基于Matlab的数字信号处理实验仿真系统的实现[1]

目录中文摘要 (i)英文摘要 ................................................................................................................................ I V 1 绪论 . (1)1.1 问题提出及研究意义 (1)1.2 设计的基本内容 (1)2 系统设计工具简介 (2)2.1 MATLAB概述 (2)2.2 图形用户界面(GUI)设计 (3)2.2.1 创建GUI的步骤 (3)2.2.2 GUI编程 (7)2.2.3 GUI的设计流程和设计原则 (8)2.2.4 控件的使用 (9)3 系统总体设计思路 (10)3.1 系统总体设计的步骤 (10)3.2 系统总体设计的结构 (10)4 系统图形用户界面设计 (13)4.1 图形用户界面外观设计 (13)4.1.1 控件对象 (13)4.1.2 控件属性的设置 (14)4.1.3 窗口属性的设置 (15)4.1.4 菜单的设计 (16)4.2 图形用户界面控件编程 (16)4.2.1 输入函数 (17)4.2.2 输出函数 (18)4.2.3 回调函数 (18)5 系统用户界面的实现 (18)5.1 引导模块 (19)5.1.1 回调函数的编写 (19)5.1.2 界面功能 (20)5.2系统说明模块 (20)5.3 主界面模块 (21)5.3.1 回调函数的编写 (21)5.3.2 界面功能 (21)5.4 基本信号的产生模块 (22)5.4.1 回调函数编写的基本原理 (22)5.4.2 界面功能 (24)5.4.3 界面使用演示 (25)5.5 序列基本计算模块 (25)5.5.1 回调函数编写的基本原理 (25)5.5.2 界面功能 (26)5.5.3 界面使用演示 (27)5.6 数据采集模块 (27)5.6.1 回调函数编写的基本原理 (27)5.6.2 界面功能 (28)5.6.3 界面使用演示 (29)5.7 卷积模块 (30)5.7.1 回调函数编写的基本原理 (30)5.7.2 界面功能 (30)5.7.3 界面使用演示 (30)5.8 傅里叶变换模块 (32)5.8.1 回调函数编写的基本原理 (32)5.8.2 界面功能 (32)5.8.3 界面使用演示 (33)5.9 Z变换模块 (35)5.9.1 回调函数编写的基本原理 (35)5.9.2 界面功能 (36)5.9.3 界面使用演示 (37)5.10 滤波器设计模块 (40)5.10.1 回调函数编写的基本原理 (41)5.10.2 界面功能 (43)5.10.3 界面使用演示 (43)致谢 (49)参考文献 (50)附录 (51)毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

摘要《数字信号处理》在大专院校的通信类及电子类专业中是一门非常重要的基础课程, 具有内容抽象，学生不容易掌握的特点。

另一方面，教师在讲授主要些内容时也不方便。

针对教学中存在的这种问题，为了方便教师授课和学生学习，使抽象的内容形象化，提高学生的学习兴趣，本文以MATLAB作为开发平台，设计了基于MATLAB的数字信号处理虚拟实验仿真平台，改变了传统的实验方式 ,将数字信号处理的实验内容集中在一个平台上，操作简单方便，结果直观准确。

