MATLAB在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用.doc

MATLAB在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用 隨著我國(guó)的科學(xué)技術(shù)水平進(jìn)一步提高，諸多領(lǐng)域都應(yīng)用到了數(shù)字信號(hào)，對(duì)信號(hào)的處理以及獲得有價(jià)值的信息，都能促進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展也有著促進(jìn)作用。通過(guò)對(duì)MATLAB的應(yīng)用，能提高對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的質(zhì)量和效率，這也是對(duì)現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)。本文先就MATLAB的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和數(shù)字信號(hào)處理算法理論簡(jiǎn)要闡述，然后對(duì)基于MATLAB的數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)架構(gòu)和處理目標(biāo)詳細(xì)分析，最后對(duì)數(shù)字信號(hào)處理中MATLAB的應(yīng)用進(jìn)行探究。希冀能通過(guò)此次理論研究，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理中MATLAB的應(yīng)用效率提高起到促進(jìn)作用。 【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號(hào)MATLAB應(yīng)用 MATLAB是當(dāng)前比較流行的工程類交互式可視化應(yīng)用軟件，有著比較先進(jìn)的計(jì)算環(huán)境和算法，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理以及數(shù)值分析等，都能發(fā)揮積極重要作用。MATLAB計(jì)算軟件的功能比較強(qiáng)大，用戶操作界面也比較大方，對(duì)多種硬件平臺(tái)數(shù)學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件適應(yīng)，所以在應(yīng)用的價(jià)值層面也比較突出。 1MATLAB的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 1.1MATLAB的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn) 1.1.1高效的編程效率優(yōu)勢(shì) MATLA主要是應(yīng)用于商業(yè)的數(shù)學(xué)軟件，也是當(dāng)前比較流行的數(shù)學(xué)軟件，對(duì)數(shù)據(jù)分析以及可視化和算法的開(kāi)發(fā)能發(fā)揮積極作用。主要分成MATLAB和Simulink重要部分。這一軟件的功能優(yōu)勢(shì)比較突出，如鏈接庫(kù)模塊的封裝，以及通過(guò)邏輯表達(dá)式控制有效變量，CommunicationsSystemToolboSphere解碼器和Constellation框圖系統(tǒng)對(duì)象等，MATLAB軟件都支持。從對(duì)MATLAB的應(yīng)用情況來(lái)看，其自身也有著鮮明的優(yōu)勢(shì)，高效編程效率是比較突出的。MATLAB應(yīng)用軟件流程控制語(yǔ)句和C語(yǔ)言相比較比較簡(jiǎn)單，在運(yùn)算表達(dá)上也比較靈活，這對(duì)初學(xué)者的學(xué)習(xí)效率提高就有著保障，并且也比較方便修改等。 1.1.2優(yōu)化的人機(jī)界面優(yōu)勢(shì) MATLAB應(yīng)用軟件的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在人機(jī)界面層面，其桌面環(huán)境集成了命令窗口以及工作空間瀏覽器等界面內(nèi)容，能夠?yàn)橛脩籼峁┝己梦淖痔幚砉δ堋＿@一優(yōu)化的人機(jī)界面和接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言，對(duì)使用者的學(xué)習(xí)效率提高和快速的掌握就提供了條件。對(duì)專門(mén)領(lǐng)域也開(kāi)發(fā)了強(qiáng)大功能的模塊集以及工具箱，應(yīng)用評(píng)估就不用自己編寫(xiě)代碼，工具箱中的模塊應(yīng)用也比較方便。 1.1.3處理能力優(yōu)越優(yōu)勢(shì) MATLAB應(yīng)用軟件包含著諸多計(jì)算算法集合，這就為數(shù)字處理工作的開(kāi)展提供了保障。有六千多工程中的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)都囊括其中，所以在計(jì)算處理的能力是比較強(qiáng)大的。函數(shù)所使用的算法也是科研以及工程計(jì)算的最新研究成果，經(jīng)過(guò)容錯(cuò)處理以及優(yōu)化處理，就能代替底層語(yǔ)言，常見(jiàn)的有C語(yǔ)言和C+語(yǔ)言等。從簡(jiǎn)單函數(shù)到復(fù)雜函數(shù)都包含其中，能進(jìn)行多維數(shù)組的操作和建模仿真等。 