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哈尔滨工业大学(威海)课程设计报告
- I -
目 录
一. 课程设计任务......................................................................................................1
1、掌握 MATLAB 及其在数字信号处理中的应用 ............................................1
2、课程设计题目:数字听诊器信号分析 ...........................................................1
二. 课程设计原理及设计方案 ..................................................................................2
1、滤波器设计原理...............................................................................................2
1.1 滤波器概述...................................................................................................2
1.2FIR 数字滤波器设计原理.............................................................................2
1.3 FIR 数字滤波器的特性................................................................................2
1.4 窗函数的介绍...............................................................................................4
2、设计方案...........................................................................................................5
三. 课程设计的步骤和结果 ......................................................................................6
1、读取病人心肺声音信号并对其进行频谱分析 ...............................................6
2、设计滤波器对信号进行滤波(以凯塞窗为例) ...........................................7
2.1 低通滤波器..................................................................................................7
2.2 带通滤波器...................................................................................................8
2.3 带阻滤波器.................................................................................................10
3、GUI 界面设计.................................................................................................11
3.1 BUTTON1 病人心肺声音信号提取 .........................................................11
3.2 BUTTON2 退出系统.................................................................................12
3.3 BUTTON3 运行.........................................................................................12
3.4 文本编辑框.................................................................................................15
3.5 GUI 整体界面.............................................................................................15
四. 课程设计总结....................................................................................................16
五. 设计体会............................................................................................................17
六. 参考文献............................................................................................................18
哈尔滨工业大学(威海)课程设计报告
- 1 -
一. 课程设计任务
1、掌握 MATLAB 及其在数字信号处理中的应用
MATLAB 计算软件是一套进行科学计算的高性能软件,可以进行矩阵运
算、绘制函 数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程 语言的
程 序 等 , 主 要 应 用 于 工 程 计 算 、 控 制 设 计 、 信 号 处 理 与 通 讯 、 图 像 处