MATLAB开放的环境、功能极强的图形绘制、各种工具箱及其简单易学的特点，使系统开发简单、快捷。

本系统采用友好的GUI界面设计,用简洁的文字、丰富的画面将抽象的内容展现在学生面前,提高了学生的学习积极性和主动性。

关键词: 数字信号处理；实验平台；MATLAB；GUIThe design of digital signal processing virtual experiment simulation platform based on MatlabStudent:Huang Zhong-Ze Teacher: Li XinAbstract: “Digital Signal Processing”is the important foundation course of electrical and communications professionals in university, the content is very abstracty and students are not easy to grasp. The other hand, teachers taught in some main contents not very convenient. Against such problems exist in teaching,to allow teachers to teach and students to learn. So abstract as figurative, Enhance their learning interest. This paper represents digital signal processing virtual experiment simulation platform using Matlab. It changes the traditional teaching methods and focus on the content of aplatform. Operation is simple and convenient. Results is visual and accurate. Matlab provides an open environment, highly functional graphical rendering. Toolbox and its features is easy to learn, which make the system development simple and fast, The system uses a friendly GUI interface design, using simple language, rich picture will be displayed the abstract content in the front of the students and improved student’s learning enthusiasm and initiative.Key words: digital signal processing ;experiment platform ;matlab ;gui目录摘要 (I)Abstract ...................................................... I I 目录.. (1)1 引言 (4)1.1 课题的背景 (4)1.2 国内外研究现状 (6)1.3 课题主要研究内容和研究意义 (7)2 MATLAB的介绍 (10)2.1 MATLAB 简介 (10)2.2 MATLAB语言的发展历程和影响 (11)2.3 MATLAB语言的特点 (12)2.4 MATLAB的工作环境 (13)2.5 工作环境的特点 (13)3 MATLAB在数字信号处理教学中的应用 (16)3.1 MATLAB的应用现状 (16)3.2 MATLAB在《数字信号处理》教学中的应用 (17)3.3 在数字信号处理教学实验中应用MATLAB 的意义 (19)4 数字信号处理虚拟实验仿真平台设计的必要性和可行性 (21)4.1 增加 MATLAB 内容的必要性和可行性 (22)4.1.1 必要性 (22)4.1.2 可行性 (26)4.2 用MATLAB做数字信号处理虚拟实验仿真平台的优点 (27)4.2.1 数字信号处理课程实验的教学现状 (27)4.2.2 强大的作图功能使抽象的概念一目了然 (28)4.2.3 利用现代化的教学手段, 增强教学效果 (28)5 基于matlab数字信号处理虚拟实验仿真平台整体构建方案 (31)5.1 仿真平台应用软件设计实现 (31)5.1.1 总体结构设计 (31)5.1.2 软件实现 (32)6 基于matlab的数字信号处理虚拟实验仿真平台的实现 (35)6.1 界面的设计方法 (35)6.1.1 句柄图形及图形用户界面 (35)6.1.2 GUIDE的设计过程 (36)6.1.3 基于matlab的数字信号处理虚拟实验仿真平台主界面 (40)6.1.4 基于MATLAB数字信号处理实验设计实例 (50)6.1.5 实验仿真平台的特点 (65)7 结论 (66)致谢 (69)参考文献 (72)1 引言1.1 课题的背景数字信号处理是应用最快、成效最显著的新科学之一, 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。

西北工业大学《基于MATLAB的数字信号处理》实验报告学院：学号：姓名：专业：实验时间： 2014年7月指导教师：西北工业大学2014年07 月title('三曲线对比图'); %标注标题六、实验结果实验结果1：X =所以，X=[x1,x2,x3]=[ , , ]’实验结果2：K=实验结果3：三曲线的对比图如下所示：figure;subplot(2,1,1);plot(f4,20*log10(abs(H4)));xlabel('频率/Hz');ylabel('振幅/dB');title('布莱克窗的幅频特性');grid on;subplot(2,1,2);plot(f4,180/pi*unwrap(angle(H4))); xlabel('频率/Hz');ylabel('相位');title('布莱克窗的相频特性');grid on;六、实验结果实验结果：图2-1 x(n)与y(n)的互相关序列图由实验结果可知，x(n)与y(n)的互相关只在区间[-4,8]上有能力，刚好是区间[-3,3]与右移后的区间[-1,5]两端点之和，与结论一致。