1.1.4圖形處理和擴(kuò)展優(yōu)勢(shì) MATLAB應(yīng)用軟件在圖形處理能力上比較突出，能方便數(shù)據(jù)可視化，能把向量以及矩陣通過(guò)圖形進(jìn)行表現(xiàn)，并進(jìn)行二維或者是三維的可視化。這樣在科學(xué)計(jì)算以及工程繪圖當(dāng)中就能發(fā)揮很大促進(jìn)作用。圖形功能的逐漸完善下，也有著特殊要求，如圖形對(duì)話等，這些都能通過(guò)MATLAB應(yīng)用軟件加以實(shí)現(xiàn)。另外，對(duì)于MATLAB軟件的可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)也表現(xiàn)比較突出，允許用戶開(kāi)發(fā)某一應(yīng)用領(lǐng)域第三方工具箱等。這些優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)就使得MATLAB應(yīng)用軟件的應(yīng)用范圍比較廣泛。 1.2MATLAB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 1.2.1開(kāi)發(fā)環(huán)境系統(tǒng) MATLAB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的，開(kāi)發(fā)環(huán)境是比較重要的組成部分。這是方便用戶使用的函數(shù)以及文件工具集，諸多工具是圖形化用戶的借口，是集成用戶工作空間，能有效提供M文件集成編譯以及調(diào)試環(huán)境。其中包含的內(nèi)容比較多樣，如命令窗口以及在線幫助文檔等諸多的內(nèi)容。 1.2.2語(yǔ)言系統(tǒng) MATLAB系統(tǒng)組成中的語(yǔ)言是比較關(guān)鍵的部分，這是高級(jí)的基于矩陣的語(yǔ)言，程序流控制以及函數(shù)等都是其比較有特色的特征，通過(guò)這一矩陣或者數(shù)組的語(yǔ)言方式，對(duì)迅速建立簡(jiǎn)單運(yùn)行快的程序就有著積極作用，不僅如此，也能建立復(fù)雜程序。 1.2.3應(yīng)用程序接口系統(tǒng) MATLAB應(yīng)用軟件的應(yīng)用程序接口組成部分，這是使得MATLAB語(yǔ)言和其他高級(jí)編程語(yǔ)言交互的函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，在動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的應(yīng)用下能有效實(shí)現(xiàn)文件數(shù)據(jù)交換。 1.2.4圖形處理系統(tǒng) 這一子系統(tǒng)主要就是實(shí)現(xiàn)矩陣以及向量的圖形化呈現(xiàn)，以及標(biāo)注和打印等。 2基于MATLAB的數(shù)字信號(hào)處理算法理論和平臺(tái)架構(gòu) 2.1數(shù)字信號(hào)處理算法理論簡(jiǎn)述 數(shù)字信號(hào)的處理過(guò)程中，通過(guò)對(duì)MATLAB軟件的應(yīng)用就能發(fā)揮積極作用，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的探討，先對(duì)算法處理理論基礎(chǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述，以便更好的理解數(shù)字信號(hào)處理的價(jià)值。先是對(duì)濾波器方案的選擇，濾波是信號(hào)處理的基礎(chǔ)，信號(hào)當(dāng)中都會(huì)帶有無(wú)用的信號(hào)，濾波器就能夠把信號(hào)當(dāng)中干擾的部分進(jìn)行清理，然后對(duì)有價(jià)值的信號(hào)加以篩選，結(jié)合數(shù)字濾波器單位脈沖響應(yīng)的時(shí)域特性，就能把數(shù)字濾波器分成不同的類型，有FIR有限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)濾波器以IIR無(wú)限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)濾波器，前者系統(tǒng)函數(shù)極點(diǎn)位于原點(diǎn)，通過(guò)較高階數(shù)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)良選擇，成本就比較大。后者可低階數(shù)實(shí)現(xiàn)較好選頻特性，存儲(chǔ)單元也相對(duì)少。 對(duì)數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)的方法就要運(yùn)用到相應(yīng)算法，其中的FFT算法是比較常用的，實(shí)際數(shù)字信號(hào)處理算法以及系數(shù)分析和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，DFT發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。DFD是可計(jì)算變換，對(duì)其進(jìn)行改善需要對(duì)WNnk周期性以及對(duì)稱性加以利用。其算法主要原理就是把單長(zhǎng)度為N序列離散傅里葉變換，分解成短序列離散傅里葉變化進(jìn)行計(jì)算。把序列分成N2長(zhǎng)度為N1小序列，通過(guò)對(duì)小N1點(diǎn)的利用，組成大DFT。