信號處理工具箱(1)課件

第八章信號處理工具箱一、工具箱簡介功能型工具箱——通用型功能型工具箱主要用來擴充matlab的數(shù)值計算、符號運算功能、圖形建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實時交互功能，能夠用于多種學科。領域型工具箱——專用型領域型工具箱是學科專用工具箱，其專業(yè)性很強，比如控制系統(tǒng)工具箱（ControlSystemToolbox）；信號處理工具箱（SignalProcessingToolbox）；財政金融工具箱（FinancialToolbox）等等。只適用于本專業(yè)。優(yōu)化工具箱線型規(guī)劃和二次規(guī)劃求函數(shù)的最大值和最小值多目標優(yōu)化約束條件下的優(yōu)化非線型方程求解信號處理工具箱數(shù)字和模擬濾波器設計、應用及仿真譜分析和估計FFT、DCT等變換參數(shù)化模型學科前沿最新的工具箱模糊控制邏輯工具箱友好的交互設計界面，自適應神經-模糊學習、聚類以及Sugeno推理神經網絡工具箱神經網絡系統(tǒng)具有集體運算的能力和自適應的學習能力。具有很強的容錯性和魯棒性，善于聯(lián)想、綜合和推廣。Matlab常用工具箱MatlabMainToolbox——matlab主工具箱ControlSystemToolbox——控制系統(tǒng)工具箱CommunicationToolbox——通訊工具箱FinancialToolbox——財政金融工具箱SystemIdentificationToolbox——系統(tǒng)辨識工具箱FuzzyLogicToolbox——模糊邏輯工具箱Higher-OrderSpectralAnalysisToolbox——高階譜分析工具箱ImageProcessingToolbox——圖象處理工具箱LMIControlToolbox——線性矩陣不等式工具箱ModelpredictiveControlToolbox——模型預測控制工具箱μ-AnalysisandSynthesisToolbox——μ分析工具箱NeuralNetworkToolbox——神經網絡工具箱OptimizationToolbox——優(yōu)化工具箱PartialDifferentialToolbox——偏微分方程工具箱RobustControlToolbox——魯棒控制工具箱SignalProcessingToolbox——信號處理工具箱SplineToolbox——樣條工具箱StatisticsToolbox——統(tǒng)計工具箱SymbolicMathToolbox——符號數(shù)學工具箱SimulinkToolbox——動態(tài)仿真工具箱SystemIdentificationToolbox——系統(tǒng)辨識工具箱WaveleToolbox——小波工具箱每個新出的版本都在增加、更新完善audiovideo——聲頻、視頻支持函數(shù)庫datafun——數(shù)據分析函數(shù)庫datatypes——數(shù)據類型函數(shù)庫demos——matlab演示函數(shù)庫elfun——初等數(shù)學函數(shù)庫elmat——初等矩陣和時間函數(shù)庫funfun——函數(shù)功能和數(shù)學分析函數(shù)庫general——通用命令函數(shù)庫graph2d——二維繪圖graph3d——三維繪圖graphics——句柄繪圖函數(shù)庫iofun——底層輸入輸出函數(shù)庫lang——語言結構函數(shù)庫matfun——矩陣線性代數(shù)函數(shù)庫ops——運算符和邏輯函數(shù)庫polyfun——多項式函數(shù)庫sparfun——稀疏矩陣函數(shù)庫strfun——字符串函數(shù)庫uitools——圖形界面函數(shù)庫1、各函數(shù)庫或工具箱中的函數(shù)可用help工具箱（函數(shù)庫）名查詢 helpoptim2、具體函數(shù)的內容可以用type函數(shù)名方法查看 typelaplace3、函數(shù)文件定位使用which whichlaplace二、信號處理工具箱（一）波形產生1.sin正弦波格式:x=sin(t)例：t=0:0.001:1;y=sin(2*pi*t);plot(t,y) z=sin(2*pi*10*t);plot(t,z)設信號的采樣頻率為F，信號的自變量通常取為t=0:1/F:n，n表示信號的時間長度為n秒。則sin(2*pi*t)即為頻率為1的正弦波，sin(2*pi*f*t)即為頻率為f的正弦波產生一個幅度為2，頻率為4Hz,相位為的正弦信號