且互相关在2处达到最大。

实验结果：其表示的差分方程为：y(n)(n-4)=x(n)+x(n-4)实验结果：滤波器的幅频和相频图如下所示：图2-2 滤波器的幅频与相频图实验结果：由下图实验结果可知，输出信号相对于输入信号有一小小的延迟，基本上x(n)的频点都通过了，滤波器是个梳状filter，正好在想通过的点附近相位为0，也就是附加延迟为0图2-3 滤波器的幅度和相位变化图2-4 两信号波形实验结果：四种带通滤波器的窗函数的频率响应如下所示：图2-5 矩形窗的频率特性图2-6 汉宁窗的频率特性图2-7 海明窗的频率特性图2-8 布莱克曼窗的频率特性图3-1 加噪前、后图像对比图3-2 加椒盐噪声的图像均值滤波前、后的图像对比图3-3 加椒盐噪声的图像中值滤波前、后的图像对比图3-4加高斯噪声的图像均值滤波前、后的图像对比图3-5 加高斯噪声的图像中值滤波前、后的图像对比实验结果：图3-6 原图及重构图像图3-7 程序运行结果由实验结果可知，当DCT变换的系数置0个数小于5时，重构图像与原图像的峰值信噪比为，重构图像置为0的变换系数的个数个数为：；当DCT变换的系数置0个数小于10时，重构图像与原图像的峰值信噪比，重构图像置为0的变换系数的个数个数为：；当DCT变换的系数置0个数小于5时，重构图像与原图像的峰值信噪比为，重构图像置为0的变换系数的个数个数为：；可以发现，在抛弃部分DCT系数后，重构图像时不会带来其画面质量的显著下降，采用这种方法来实现压缩算法时，可以通过修改mask变量中的DCT系数来更好地比较仿真结果。

基于MATLAB的信号与系统仿真实验毕业设计信号与系统是电子信息类专业的一门重要课程，它是其他课程的基础和前提。

为了更好地理解信号与系统的理论知识，掌握信号的分析和处理方法，实验仿真是非常重要的手段之一、MATLAB作为一款强大的数学软件，被广泛应用于信号与系统的实验仿真中。

本文将基于MATLAB，介绍一个基于信号与系统的仿真实验的毕业设计。

该设计主要包括以下几个方面的内容：实验目的、实验原理、实验步骤和实验结果及分析。

实验目的：本次实验的主要目的是通过MATLAB软件，实现信号与系统的仿真分析，掌握信号与系统的基本概念和分析方法，培养学生对信号与系统的实际应用能力。

实验原理：本实验主要涉及信号的生成与采样、信号的查表和存储、信号的线性时不变系统等方面的内容。

通过对不同种类的信号进行分析，可以更好地理解信号的特性，并通过系统的分析，了解线性时不变系统对信号的作用及特性。

实验步骤：1.信号的生成与采样：在MATLAB中，通过给定信号的频率、振幅及采样率等参数，利用正弦函数或方波函数生成模拟信号，并对信号进行采样。

2.信号的查表和存储：将生成的信号通过查表和存储的方式保存为数据文件，并通过MATLAB读取这些数据文件，进行后续的处理和分析。

3.信号的线性时不变系统：通过设计不同的线性时不变系统，如低通滤波器或高通滤波器等，对信号进行滤波处理。

可以分析系统的频率响应、幅频响应等参数，并观察滤波后信号的变化。

实验结果及分析：通过对生成的信号进行采样、查表和存储，并对信号进行线性时不变系统的处理，在MATLAB中可以得到相应的结果。

根据实验结果，可以对信号的特性进行分析，比较不同信号和系统对信号的影响，进一步了解信号与系统的相关知识。

综上所述，本次基于MATLAB的信号与系统仿真实验毕业设计主要是通过对信号的生成、采样、查表和存储以及对信号进行线性时不变系统的处理，来掌握信号与系统的分析方法和应用能力。

通过实验结果的分析，可以进一步理解信号与系统的概念和特性，提高对信号与系统的理解和应用能力。

基于MATLAB的数字信号处理1MATLAB的综合实验一、实验目的及要求培养学生利用Matlab解决专业问题的能力。

二、实验设备（环境）及要求1．计算机2．Matlab软件编程实验平台三、实验内容1、编程实现一个数字信号处理的仿真系统。

要求具有界面并实现以下功能：1）能产生（得到）并选择各种数字信号（sin、方波、三角波、语音、噪声及其叠加）；2）具有DFT、DCT和DWT变换功能，并对各种信号进行变换；3）设计滤波器实现低通、高通、带通滤波，得到输出信号的频域特性和时间序列；4）输入一段叠加了噪声的语音信号，显示其频谱特性，通过变换或滤波对其降噪，得到输出信号的频域特性和时间序列。

