基于MATLABGUI的数字信号处理实验平台设计论文.doc
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论文题目：
基于MATLABGUI的数字信号处理实验平台设计
摘要
数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科，主要应用在通信、电气控制、生物医学、遥测遥感、地质勘探、航空航天、自动化仪表等领域，它涵盖内容多、概念抽象、原理复杂、推理繁琐，因此，在有限的的课堂时间内掌握这门课程的知识是对学生的基本要求。
本文主要研究了数字信号处理实验平台的设计，首先，利用MATLABGUI完成数字信号处理课程中的离散系统时频域分析、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、IIR滤波器和FIR滤波器设计5个模块的界面构建，然后，利用MATLAB语言完成图形用户界面（GUI）的编程，最后，对数字信号处理实验平台的各个实验界面进行测试与优化。
该实验平台将数字信号处理课程中的重点、难点用交互式、实时、可视化界面进行展示，有利于教师的教学和学生的学习，具有一定的应用价值。
【关键词】数字信号处理实验平台MATLAB图形用户界面（GUI）
【论文类型】设计型
Title:
TheDesignofDigitalSignalProcessingExperimentPlatformBasedOnMATLABGUI
Major:
CommunicationEngineering
Name:
FengXuSignature:
＿＿＿＿＿
Supervisor:
ZhangMingSignature:
＿＿＿＿＿
ABSTRACT
Digitalsignalprocessingisanewdisciplinewhichinvolvesmanysubjectsandwidelyusedinmanyfields.Itmainlyusedincommunications,electricalcontrol,biomedical,remotesensing,geologicalexploration,aerospace,automationinstrumentandotherfields.Itincludesmuchmorecontentandabstractconcept.Ithasmorecomplexprinciplesandcomplicatedreasoning.Therefore,inthelimtitedclassroomtime,tomastertheknowledgeofthecourseisabasicrequirementofstudents.
Thispapermainlystudiesthedesignofdigitalsignalprocessingexperimentplatform.Firstly,usingMATLABGUItocompletetheconstructionofdigitalsignalprocessingcourseinthefivemodules:
thefrequencydomainanalysisandthetimedomainanalysisofdiscretesystem,discreteFouriertransform,fastFouriertransform,FIRfilterdesignandIIRfilterdesign.afterthat,usingMATLABprogramminglanguagetocompletegraphicaluserinterface（GUI）programming.finally,throughtestingandoptimizingthedigitalsignalprocessingexperimentplatform,wecandisplaythekeyanddifficultcontentbytheinteractive,realtimeandvisualexperimentplatform.Itishelpfulfortheteachingofteachersandstudents'learning,andithassomeapplicationvalue.
【Keywords】DigitalSignalProcessingExperimentPlatformMATLABGraphicalUserInterfaces（GUI）
【TypeofThesis】Design
目录
1绪论 1
