從性能上來說， IIR 濾波器傳輸函數(shù)的極點可位于單位圓內(nèi)的任何地方，因此可用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，所用的存貯單元少，所以經(jīng)濟而效率高。但是這個高效率是以相位的非線性為代價的。選擇性越好，則相位非線性越嚴重。相反， FIR 濾波器卻可以得到嚴格的線性相位，然而由于 FIR 濾波器傳輸函數(shù)的極點固定在原點，所以只能用較高的階數(shù)達到高的選擇性；對于同樣的濾波器設計指標， FIR 濾波器所要求的階數(shù)可以比 IIR 濾波器高 5~10 倍，結果，成本較高，信號延時也較大；如果按相同的選擇性和相同的線性要求來說，則 IIR 濾波器就必須加全 通網(wǎng)絡進行相位較正，同樣要大增加濾波器的節(jié)數(shù)和復雜性 [12]。 系統(tǒng)的詳細設計 圖形用戶界面制作 MATLAB 中圖形用戶界面的制作有兩種方法： M 文件和 GUIDE，本設計采用 GUIDE 的方法制作 GUI。 ⑴ 新建一個空白 GUI 模板：進入 MATLAB 程序界面以后執(zhí)行 File→ New→ GUI 過程，即可進入。 ⑵ 選擇空白模板選項條，單擊 OK，一個空白 GUI 模板生成 ⑶ 拖拉白色框的右下角調(diào)整界面大小，現(xiàn)在就可以開始設計 GUI 功能界面了。從左邊控件框選擇所需要的控件放置在 GUI 面板中，然后對各個控件進行編輯，包括位置、大小、顏色、名稱以及編寫回調(diào)函數(shù)等。本設計主要用到 坐標系 和按鈕，現(xiàn)分別介紹。 ① 按鈕設計：按鈕鍵又稱命令按鈕或按鈕，是小的長方形屏幕對象，常常 10 在對象本身標有文本。將鼠標指針移至對象，單擊鼠標按鈕執(zhí)行由回調(diào)字符串所定義的動作。 單擊空間框左側(cè)的 Push Button 按鈕，在圖形編輯框中確定其位置后單擊鼠標左鍵即可放置?，F(xiàn)在開始編寫回調(diào)函數(shù)，確定按鈕功能。在按鈕上單擊鼠標右鍵，選擇 view callbacks→ callback 即可在 M 文件中找到該按鈕的回 調(diào)函數(shù)位置。然后編寫功能函數(shù)，本設計中該按鈕的功能是繪制原始波形，那么只需要讀取語音信號并畫出波形。 ② 坐標系設計：坐標軸對象是許多圖形對象的父對象，每一個可視化顯示用戶數(shù)據(jù)的圖形窗口都包含一個或多個坐標軸對象。坐標軸對象確定了圖形窗口的坐標系統(tǒng)，所有繪圖函數(shù)都會使用當前坐標軸對象或創(chuàng)建一個新的坐標軸對象，用于確定其繪圖數(shù)據(jù)點在圖形中的位置。單擊空間框左側(cè)的 Axes 按鈕，在圖形編輯框中確定其位置后單擊鼠標左鍵即可放置 。 本次課程設計的最終圖形用戶界面如 圖 31 所示 。 圖 31圖形用戶界面總體圖 系統(tǒng)功能的實現(xiàn) ⑴ 信號的打開 在“打開信號”按鈕上單擊鼠標右鍵，選擇 view callbacks→ callback，在 M文件中找到該按鈕的回調(diào)函數(shù)位置，然后編寫功能函數(shù) 。 功能函數(shù)如下 。 global I。 global X。 %定義全局變量 global magX。 global angX。 11 H={39。*.wav39。}。 %定義打開信號的格式 [filename,pathname]=uigetfile(H,39。請選擇打開文件 39。)。 file=strcat(pathname,filename)。 %文件的路徑和文件名 I=wavread(file)。 %打開