四、设计思想本系统包含有三个主要部分：信号产生与变换模块，滤波器模块和语音噪声处理。

信号产生与变换通过输入信号频率和采样频率实现正弦、方波、三角波、语音信号的产生以及噪声的叠加，系统设定信号持续时间为0.05s，语音信号为截取了一段2s的声音信号。

同时对各个信号进行DFT，DCT和DWT变换，且变换点数N=256,同时设定DWT变换时的小波类型为db1。

滤波器模块设计了四个IIR 滤波器（巴特沃斯、切比雪夫Ⅰ型，切比雪夫Ⅱ型和椭圆滤波器），并分别实现低通，高通和带通。

界面设计了各种滤波器所需参数的输入模块。

系统设定待滤波信号持续时间为0.05s，包含有3个频率成分，S=sin(2*pi*f*t)+ sin(2*pi*5*f*t)+sin(2*pi*8*f*t)，其中f为输入信号频率，S通过低通、带通、高通滤波器之后，分别得到频率为f，5f和8f的正弦信号，实现信号滤波。

语音噪声处理部分是一个复选框按钮，通过巴特沃斯低通滤波器对其进行降噪，设计中通过观察噪声语音信号的频谱得到低通滤波器的截止频率和阻带起始频率，并合理输入通带衰减与阻带衰减，最终得到理想的降噪结果。

数字滤波器设计过程中用到了如下的一些matlab设计函数：buttord、butter，cheb1ord、cheby1，cheb2ord、cheby2，ellipord、ellip。

基于MATLAB的数字信号发生器摘要：MATLAB有强大的音频处理函数和强大的数据处理功能，是一个数据分析和处理功能十分强大工程实用软件,能够方便地产生各种波形的数据数组，同时通过音频处理函数又可以很方便的将数据数组传递给声音设备，并以特定的采样频率和传输比特位由声卡输出。

他数据采集工具箱为实现数据输入和输出提供了十分方便函数和命令。

本文介绍了通过计算机声卡来实现虚拟信号发生器基本原理以及Matlab数据采集工具箱中用于模拟信号输出主要函数和命令，并以正弦波等信号发生器为例，详细介绍了该信号发生器具体实现方法，这对获得难以用常规仪器设备产生信号提供了有效方法，具有一定借鉴价值。

并介绍了基于声卡和MATLAB的数字电子琴、双音多频（DTMF）信号系统、混音器的实现。

关键词：MATLAB，声卡，数字信号发生器，数字电子琴，双音多频，混音器一、引言声卡是将音频输入数据转换为立体声输出的一种设备，输入信号同时也设定了声卡的采样频率和采样位数，普通声卡采样频率通常可选值为8,000Hz、11,000Hz、16,000Hz、22,000Hz和44,100Hz，而高性能的专业声卡的A/D采样频率最高可达96,000Hz，D/A转换频率最高可达192,000Hz。

声卡的采样频率可以通过专业软件来进行更改和设置的。

声卡输出位数为固定值，包括8位、16位和24位，这个参数标志声卡进行D/A转换时的转换精度，但要使输出信号更接近理想值，还需要高采样频率来做保障。

声卡作为多媒体计算机系统中最基本最常用硬件之一，其技术已经发展成熟，他同时具有A/D和D/A转换功能，经济方便，目前已经被广泛应用于数据采集和虚拟仪器系统设计。

Matlab是一个数据分析和处理功能十分强大工程实用软件，他数据采集工具箱（data acquisition toolbox）为实现数据输入和输出提供了十分方便函数和命令，利用这些函数和命令可以很容易地实现对外部物理世界信号输出和输入。

基于MATLAB GUI 的数字信号处理实验仿真平台设计摘要：本文针对数字信号处理课程理论丰富、应用性强的特点，利用MATLAB自带的图形用户界面开发工具设计了数字信号处理实验仿真平台，实现了交互式实时动态仿真。

