基于Ｍａｔｌａｂ的濾波器分析界面設計

陳　亮　郝衛東　喬建華

摘 要:Matlab的GUIDE是專門用于圖形用戶界面(GUI)程序設計的快速開發環境。在此結合具體的軟件圖形界面設計實例,介紹利用GUIDE制作圖形用戶界面的基本方法。在利用GUIDE設計的濾波器分析界面中,用戶不僅可以調入不同類型的濾波器,還可以對輸入參數進行修改,對仿真結果給出圖形和文字顯示。總體界面友好,具有開放性,既可方便不同用戶使用,也可不斷完善和擴充其功能。

關鍵詞:Matlab;圖形用戶界面;濾波器分析界面;數字信號處理

中圖分類號:TP319文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2009)10-039-03

Design of Filter Analysis Interface Based on Matlab

CHEN Liang1,HAO Weidong1,QIAO Jianhua2

(1.Mechano-eletronics Engineering College,Guilin University of Electronic Technology,Guilin,541004,China;

2.College of Electronic& Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan,030024,China)

Abstract:GUIDE of Matlab is a quick development environment,which is specially used for GUI program design.Based on an idiographic design example,this paper introduces basic methods to generate GUI with GUIDE.In this example,by the interface designed with GUIDE,it can not only load different types of filter,but also modify input parameters,and give figure and text show of simulation result.This interface is friendly and open,and is very convenient for different user,to perfect and extend its function.

Keywords:Matlab;graphical user interfaces;interface of the filter analysis;digital signal processing

0 引 言

隨著信息時代和數字世界的到來,信號處理已在通信、語音、圖像、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫療和家用電器等眾多領域得到了廣泛的應用。在信號處理中起著重要的作用并已獲得廣泛應用的是濾波器。在設計濾波器時,通常采用Matlab來進行輔助設計和仿真。

Matlab是集數值計算、符號運算及圖形處理等強大功能于一體的科學計算語言。作為強大的科學計算平臺,它幾乎能滿足所有的計算要求。隨著對仿真和程序設計通用性及可視化需求的日益增加,新版本的Matlab著重改善了圖形用戶界面(GUI)的制作,極大地滿足了用戶的要求。

在此以Matlab 7.1為設計平臺,利用Matlab的圖形用戶界面開發環境(GUIDE)設計濾波器的分析界面。

1 設計的基本內容及特點

數字信號處理課程不僅是高等院校電類專業和信息類專業學生的必修課程,也是工科學生受益較多的一門課程。但是課程的許多理論都基于繁瑣的數學理論和數學推導,特別是濾波器分析的內容,因其理論及設計抽象難懂,容易使學生感到乏味。這里設計的基于Matlab平臺的濾波器分析界面,不僅可以簡單方便地設計和分析各種濾波器,而且有助于提高學生學習的效率,幫助學生理解課堂所學理論。該系統的基本內容及特點如下:

(1) 具有數據輸入、圖形輸出、數據修改和文件保存、打印等功能,系統內容豐富,結果直觀易懂,便于分析;

(2) 通過選擇和濾波器參數輸入,可以顯示輸出基于Matlab設計出的多種FIR和I2R數字濾波器;

(3) 可以對FIR或I2R的濾波器進行幅頻響應、單位脈沖響應、零極點分析和群延遲特性分析,并可打印輸出分析結果;

(4) 界面可視性強,操作簡單方便,且系統易于擴展新的分析內容及仿真。

2 GUI設計工具簡介

GUIDE(Graphical User Interface Development Environment)是Matlab中一個專用于GUI程序設計的向導設計器,而GUI是由各種圖形對象,如圖形窗口、圖軸、菜單、按鈕、文本框等構建的用戶界面,是人機交互的有效工具和方法,通過GUIDE可以很方便地設計出各種符合要求的圖形用戶界面。用戶可以根據界面提示完成整個工程,卻不必去了解工程內部是如何工作的。GUI設計既可以基本的Matlab程序設計為主,也可以鼠標為主利用GUIDE工具進行設計,也可綜合以上兩種方法進行設計。調用GUIDE的方法有兩種,在Matlab主菜單中點擊File菜單的New子菜單,選擇GUI選項,或在Matlab命令窗口輸入guide命令,即可打開一個可編輯的新窗口。在新窗口中有界面設計需要用到的工具,如屬性編輯器(Properties Inspector)、控件布置編輯器(Alignment Objects)、菜單編輯器(Menu Editor)、對象瀏覽器(Object Browser)、網格標尺設置編輯器(Grid and Rulers)以及GUI應用屬性設置編輯器(Guide Application Options)。利用這些工具就可設計出需要的圖形操作界面。

3 系統總體設計步驟

在該系統的設計中,界面布局設計采用自頂向下的設計方法,即先設計引導界面和主界面,再設計各個子界面。界面設計完成后,只是一些靜態的畫面,而沒有內涵,還不能用于實驗操作,想要達到仿真分析的功能,還必須借助于函數調用。在設計中,各個回調函數的編寫順序則是采用自底向上的設計方法,即先編制各個子界面中回調函數,再編寫主界面和引導界面的回調函數。

其設計的具體操作步驟如下:

(1) 使用Matlab圖形用戶界面開發環境(GUIDE)提供了一系列創建用戶圖形界面(GUI)的工具,設計整個界面的開始引導界面、主界面和具體各個子界面。

(2) 分別編寫各個子界面的各個控件對象的回調函數,以實現控件相應的控制功能,達到直接通過界面上各個控件就可以控制數據的輸入輸出,并可以方便地達到對結果數據及其圖形進行讀取和分析的目的。