這樣就能將編號(hào)中的n以及k編成如下算法式：2.1基于MATLAB的數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)架構(gòu) 數(shù)字信號(hào)的處理過(guò)程中，對(duì)MATLAB軟件的應(yīng)用能大大提高處理效率。MATLAB數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)的構(gòu)架（如圖1所示）。是對(duì)USB數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)缴衔粰C(jī)數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)處理，進(jìn)行換算成集裝箱堆高數(shù)據(jù)，并在GUI界面進(jìn)行顯示。MATLAB軟件的應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)處理中不能對(duì)USB接口直接數(shù)據(jù)操作，為能獲得原始數(shù)據(jù)，就要通過(guò)M文件作為主要程序接口，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的讀寫(xiě)操作，對(duì)數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理。處理中通過(guò)調(diào)用數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)來(lái)對(duì)多通道數(shù)據(jù)分別處理，設(shè)置數(shù)字信號(hào)處理參數(shù)，最后將結(jié)果輸出。進(jìn)行數(shù)據(jù)獲得的時(shí)候，主要是調(diào)用M文件來(lái)接收USB接口傳輸數(shù)據(jù)。M文件是動(dòng)態(tài)鏈接子程序，被多種硬件接口控制，能實(shí)現(xiàn)MATLAB功能實(shí)現(xiàn)部分調(diào)用。而其編譯的環(huán)境主要是通過(guò)C+語(yǔ)言設(shè)計(jì)的，主要的配置如在Linker選項(xiàng)下附加庫(kù)目錄中加入MATLAB的externlib/win32microsoft路徑。 入口程序以及文件控制實(shí)現(xiàn)方面，其入口程序主要提供MATLAB和M控制實(shí)現(xiàn)部分軟件接口，入口函數(shù)有幾個(gè)重要參數(shù)nrhs，prhs，nlhs，plhs。此次設(shè)計(jì)當(dāng)中物輸入?yún)?shù)，故此該數(shù)列是空。而在控制實(shí)現(xiàn)層面主要是進(jìn)行調(diào)用USB驅(qū)動(dòng)模塊，將USB設(shè)備打開(kāi)之后對(duì)其發(fā)送控制命令實(shí)施數(shù)據(jù)讀取，然后把讀取數(shù)據(jù)寫(xiě)入緩沖區(qū)當(dāng)中。主要的流程就是先進(jìn)行創(chuàng)建USB設(shè)備對(duì)象，然后調(diào)用VendorlD，ProductID等函數(shù)獲得對(duì)象信息，監(jiān)測(cè)設(shè)備是不是連接上位機(jī)成功，對(duì)open函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，并打開(kāi)USB設(shè)備，接著對(duì)ControlEndPt函數(shù)進(jìn)行調(diào)用創(chuàng)建控制端點(diǎn)對(duì)象，設(shè)置其屬性向設(shè)備發(fā)送VenderCMD進(jìn)行存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)。進(jìn)行創(chuàng)建初始大小數(shù)組，把采樣數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)數(shù)組當(dāng)中。 3數(shù)字信號(hào)處理中MATLAB的應(yīng)用 對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理過(guò)程中，采用MATLAB軟件主要就是獲得多通道采樣數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)字信號(hào)處理，對(duì)各通道的數(shù)字信號(hào)頻率值進(jìn)行獲取。要充分重視多通道采樣數(shù)據(jù)工作，在M文件完成對(duì)USB數(shù)據(jù)讀取以及存儲(chǔ)后，就會(huì)獲得原始數(shù)據(jù)。所獲得的數(shù)據(jù)是交織起來(lái)的，單個(gè)采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是十六位，其中的D7：0是數(shù)據(jù)位，D10：8是地址位，D15：ll是零。這就需要對(duì)各通道信號(hào)信息進(jìn)行獲取，要對(duì)原始數(shù)據(jù)加以分類，結(jié)合單個(gè)采樣數(shù)據(jù)的格式，根據(jù)地址位不同把每個(gè)通道數(shù)據(jù)放入到各自數(shù)組當(dāng)中，對(duì)各通道數(shù)據(jù)后續(xù)數(shù)字的信號(hào)加以處理。 MATLAB軟件應(yīng)用對(duì)數(shù)字信號(hào)的實(shí)際處理過(guò)程中，信號(hào)處理工具就給出多種型號(hào)的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)，設(shè)計(jì)中就可對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行直接調(diào)用。