1.1研究目的及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3MATLABGUI简介 2
1.4本文研究内容 2
2数字信号处理实验平台设计 4
2.1实验平台分析 4
2.1.1实验平台的基本结构 4
2.1.2实验平台设计的步骤 5
2.2开始引导界面与实验主界面设计 5
2.3子界面的设计 6
2.3.1离散系统时频域分析实验界面设计 6
2.3.2离散信号傅里叶变换实验界面设计 8
2.3.3离散序列快速傅里叶变换实验界面设计 9
2.3.4IIR滤波器实验界面设计 10
2.3.5FIR滤波器实验界面设计 11
2.4本章小结 13
3实验平台测试 14
3.1离散信号时频域分析 14
3.1.1常见离散信号 14
3.1.2离散信号时域变换 15
3.1.3离散信号时域运算 15
3.1.4离散信号的卷积 16
3.1.5离散LTI系统的时域分析 17
3.1.6离散LTI系统的频域分析 19
3.2离散傅里叶变换 20
3.2.1离散时间序列傅里叶变换（DTFT） 20
3.2.2周期序列离散傅里叶级数（DFS） 21
3.2.3离散信号傅里叶变换（DFT） 22
3.3快速傅里叶变换 23
3.3.1基二快速傅里叶变换原理 23
3.3.2离散序列的快速傅里叶变换实验测试 24
3.4IIR滤波器设计 25
3.4.1常见的模拟低通滤波器设计 25
3.4.2模拟滤波器的频带变换 29
3.4.3脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器 31
3.4.4双线性变换法设计IIR数字滤波器 32
3.4.5直接函数法设计IIR数字滤波器 34
3.4.6IIR滤波器的应用 36
3.5FIR滤波器设计 36
3.5.1常见的窗函数 37
3.5.2窗函数法设计FIR滤波器 38
3.5.3频率采样法设计FIR滤波器 41
3.5.4等波纹法设计FIR滤波器 42
3.5.5FIR滤波器的应用 44
3.6本章小结 45
4结论 46
4.1工作总结 46
4.2工作展望 46
致谢 48
参考文献 49
1绪论
1.1研究目的及意义
数字信号处理是通信类专业核心主干课程，该课程是一门理论与实践、原理与应用紧密结合的课程。
它涵盖内容多、概念抽象、原理复杂、推理繁琐，仅靠课堂上的理论教学和习题演练，学生根本无法将所学的内容与实践、应用相结合，同时，传统模式的教学也早已满足不了新时代学生的兴趣。
在计算机快速发展的今天，MATLAB的交互式界面为数字信号处理课程的教学提供了很大的帮助，其数值计算功能强大，拥有可视化信号处理能力和建模仿真功能，为数字信号处理的学习提供了良好的氛围：
将抽象理论知识运用图像、文字、数据等多种形式展现，而且为实验教学提供一个界面美观、操作简便的虚拟环境。
在课堂教学中老师运用MATLABGUI设计的平台对所讲内容进行仿真演示，同时适量结合多媒体课件进行理论讲解，使学生从直观形象的角度，理解和巩固了所学知识。
课后学生可以将课堂中的重点、难点及部分课后练习用MATLABGUI进行可视化计算机模拟与仿真实现。
学生也可以自己进行设计和编程，既提高了动手能力，又充分激发学习数字信号处理的积极性。
1.2国内外研究现状
数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科,广泛地应用在通信、控制、生物医学、遥测遥感、地址勘探、航空航天、自动化仪表等领域，国内外高校都为相关专业的学生开设了这门课程。
该课程本身是通信类专业核心主干课程，同时也是学习后续专业课程的基础。
它涵盖内容多、概念抽象、原理复杂，推演繁琐，仅依靠教师在黑板上的板书理论教学，学生对概念难以理解，难以将所学的知识和原理很好的与实际相结合。
虽然各高校在与这门课对应的实验上投入大量的设施，但是发现其效果并不是很好,学生只是单纯地验证实验，对实验原理与所涉及的数学基础往往只是一知半解。
而且大部分时间学生仅依靠做习题来巩固和理解教学内容，对课程中大量的应用性较强的内容不能实际动手操作严重影响和制约了教学效果。
MATLAB是当今最优秀的科技应用软件之一。
在国外，数年前就已经将MATLAB应用在了教学领域，尤其在数字信号处理的教学中，MATLAB的可视化交互界面为数字信号处理的学习提供了一个卓越的平台，它强大的数值运算能力有助于数字信号处理中的复杂运算，同时，它将传统模式的一维黑板教学完成不了的二维、三维信号处理展现的清晰、直观，在一定程度上影响学生对知识的深入了解与掌握。