[关键词]数字信号处理MATLAB仿真平台图形用户界面?数字信号处理?是高校为电子通信类专业开设的核心专业根底课，对于学生整个课程体系的建立起着重要作用。

课程主要包含序列傅里叶变换、Z变换、离散傅立叶变换、快速傅立叶变换及数字滤波器的设计等内容，具有理论丰富、公式繁琐及物理概念抽象的特点，需要学生具备较好的复变函数和信号与系统的理论根底，因此，造成了目前学生普遍认为该课程内容难以理解学习的现状。

实验教学作为理论教学的一个辅助手段，引用得当可以帮助学生更深入地理解和掌握本门课程理论知识。

为了提高教学效果，结合多年的教学经验，本文基于Matlab强大的图形用户界面〔GraphicalUserInterface，GUI〕和丰富的数字信号处理工具箱，设计开发了一个数字信号处理实验仿真平台。

借助该平台，教师可以在课堂上以交互的方式进行实时仿真，将抽象的理论清晰、感性地再现，有效地提高了学生的学习兴趣和课堂教学效果;学生可以通过自主编程的方式进行滤波器的设计及应用实验，更能促进他们不断深入学习和研究，提高其设计应用能力。

1实验仿真平台结构数字信号处理实验仿真平台旨在为教师和学生提供一个交互式的用户界面，能够将数字信号处理课程的根底理论和方法通过动态演示的方法展现在学生面前，亦可以通过学生操作及自主编程来验证多个实验现象。

因此，实验平台内容可分为演示和实验两大类，其中实验类按学生的认知规律可进一步细分为验证性实验和设计性实验。

即该平台从结构上包括根底知识演示、验证性实验和设计性实验三大模块，涵盖数字信号处理课程的主要教学内容。

其中，根底知识演示模块主要用于课堂演示，将抽象内容通过仿真演示形象化，激发学生学习兴趣;验证性实验模块主要用于验证数字信号处理的根本理论知识，加深学生理解;设计性实验主要用于学生自行选择参数进行滤波器的设计，从而提高其解决问题能力。

实验一一、实验要求：IIR 数字滤波器的设计和实现DTMF 信号的编码: 把你的联系电话号码 DTMF 编码生成为一个 .wav 文件。

技术指标：根据 ITU Q.23 建议，DTMF 信号的技术指标是：传送/接收率为每秒 10 个号码，或每个号码 100ms。

每个号码传送过程中，信号存在时间至少 45ms，且不多于 55ms，100ms 的其余时间是静音。

在每个频率点上允许有不超过±1.5% 的频率误差。

任何超过给定频率±3.5% 的信号，均被认为是无效的，拒绝接收。

二、实验代码d=input('please enter number: ','s'); % 输入电话号码sum=length(d);total_x=[];sum_x=[];sum_x=[sum_x,zeros(1,800)];for a=1:sum %循环sum次symbol=abs(d(a)); % 求输入的ASCII码tm=[49,50,51,65;52,53,54,66;55,56,57,67;42,48,35,68]; % DTMF表中键的% 16个ASCII码for p=1:4;for q=1:4;if tm(p,q)==abs(d(a)); break,end % 检测码相符的列号qendif tm(p,q)==abs(d(a)); break,end % 检测码相符的行号p endf1=[697,770,852,941]; % 行频率向量f2=[1209,1336,1477,1633]; % 列频率向量n=1:400;x=sin(2*pi*n*f1(p)/8000) + sin(2*pi*n*f2(q)/8000); % 构成双频信号x=[x,zeros(1,400)]; %加长序列，增加静音sum_x=sum_x+x;total_x=[total_x x]; %将所有编码连接起来endsound(total_x); % 播放声音t=total_x/2;wavwrite(t,'我的手机号码'); %生成声音文件plot(total_x);title('DTMF信号时域波形');% 接收检测端的程序k1 = [18 20 22 24 31 34 38 42]; % 要求的DFT样本序号%k2 = [35 39 43 47 61 67 74 82]; % 要求的DFT样本序号kx=k1+1;%ky=k2+1;N=205;SK=[];out=[];for a=1:summ=800*(a-1);X=goertzel(total_x(m+1:m+N),kx); % 用Goertzel算法val = abs(X);SK=[SK;val];limit = 80; % 判决门限for s=5:8;if SK(a,s) > limit, break, end % 查找列号endfor r=1:4;if SK(a,r) > limit, break, end % 查找行号endend三、实验结果生成声音文件“我的手机号码”。