在諸多的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)當(dāng)中的Butterworth型通常是帶有內(nèi)等波紋，阻帶內(nèi)單調(diào)。而對(duì)于橢圓濾波器阻帶以及通帶內(nèi)是等波紋，通帶到阻帶過(guò)度的速度就較為迅速，所給性能指標(biāo)當(dāng)中，橢圓濾波器能以低階數(shù)試下，這樣就能發(fā)揮橢圓濾波器的積極優(yōu)勢(shì)。通過(guò)其進(jìn)行設(shè)計(jì)函數(shù)就能夠得到：N，Wn=ellipord（Wp，Ws，Rp，Rs）；b，a=ellip（n，Rp，Rs，Wn）；b，a=ellip（n，Rp，Rs，Wn，ftype。在這一函數(shù)式當(dāng)中的Wn就是歸一化頻率，而b，a=ellip（n，Rp，Rs，Wn）設(shè)計(jì)截止頻率就是Wn的n階橢圓數(shù)字低通濾波器。對(duì)濾波器設(shè)計(jì)完成之后，就要進(jìn)行輸入相應(yīng)濾波算法，在對(duì)MATLAB軟件的應(yīng)用下，對(duì)信號(hào)處理工具箱所給的濾波函數(shù)算法，就能進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算的方式如下： y=filter（b，a，x）這一計(jì)算式子當(dāng)中y就是濾波后輸出的結(jié)果序列，而x就是輸入信號(hào)序列，以及b、a就是濾波器傳遞函數(shù)分子以及分母系數(shù)向量。在這一濾波過(guò)程在差分方程的表達(dá)方面是：a（l）*Y（n）=b（l）*x（n）+b（2）*x（n-l）+b（nb+l）*x（n-nb）-a（2）*y（n-1）+a（na+1）*y（n-na）。對(duì)于原始數(shù)字的濾波處理前，就要先把模擬頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字頻率，進(jìn)行仿真得到橢圓濾波器需要階數(shù)N是六階。為能夠?qū)V波器應(yīng)用的有效加以驗(yàn)證，就可通過(guò)一疊低頻干擾正弦波采樣信號(hào)模擬隨機(jī)信號(hào)，來(lái)對(duì)濾波器性能實(shí)施仿真測(cè)試。如果是輸入原始信號(hào)是lOKHz低頻信號(hào)和140KHZ高頻疊加，濾波前后輸入輸出信號(hào)幅值低于截止頻率第分量信號(hào)被濾波，智能通過(guò)140KHZ高頻信號(hào)。 MATLAB軟件在復(fù)雜的模型處理當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用能發(fā)揮積極作用。數(shù)字信號(hào)處理通過(guò)系統(tǒng)函數(shù)求解，采用工具箱中的梅森公式加以應(yīng)用，進(jìn)行求取復(fù)雜的函數(shù)，這就能大大提高計(jì)算的效率。MATLAB的軟件應(yīng)用就能大大提高計(jì)算的準(zhǔn)確率。將MATLAB在數(shù)字信號(hào)處理當(dāng)中的應(yīng)用，就要能充分注重保障其處理程序的規(guī)范性，這樣才能保障信號(hào)處理的整體質(zhì)量。MATLAB軟件應(yīng)用中，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理調(diào)用M文件得到USB接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)數(shù)據(jù)，把通道數(shù)據(jù)放入各自數(shù)組當(dāng)中，為減少此次程序干擾信號(hào)，就進(jìn)行設(shè)置閾值電壓判斷機(jī)制，結(jié)合采樣數(shù)據(jù)換算電壓幅值有助后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理工作正常開(kāi)展。 對(duì)于MATLAB軟件的應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，軟件的界面設(shè)計(jì)是通過(guò)幾個(gè)重要部分組成的，其中的控制按鈕控件以及參數(shù)設(shè)計(jì)框等，都要能結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用進(jìn)行完善設(shè)計(jì)，發(fā)揮其積極作用。對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)也要注重方法的科學(xué)掌握，調(diào)用MATLAB信號(hào)處理工具箱函數(shù)，通過(guò)窗函數(shù)法對(duì)濾波器加以確定，從MATLAB中來(lái)產(chǎn)生窗函數(shù)，主要就有矩形窗以及三角窗和漢寧窗等等。例如海寧窗的調(diào)用格式就是w=hanning（n），根據(jù)長(zhǎng)度n產(chǎn)生一個(gè)漢寧窗w。 4結(jié)語(yǔ) 綜上所述，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的效率提高，就要選擇高效的應(yīng)用軟件，MATLAB軟件的應(yīng)用就能發(fā)揮積極作用，其與高級(jí)語(yǔ)言程序相比有著比較突出的優(yōu)勢(shì)，能進(jìn)行快捷方柏霓設(shè)計(jì)嚴(yán)格線性相位系統(tǒng)，能有效節(jié)省編程時(shí)間，大大提高編程的效率。通過(guò)此次對(duì)MATLAB軟件應(yīng)用的情況研究，就能為數(shù)