课后学生也可以将课堂中的重点、难点及部分课后练习用MATLABGUI进行可视化计算机模拟与仿真。
学生也可以自己进行设计和编程，既提高了动手能力，又充分激发学习数字信号处理的积极性。
1.3MATLABGUI简介
图形化用户界面（GraphicalUserInterfaces，简称GUI），是一种图形化人机交互界面，通过用户与计算机或者计算机程序进行通信、交互的方式来完成相应的操作。
在GUI中，可以自行设计按钮，滑动条，下拉菜单，窗口，对话框等，MATLAB全面支持GUI的编程，用户可以根据自己设计的界面来编程M文件，通过M文件的编译实现可以实现相应的操作方式。
图形用户界面是由图形对象构成的界面，在MATLAB中，最典型的就是通过GUIDE（GraphUserInterfaceDevelopmentEnvironment）建立GUI，GUIDE能帮助用户方便设计出的各种符合用户需求的图形用户界面。
在MATLAB中，打开GUIDE的方法有两种，第一种是在MATLAB界面中点击GUIDE按钮直接进入，第二种是在命令窗口输入命令Guide来实现调用。
在打开的GUIDE窗口中可以新建GUI或者打开已存在的GUI的.fig文件，而后，通过菜单编辑器（MenuEditor）、对象浏览器（ObjectBrowser）、属性设计器（PropertiesInspector）、控件布置编辑器（AlignmentObjects）、网格标尺（GridandRulers）设置编辑器以及GUIDE属性（GUIDEApplicationOptions）设置编辑器对GUI进行编辑。
对于建立好的对象，可以通过双击修改对象的属性（背景颜色、字体颜色、字体大小等），同时也可以通过右击对象，在出现的菜单栏中选择callback对相应的对象进行M文件内的编程，使相应对象实现相应的功能。
1.4本文研究内容
本设计主要完成数字信号处理实验平台的设计，该实验平台的设计的内容有：
离散系统时频域分析、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、IIR滤波器和FIR滤波器设计，通过利用MATLAB语言完成图形用户界面（GUI）的编程，将数字信号处理课程中的重点、难点内容用交互式、实时、可视化实验平台进行展示，以便于学生在数字信号处理课堂上的学习。
本文的主要内容安排如下：
第1章是绪论。
主要介绍课题研究的背景与意义，并简述了MATLABGUI软件。
第2章是数字信号处理平台的设计，主要涉及实验系统的主界面和子界面。
数字信号处理实验平台的主界面主要有离散系统的时频域分析界面、离散傅里叶变换界面、快速傅里叶变换界面、IIR数字滤波器设计界面、FIR数字滤波器设计界面
第3章是数字信号处理实验平台的系统测试，即对设计出的各个界面进行测试，通过观察输入不同参数时信号显示区的输出波形，验证和分析实验的合理性、正确性。
第4章是结论，即对本设计进行总结，对今后工作进行展望。
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2数字信号处理实验平台设计
2.1实验平台分析
本设计以MATLAB为软件开发平台，利用它可视化、可编程的图形用户界面GUI，按照实验内容设计出相应的界面模块与菜单模块，通过主界面与子界面的调用选择进行不同实验的操作，通过菜单模块的选择与响应，完成子界面中分模块的操作，点击界面上的按钮，来操作实验的开始、结束与视图分析。
2.1.1实验平台的基本结构
本设计将数字信号处理实验系统的整体结构划分由两部分：
界面模块和菜单模块。
界面模块包括6大部分：
开始引导界面、实验主界面（进行实验项目选择）、离散系统的时频域分析界面、离散傅里叶变换界面、快速傅里叶变换界面和数字滤波器设计界面。
如图2.1所示为实验平台的基本结构。
开始引导界面
常见信号的时频域分析
常见信号的时域运算
LTI离散系统时频域分析
离散时间序列傅里叶变换
离散傅里叶变换
周期信号离散傅里叶变换
实验主界面
离散系统时频域分析
离散傅里叶变换
快速傅里叶变换
数字滤波器设计
IIR滤波器设计
FIR滤波器设计
图2.1数字信号处理实验平台结构图
2.1.2实验平台设计的步骤
本设计的实验平台按照树形结构的步骤进行设计，先完成开始引导界面与后续的实验主界面的搭建，而后依次展开对各个子界面的建立（离散系统的时频域分析界面、离散傅里叶变换界面、快速傅里叶变换界面和数字滤波器设计界面）,在各个子界面的搭建过程中，要按照以下步骤进行[1]：
1）建立一个图形用户界面，并为之命名。