理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
Matlab语言可以很容易实现Fourier 变换和数字滤器的设计,广泛应用
于数字信号处理中,给我们对数字信号的研究工作带来很大方便,同时具有功
能全面的GUI程序设计,使所设计的应用程序具有图形用户界面,方便用户操
作。
2、课程设计题目:数字听诊器信号分析
目前大夫主要以听诊器倾听病人的气管、肺部区域的声音,对病人的疾病进
行判断;请设计一个听诊的软件,要求如下:
1) 可记录病人的姓名、年龄、性别、病史、不同疾病部位等状况;
2) 对病人的气管、肺部等区域的声音进行采集、分析、存储(前端听诊部
分不用考虑,只考虑数据采集部分)。
3) 可分析不同声音分量的大小,给出频谱图,以及主要频率的幅度,便于
大夫分析和验证;
4) 由于采集到的信号经常存在某些干扰信号,比如心脏的震动,请设计低
通、带通、带阻滤波器对信号处理,滤波器参数在用户界面中可以进行设
置,方便医生进行使用;
5) 编制 GUI 用户界面。
哈尔滨工业大学(威海)课程设计报告
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二. 课程设计原理及设计方案
1、滤波器设计原理
1.1 滤波器概述
随着信息时代和数字世界的到来,数字信号处理已成为当今一门极其重
要的学科和技术领域。数字信号处理在通信、语音、图像,自动控制、雷达、
军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。在数字信
号处理中,数字滤波器占有极其重要的地位。现代数字滤波器可以用软件或设
计专用的数字处理硬件两种方式来实现,用软件来实现数字滤波器优点是随着
滤波器参数的改变,很容易改变滤波器的性能。根据数字滤波器单脉冲响应的
时域特性可将数字滤波器分为两种, 即 IIR (Infinite Impulse Response)
无限长脉冲响应数字滤波器和 FIR (Finite Impulse Response)有限长脉冲响
应数字滤波器。从功能上分类, 可分为低通、高通、带通、带阻滤波器。
1.2FIR 数字滤波器设计原理
FIR 具有突出的优点:系统总是稳定的、易于实现线性相位、允许设计
多通带(或多阻带)滤波器。但与 IIR 相比,在满足同样的阻带衰减的情况下需
要较高的阶数。FIR 的冲激响应 h(k)是有限长的 M 阶 FIR 系统函数可表示为
0
( ) ( )
M
k
k
H z h k z
-
=
=
å
滤波器的输出:
0
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
M
i
y k h k x k h i x k i
=
= * = -
å
它的设计问题实质上是确定能满足所要求的转移序列或脉冲响应的常数
问题,给出的设计方法主要有窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法等。
在这里我们利用窗函数法设计 FIR 滤波器。给定所要求的滤波器的频率响
应 Hd ( ejw) , 要 求 设 计 一 个 FIR 滤 波 器 的 频 率 响 应 H( ejw) 来 逼 近
Hd( ejw) .设计是 在时域进行的, 首先由傅立叶变换导 出无限长的序列
hd( n) , 然后用窗函数截断 hd ( n) ,即: h( n) = hd( n) w( n)。
1.3 FIR 数字滤波器的特性
FIR 滤波器有以下特点:
哈尔滨工业大学(威海)课程设计报告
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(1) 系统的单位冲激响应 h(n)在有限个 n 值处不为零;
(2) 系统函数 H(z)在|z|>0 处收敛,极点全部在 z = 0 处(因果系统);
(3) 结构上主要是非递归结构,没有输出到输入的反馈,但有些结构中(例
如频率抽样结构)也包含有反馈的递归部分。
因为 FIR 数字滤波器的单位冲激响应是有限长的,所以它永远都是稳定的。[3]
说明了达到具有线性相位这一要求,仅需要对 FIR 数字滤波器的冲激响应
( )h n
施加一定的约束。令
jw
z e=
,就可由
( )H z
得到 FIR 数字滤波器的频率响
应:
1
( )
0
( ) ( ) | ( ) ( )
j
N
j j n j
z e
n
H e H z h n e H e
w
w w q w
w
-
-
=
=
= = =
å
(1-2-1)
式中
( )H
w
是
( )
j
H e
w
的幅频特性,
( )
q w
是
( )
j
H e
w
的相频特性
Im( ( ))
( ) arctan( )
( ( ))
j
j
H e
RE H e
w
w
q w
=
(1-2-2)
由于 h(n)的长度 N 取奇数或偶数时对 H(w)的特性有影响, FIR 滤波器的幅频
特性可以分为以下 4 种情况:
(1)第Ⅰ种类型:
( )h n
为偶对称,且 N 为奇数
根据式:
1
0
1
( ) ( ) cos[( ) ]
2
N
n
N
H h n n
w w
-
=
-
= -
å
可以得到滤波器的幅频函数为:
( 1)/2
0
( ) ( ) cos( )
N
n
H a n n
w w
-
=
=
å
(1-2-3)
其 中
1
(0) ( )
2
N
a h
-
=
,
1
( ) 2 ( ), 1, 2, ,
2 2
N N
a n h n n
-
= - = …
。 幅 度 函 数
( )H
w
对
0, , 2
w p p
=
呈偶对称。
(2)第Ⅱ种类型:
( )h n
为偶对称,且 N 为偶数
根据式:
1
0
1
( ) ( ) cos[( ) ]
2
N
n
N
H h n n
w w
-
=
-
= -
å
可得滤波器的幅频函数为:
/2
1
1
( ) ( ) cos ( )
2
N
n
H b n n
w w
=
é ù
= -
ê ú
ë û
å
(1-2-4)
其中:
N
( ) 2 ( ), 1, 2,
2 2
N
b n h n n= - = … ,
。幅度函数
( )H
w
对于
0
w
=
或
2
p
呈偶对
称。如果数字滤波器在
w p
=
处不为零,如本文设计的高通滤波器和带阻滤波
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