A=2;f=4;phi=pi/6;w0=2*pi*f;t=0:0.01:1;x=A*sin(w0*t+phi);plot(t,x);6/psinc(x)N=1000;t=-10:20/N:10;x=sinc(t/pi);plot(t,x);gridon5.隨機信號：

rand產生均勻分布的白噪聲，randn產生高斯分布的白噪聲t=0:0.01:1;y=randn(1,length(t));plot(t,y);gridon;6.單位脈沖序列和單位階躍序列u(n-3)

n=-2:30;x=[zeros(1,5),1,zeros(1,27)];y=[zeros(1,5),ones(1,28)];subplot(2,1,1);stem(n,x,'fill');gridon;subplot(2,1,2)stem(n,y,'fill');gridon;（二）信號的基本運算1信號的相加與相乘

y(n)=x1(n)+x2(n)y(n)=x1(n)×x2(n)MATLAB實現(xiàn)：y=x1+x2;y=x1.*x22序列移位與周期延拓運算序列移位：y(n)=x(n-m)。

MATLAB實現(xiàn)：y=x;ny=nx-m序列周期延拓：y(n)=x((n))M， MATLAB實現(xiàn)：ny=nxs:nxf；y=x(mod(ny,M)+1)3序列翻褶與序列累加運算序列翻褶：y(n)=x(-n)。MATLAB可實現(xiàn):y=fliplr(x)序列累加的數(shù)學描述為：

MATLAB實現(xiàn)：y=cumsum(x)尺度變換、翻轉、時移、相加、相乘

t=-3:0.001:3;ft1=tripuls(2*t,4,0.5);subplot(2,1,1)plot(t,ft1)title('f(2t)')ft2=tripuls((2-2*t),4,0.5);subplot(2,1,2)plot(t,ft2)title('f(2-2t)')5兩序列的卷積運算兩序列卷積運算：

MATLAB實現(xiàn)：y=conv(x1,x2)。 序列x1(n)和x2(n)必須長度有限。

6兩序列的相關運算兩序列相關運算：

。MATLAB實現(xiàn)：y=xcorr(x1,x2)。7.信號能量數(shù)學定義：MATLAB實現(xiàn):E=sum(x.*conj(x)); 或:E=sum(abs(x).^2);數(shù)學定義：8.信號功率MATLAB實現(xiàn):P=sum(x.*conj(x))/N; 或:P=sum(abs(x).^2)/N;（三）傅里葉(Fourier)變換1連續(xù)時間、連續(xù)頻率－傅里葉變換2連續(xù)時間、離散頻率－傅里葉級數(shù)正變換：

逆變換：

正變換：

逆變換：

3時間離散、連續(xù)頻率－序列傅里葉變換4離散時間、離散頻率－離散傅里葉級數(shù)5離散時間、離散頻率－離散傅里葉變換(DFT)正變換：

逆變換：

正變換：

逆變換：

正變換：

逆變換：

1．一維快速正傅里葉變換函數(shù)fft格式：X=fft(x,N)功能：采用FFT算法計算序列向量x的N點DFT變換; 當N缺省時，fft函數(shù)自動按x的長度計算DFT; 當N為2整數(shù)次冪時，fft按基-2算法計算, 否則用混合算法。2．一維快速逆傅里葉變換函數(shù)ifft格式：x=ifft(X,N)功能：采用FFT算法計算序列向量X的N點IDFT變換。,N=512;F=1000;n=1;t=0:1/F:n;x=sin(2*pi*50*t)+sin(2*pi*120*t);y=x+1.5*randn(1,length(t));Y=fft(y,N);P=Y.*conj(Y)/N;%計算功率譜密度f=F*(0:N/2-1)/N;plot(f,P(1:N/2))（四）統(tǒng)計信號處理1．cov協(xié)方差矩陣格式:c=cov(x)當x為矢量時，cov(x)可求出矢量x的方差(標量)當x為矩陣時，cov(x)可得到協(xié)方差矩陣而diag(conv(x))則為由每列數(shù)據的方差所構成的矢量2．xcov互協(xié)方差(自協(xié)方差)函數(shù)估計格式:v=xcov(x,y)v=xcov(x)3．xcorr互相關(自相關)函數(shù)估計格式:v=xcorr(x,y)v=xcorr(x)（五）濾波IIR濾波器結構：M階IIR濾波器：差分方程表達式：FIR濾波器結構：M階FIR濾波器：差分方程表達式：1．filter利用遞歸濾波器(IIR)或非遞歸濾波器(FIR)對數(shù)據進行數(shù)字濾波格式:y=filter(b,a,x)b,a為濾波器系數(shù)，x為待濾波的數(shù)據