2）根据界面的需求，先在草稿纸上对界面进行预先的设计，而后，通过MATLAB的图形用户界面（GUI）在界面中放入相应的GUI对象，并合理的布局安放这些对象，以及设置对象的属性，如字体，大小，颜色等。
3）根据GUI对象的功能在M文件中编辑相应的Callback，并保存、调试、运行，确保其能实现预定的功能。
图形界面的设计要满足以下几条原则[2]：
1）简单性。
要求设计界面时应该力求简洁直接清晰地体现界面的功能和特点。
对于可有可无的功能最好删除，确保界面的整洁。
窗口数目尽量少，力避不同窗口间来回切换，设计的界面要直观，应多采用图形。
2）一致性。
确保设计的界面风格前后要尽量保持一致。
3）习惯性。
要求设计的界面应该尽量使用人们熟悉的标志和符号，保持界面的自然，使用户能见而习之。
2.2开始引导界面与实验主界面设计
开始引导界面主要是引导实验的开始，通过开始引导界面中的开始按钮进入实验主界面，实验主界面主要是完成实现子界面的选择与调用功能，通过点击选择进入各个子界面。
作为数字信号处理实验平台的第一个界面，开始引导实验界面必须包含实验开始、退出按钮，通过点击开始、退出按钮分别完成进入实验主界面、退出实验系统的功能。
在界面的顶部加入一个Axes对象，用来读取并显示本学校的校徽图案，开始引导界面也可以加入StaticText对象（静态文本编辑器），用这个对象制作开始界面的欢迎标题和介绍实验平台的文字。
图2.2（a）所示为开始引导界面。
在开始引导界面中通过点击开始按钮可以进入实验主界面，实验主界面主要的功能是选择并进入实验子界面，因此需要在该界面中添加5个PushButton对象（按钮），通过点击它们来打开不同的实验子界面，例如：
点击实验主界面上的“FIR滤波器设计”按钮，则进入该实验子界面，然后进行仿真实验。
如图2.2（b）所示为实验主界面效果图。
（a）开始引导界面（b）实验主界面
图2.2开始引导界面与实验主界面
2.3子界面的设计
根据试验系统的内容要求，本实验平台的子界面划分为离散系统的时频域分析界面、离散傅里叶变换界面、快速傅里叶变换界面、IIR数字滤波器设计界面、FIR数字滤波器设计界面共五个子界面的设计[3]~[6]。
2.3.1离散系统时频域分析实验界面设计
离散系统时频域分析界面主要完成常见离散信号的时频域分析、常见离散信号的运算和LTI系统的时频域分析。
该实验子界面展示了离散信号的时频域分析功能，通过菜单栏的选择可以分别打开离散信号的运算界面和LTI系统时频域分析界面。
图2.3常见时间离散信号时频域分析界面
在常见离散时间信号时频域分析界面中要展示8种常见离散时间信号的时、频域函数图，其中实指数序列底数a值与正弦序列的频率f值是可变的，通过a、f的变化观察输出函数图的变化可以分析常见离散信号的的时域信号图与有限长度序列的傅里叶变换频谱，因此构建该界面需要用到以下GUI对象：
（1）通过Pushbutton对象（按钮）分别选用不同的信号进行分析。
（2）通过EditText对象（编辑框）完成相关信号参数的编辑。
（3）用两个Axes对象分别绘制所选信号时域图、频域图，外加一个Pushbutton对象用来完成返回实验主界面功能。
设计出来的常见离散时间信号的时频域分析界面如图2.3所示。
通过菜单栏选择，点击它们可以分别进入离散信号的基本运算界面和LTI离散系统时频域分析界面。
在离散信号的基本运算界面中主要完成常见信号的时域尺度变换运算、常见离散信号的加、减、乘运算和正余弦信号的卷积运算，并展现基本运算的输出图形。
因此，构建该界面需要以下的GUI对象：
（1）运用到了Pop-upMenu对象完成对常见离散信号的选择。
（2）运用Pushbutton对象完成对所选信号的尺度变换、平移、翻转、加法、减法、乘法等运算功能。
（3）运用Axes图表绘制所选原始信号图以及运算结果图。
设计出来的离散信号的基本运算界面如图2.4所示。
图2.4离散信号的基本运算界面
在离散LTI系统的时域系统分析中，通过改变说明区给定的二阶LTI系统方程的系数与激励来分析离散LTI系统的输出响应图，借此达到离散系统的时域分析。
因此，构建该界面主要需要用到以下GUI对象：
（1）运用StaticText对象来输出说明LTI系统方程。
（2）运用EditText对象来编辑LTI系统函数的系数。
（3）运用Pushbutton对象完成激励的选择与界面返回。
（4）运用Axes对象展现LTI系统响应输出波形分析。
所设计的LTI系统的时域分析界面如图2.5（a）所示。
在离散LTI系统的频域系统分析中，通过改变说明区给定的二阶LTI系统方程的系数或者改变给定给定二阶LTI系统函数的系数，然后分析离散LTI系统的输出响应图与其零、极点图，借此达到离散系统的频域的分析。