(3) 編寫主界面的回調函數,將各個子界面整合在主界面中,即通過主界面就可以進入任何一個子界面進行操作。

(4) 編寫開始引導界面的回調函數,實現從引導界面直接進入主界面。

4 濾波器分析界面的設計及實現

4.1 濾波器分析界面系統的設計

該系統的整體結構設計由兩部分組成:引導界面的設計和主界面的設計。系統的整體結構框圖見圖1。

引導界面包括了此次設計的標題、歡迎圖形、進入下一個界面的按鈕(WELCOM)及退出按鈕(CLOSE)。在初始引導界面中,當用戶單擊命令按鈕時,會產生相應的動作,例如當按下WELCOM鍵時,會自動執行命令并跳轉到濾波器分析系統的主界面。

在濾波器分析系統的主界面中,總共包含4個模塊,主顯示模塊、菜單模塊、濾波器設計模塊和濾波器分析模塊。其中,主顯示模塊負責顯示選中的濾波器設計和分析的結果;菜單模塊中除了一般系統均使用的菜單外,還增加了幾個控制背景和退出系統等特色菜單,以方便用戶使用;濾波器設計和分析模塊中,分為若干個子界面,分別調用已編寫的函數來實現設計和分析功能。

4.2 濾波器分析界面系統的實現

設計出的主界面是用來進入各個子界面的。系統使用菜單及其一些按鈕控件是用來實現各個子界面的有機聯系,界面美觀大方,易于操作。在主界面中有4個菜單分類,分別是System系統、Analysis分析、Tool工具以及Help幫助。

(1) 系統(System):System中包含了兩大項:I2R System和FIR System。這兩個子系統中又包含許多子項,涵蓋了比較常用的典型濾波器,如圖2所示。

在 I2R System和 FIR System這兩個子系統中,又分別分為數字濾波器(Digital Filter)與模擬濾波器(Analog Filter)兩個子項,而在這兩個子項下都同樣包含著Low Pass(低通)、High Pass(高通)、Band Pass(帶通)、Band Stop(帶阻)濾波器(Filter),另外在FIR system 中還加入對窗函數的分析比較。

在設計I2R模擬濾波器的時候,設計者可以自行輸入模擬高通、帶通、帶阻濾波器的參數(階次和通帶波紋系數),并對輸入不同參數的濾波器進行清晰的比較設計。例如,在設計I2R模擬帶阻濾波器時,對階次為2階和9階,通帶波紋同為10 dB的兩個濾波器進行設計,只需按要求輸入不同的參數,即能進行方便快捷的比較設計,并且還能不斷地按提示要求輸入參數增加濾波器設計比較,如圖3所示。

(2) 分析(Analysis):在Analysis菜單中,對各種常用的典型濾波器進行了分析比較。下面僅以兩種類型的低通濾波器比較分析為例,說明該系統分析功能的實現,即從I2R濾波器和FIR濾波器中各選出一種低通濾波器進行比較分析。I2R 濾波器和FIR濾波器各有所長,I2R 濾波器設計簡單,但是往往脫離不了模擬濾波器的格局;FIR濾波器雖然設計靈活,但是階次較高,信號延遲大,所以要對其進行比較。在實際應用中,選擇濾波器型號時,應該從多方面加以考慮。

進行I2R和FIR兩類低通濾波器的比較分析時,首先選擇Analysis菜單下I2R Analyze(I2R濾波器分析)中的雙線性z變換設計數字低通濾波器進行分析,然后再選中菜單下FIR Analyze(FIR 濾波器分析)中的針對切比雪夫逼近法設計數字低通濾波器進行分析。兩類低通濾波器的比較,主要分析I2R/FIR數字低通濾波器的幅頻響應;I2R/FIR 數字低通濾波器的單位脈沖響應h(n),I2R/FIR數字低通濾波器的群延遲特性;I2R/FIR數字低通濾波器的零極點分析等四項內容,如圖4所示。

由圖4可以得出,I2R濾波器系統函數的極點可以位于單位圓的任何位置,因此在相同設計指標下(與FIR濾波器相比),實現I2R濾波器的階次低,經濟效率高,但它以相位非線性為代價。相反,FIR卻得到嚴格的線性相位,但FIR濾波器系統的極點固定在原點,所以必須使用較高階次的濾波器實現相同的技術指標(與I2R濾波器相比),通常階次要高5~10倍,致使成本較高,也造成較大的信號延遲。

(3) 工具(Tool):此項包含一個子項升級(Live Update),當計算機未聯網時,就會彈出一個網絡未連接的錯誤信息顯示對話框。

(4) 幫助(Help):此項包含兩個子項Help和About。當選擇Help選項時,會執行程序調用并顯示幫助的內容;當選擇About選項時,會顯示該圖形用戶界面的版本號及設計時間等相關信息。

5 結 語

在Matlab 7.1版本的基礎上,利用GUIDE設計完成的這個濾波器分析界面,不管是對初學者還是對研究分析者,都可以更加清晰地認識各種濾波器,并加以直觀形象地分析和選擇。作為一個通用的學習分析程序,可以供不同的設計、學習人員使用,可根據圖形界面的參數提示修改輸入相應的參數,就可以方便地顯示并得出分析結論。該設計系統可以應用到數字信號處理的實驗教學之中,能夠激發學生學習的興趣,達到提高教學質量的目的。

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