2．fftfilt利用基于FFT的重疊相加法對數(shù)據進行濾波，只適用于非遞歸濾波器(FIR)格式:y=fftfilt(b,x)3．freqz數(shù)字濾波器的頻率響應格式: [h,w]=freqz(b,a) freqz(b,a,n) freqz(b,a,w)4．freqs模擬濾波器的頻率響應格式: [h,w]=freqs(b,a) freqs(b,a,n) freqs(b,a,w)（六）IIR濾波器設計1．besself貝塞爾模擬濾波器設計[b,a]=besself(n,Wn) n階截止頻率Wn的低通模擬濾波器[b,a]=besself(n,[W1W2])W1<W2 2n階帶通模擬濾波器[b,a]=besself(n,Wn,’high’) n階截止頻率Wn的高通模擬濾波器[b,a]=besself(n,[W1W2],’stop’)W1<W2 2n階帶阻模擬濾波器2．butter比特沃思模擬和數(shù)字濾波器設計[b,a]=butter(n,Wn)0<=Wn<=1 n階截止頻率Wn的低通數(shù)字濾波器[b,a]=butter(n,[W1W2])W1<W2 2n階帶通數(shù)字濾波器[b,a]=butter(n,Wn,’high’)Wn=1相當于fs/2 n階截止頻率Wn的高通數(shù)字濾波器[b,a]=butter(n,[W1W2],’stop’)W1<W2 2n階帶阻數(shù)字濾波器[b,a]=butter(n,Wn,’high’,’s’) n階截止頻率Wn的高通模擬濾波器例：t=0:0.001:1;x=sin(t*2*pi*200)+sin(t*2*pi);[b,a]=butter(10,0.2);figure(1);freqz(b,a)y=filter(b,a,x);figure(2)subplot(2,1,1);plot(x)subplot(2,1,2);plot(y)3．yulewalk遞歸數(shù)字濾波器設計格式:[b,a]=yulewalk(n,f,m) f為頻率點，m為相應的響應幅度例：f=[00.60.650.71]; m=[110.500];[b,a]=yulewalk(8,f,m);[h,w]=freqz(b,a,128);plot(f,m,w/pi,abs(h),'--')（七）FIR濾波器設計1．fir1基于窗函數(shù)的FIR濾波器設計——標準頻率響應b=fir1(n,Wn)0<=Wn<=1,Wn=1相當于fs/2 n階截止頻率Wn的加漢明Hamming窗線形相位低通FIR濾波器b=fir1(n,[W1W2],’stop’)W1<W2 2n階帶阻模擬濾波器b=fir1(n,Wn,Window)Window長度為n+1 采用向量Window中指定的窗函數(shù)進行設計的濾波器窗函數(shù)1．矩形窗 w=boxcar(n)2．三角窗 w=triang(n)3．巴特利特窗 w=bartlett(n)4．漢明窗 w=hamming(n)5．漢寧窗 w=hanning(n)6．布萊克曼窗 w=blackman(n)7．切比雪夫窗 w=chebwin(n,r)8．凱澤窗 w=kaiser(n,beta)例：W=chebwin(35,30);b=fir1(34,0.48,'high',W);freqz(b,1,512);2．fir2基于窗函數(shù)的FIR濾波器設計——任意標準頻率響應b=fir2(n,f,m)b=fir2(n,f,m,Window)其中： f為頻率點， m為相應的響應幅度， Wi