因此，构建该模块界面主要需要有以下的GUI对象：
（1）运用StaticText对象来输出说明LTI系统方程和系统函数。
（2）运用EditText对象来编辑LTI系统函数的系数。
（3）运用Pushbutton对象完成系统函数运算与界面返回。
（4）运用Axes对象展现LTI系统零极点、响应输出波形分析。
所设计的LTI系统的时域分析界面如图2.5（b）所示。
（a）离散LTI系统的时域分析界面（b）离散LTI系统的频域分析界面
图2.5离散LTI系统的时频域分析界面
2.3.2离散信号傅里叶变换实验界面设计
离散信号傅里叶变换实验界面主要完成常见信号的离散信号傅里叶变换、离散时间序列傅里叶变换、周期性序列的离散傅里叶变换，根据实验内容要求，该界面需要需要展示常见离散信号的离散傅里叶变换的相关信号图像（如原信号的时域图、信号变换后的幅频特性信号图与相频信号图），因此，构建此界面需要以下GUI对象：
（1）运用Pop-upMenu对象完成对常见离散信号的选择。
（2）运用Pushbutton对象完成对所选离散信号的相关运算与界面返回。
（3）运用Axes对象展现所选对象的时频域相关谱线（如信号时域图、信号变换后的幅频图、相频图）。
根据实验要求，这里所设计的离散傅里叶变换界面如图2.6所示。
图2.6离散信号傅里叶变换界面
2.3.3离散序列快速傅里叶变换实验界面设计
图2.7快速傅里叶变换界面
离散序列快速傅里叶变换实验界面主要完成可编辑的8点离散序列快速傅里叶变换，根据实验的内容，构建此界面需要用到以下GUI对象:
（1）运用EditText对象完成可编辑序列的输入。
（2）运用Pushbutton对象完成对所输入离散信号的运算与界面返回。
（3）运用Axes对象展现所输入序列与其快速傅里叶变换后的相关特性图。
（4）运用StaticText对象解释说明快速傅里叶变换界面。
所设计的快速傅里叶变换界面如图2.7所示。
2.3.4IIR滤波器实验界面设计
无限脉冲响应滤波器，简称IIR滤波器。
IIR滤波器的设计分为模拟滤波器和数字滤波器的设计，数字滤波器设计又分为用线性脉冲不变法、双线性变换法和直接法设计数字滤波器。
然而，IIR数字滤波器的设计是基于IIR模拟低通滤波器的成熟理论和框架设计。
因此，在IIR滤波器界面的设计中，应先构建IIR模拟滤波器界面，然后通过这个界面菜单栏的调用来打开其它IIR滤波器设计界面（如脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器界面、双线性变换法设计数字滤波器界面、直接法设计IIR滤波器界面）。
（a）模拟滤波器（b）线性脉冲不变法
（c）双线性变换法（d）直接法
图2.8IIR滤波器设计界面
通过实验内容的需求，构建IIR滤波器设计界面中主要用到以下GUI对象：
（1）运用EditText对象完成可编辑参数的输入。
（2）运用Pushbutton对象完成与其命名相对应的功能。
（3）运用Axes对象展现所设计滤波器的相关频谱特性曲线。
（4）运用到了Pop-upMenu对象完成对相关滤波器设计的类型选择。
（5）运用StaticText对象说明滤波器设计的要求。
这里构建的的IIR模拟滤波器设计界面如图2.8（a）所示，利用线性脉冲不变法设计的IIR数字滤波器如图2.8（b）所示，利用双线性变换法设计的IIR数字滤波器如图2.8（c）所示，利用直接法设计的IIR数字滤波器如图2.8（d）所示，。
根据IIR滤波器设计内容的要求，需设计一个IIR滤波器应用界面，该界面展现了原始信号通过滤波器，滤除杂波得到有用波形的功能。
因此，该界面需要用到以下GUI对象：
（1）Pushbutton对象，通过点击按钮控制展现输出结果与波形。
（2）运用Axes对象展现原始信号、滤波器、输出信号的相关曲线。
（3）运用StaticText对象解释说明滤波过程。
根据要求构建的IIR滤波器应用界面如图2.9所示。
图2.9IIR滤波器应用界面
2.3.5FIR滤波器实验界面设计
有限脉冲响应滤波器，简称FIR滤波器。
FIR滤波器的设计方法主要有窗函数法、频率抽样法、等波纹法。
在IIR滤波器的设计界面中主要用到以下GUI对象：
（1）运用EditText对象完成可编辑参数的输入。
（2）运用Pushbutton对象完成与其命名相对应的功能。
（3）运用Axes对象展现滤波器的相关频谱特性曲线。
（4）运用到了
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