第一章MATLAB基本知识MATLAB是一种面向科学和工程计算的高级语言，包含的几十个工具箱，覆盖了通信、自动控制、信号处理、图像处理、生命科学等科技领域，现已成为国际公认的最优秀的科技界应用软件。

该软件的特点是：强大的计算功能、计算结果和编程可视化及极高的转换效率。

本章目的是帮助新用户在领略MATLAB非凡能力的同时能轻松跨越MA TLAB的门槛。

§1.1 MATLAB 语言的基本使用环境一．MATLAB的安装MATLAB5.3 版本仅有一张光盘，运行其上的安装文件setup.exe，则可以按提示安装整个MA TLAB 系统。

MATLAB6.1 版本有两张光盘，将其中的程序盘插入驱动器，运行其上的安装文件setup.exe，则可以按提示安装整个MA TLAB 系统。

MATLAB6.x与以前的版本相比，在界面上的变化是很大的，以前的版本只给出一个又一个命令窗口，MA TLAB6.1的程序界面，除了其右侧的Command Window (命令窗口)之外，还有Launch Pad (程序调用板) 和Command History (命令的历史记录)两个子窗口，以及Workspace (工作空间管理程序) 和Current Directory (当前目录管理程序)等，使MA TLAB 的操作更容易、方便了。

二．MATLAB5.3的操作步骤由于实验室安装的是MA TLAB5.3，下面我们介绍MATLAB5.3 的操作步骤。

双击桌面的MA TLAB5.3 的图标，如图1-1，将进入MA TLAB5.3的Command Window (命令窗口)，如图1-2。

1．帮助[Help]选项Help Windows 打开分类帮助窗Help Tips 打开函数文件命令帮助窗Help Desk 打开以超文本形式存储的帮助文件主页Examples and Demos 打开演示窗主页About MA TLAB 注册图标、版本、制造商和用户信息选择[Help]中不同的类别，用户可以从相关的帮助信息得到帮助。

基于MATLAB的数字信号处理实现数字信号处理是信号处理中的一个重要分支，随着数字信号处理技术的不断发展和完善，数字信号处理在科学研究、工程设计等领域都有着广泛的应用。

MATLAB作为一种常用的数字信号处理软件，可以方便地实现数字信号处理的各种算法。

本文将从数字信号处理的概念、MATLAB的基本操作和数字信号处理算法实现三个方面来介绍基于MATLAB的数字信号处理实现。

一、数字信号处理概述数字信号处理是指将模拟信号转换为数字信号，并对数字信号进行滤波、压缩、降噪等处理的一种信号处理方法。

数字信号处理的应用范围广泛，如通信系统、音频信号处理、图像处理等领域。

数字信号处理的基本步骤包括采样、量化、编码和数字滤波等。

二、MATLAB的基本操作MATLAB是一种常用的数字信号处理软件，可以方便地实现数字信号处理算法。

在使用MATLAB进行数字信号处理时，需要掌握一些基本操作，如矩阵运算、图像处理等。

（一）矩阵运算MATLAB中的基本数据类型是矩阵，因此矩阵运算是MATLAB中的基本操作之一。

MATLAB支持加、减、乘、除等基本运算符号，例如：A = [1 2; 3 4];B = [5 6; 7 8];C = A + B;D = A * B;E = A' ;disp(C);disp(D);disp(E);上述代码将两个矩阵相加、相乘，并求矩阵的转置，最后输出结果。

（二）图像处理MATLAB提供了强大的图像处理功能，可以对图像进行各种处理。

如读取图像、调整亮度和对比度、滤波等。

下面是一个简单的读取图像并显示的例子。

A = imread('peppers.png');imshow(A);上述代码从文件中读取一个图像，并使用MATLAB自带的imshow函数显示该图像。

三、数字信号处理算法实现在MATLAB中，可以方便地实现各种数字信号处理算法。

例如，信号滤波、频率分析、小波分析等。

下面将分别介绍这些算法的实现方法。