基于MATLAB的信号处理仿真分析

第 1 页（共 39 页）基于 MATLAB 的信号处理仿真分析中文摘要： Matlab 在信号分析与处理中有着广泛的应用。本文以具体的函数信号产生、信号变换、功率谱估计方法,详述了如何应用 Matlab 语言编程的方法设计对信号进行编辑和仿真分析。利用 MATLAB 软件，通过设计图形用户界面（GUI），说明 Matlab 功能强大、简单实用、 调节容易、可视性好，可大大提高计算效率，缩短编程时间，是一种简便实用的计算工具，可成功地应用于信号处理中，在教学和研究等领域具有广泛的应用前景和一定的推广价值。关键词：Matlab 信号产生 信号变换 功率谱估计 GUI。Abstract: Matlab has a wide range of applications in signal analysis and processing, This article has pointed out its characteristics, interfaces and basic method of calculation, Specific function signal generator, function transform, classical spectral estimation methods, detailed in the application of the Matlab programming language designed for editing of the signal analysis and simulation. Through the design of graphical user interface (GUI) by Using Matlab,we can learn that Matlab is powerful, simple, practical, easy adjustment, visibility, and can greatly improve the computational efficiency and shorten the programming time is a simple and practical tool,can be successfully applied to signal processing, in the teaching and research in areas such as the application of a wide range of prospects and the promotion of a certain value.Key Words: Matlab Signal generation Signal change Power spectrum estimation GUI目 录第 2 页（共 39 页）第一章 绪论 31.1 MATLAB 简介 31.2 MATLAB 的特点和优势 41.3 图形用户界面（GUI） 51.4 设计内容 5第二章 信号产生及其 MATLAB 实现 52.1 离散信号及其 MATLAB 实现 62.2 连续信号及其 MATLAB 实现 92.3 噪声及波形信号的 MATLAB 实现 13第三章 信号变换及其 MATLAB 实现 183.1 Z 变换 183.2 离散傅里叶变换 DFT 203.3 快速傅里叶变换 FFT 21第四章 基于 MALTAB 的功率谱估计 233.1 直接法 233.2 间接法 253.3 改进直接法26第五章 图形用户界面（GUI）的实现275.1 GUI 界面设计概述 275.2 GUI 的具体实现过程295.3 GUI 总界面36第六章 总结37第七章 致 谢 37第 3 页（共 39 页）参考文献 38第一章 绪论1.1 MATLAB 简介MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 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 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语言完相同的事情简捷得多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等软件的优点,使 MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C，FORTRAN，C+ ，JAVA 的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。20 世 纪 70 年 代 ， 美 国 新 墨 西 哥 大 学 计 算 机 科 学 系 主 任 Cleve Moler为 了 减 轻 学 生 编 程 的 负 担 ， 用 FORTRAN 编 写 了 最 早 的 MATLAB。 1984 年 由Little、 Moler、 Steve Bangert 合 作 成 立 了 的 MathWorks 公 司 正 式 把MATLAB 推 向 市 场 。 到 20 世 纪 90 年 代 ， MATLAB 已 成 为 国 际 控 制 界 的 标 准 计算 软 件 。 历经升级，到 2001 年已经有了 6.0 版，现在 MATLAB 6.1、6.5、7.0、7.X 都已相继面世。早期的 MATLAB 在 DOS 环境下运行，1990年推出了 Windows 版本。1993 年，Mathworks 公司又推出了 MATLAB 的微机版本，第 4 页（共 39 页）从分支持在 Microsoft Windows 界面下的编程。随着版本的升级，内容不断扩充，它的功能越来越强大，特别是在系统仿真和实时运行等方面，有很多新进展，更扩大了它的应用前景，是各种科学计算软件中使用频率最高的软件。MATLAB 包 括 拥 有 数 百 个 内 部 函 数 的 主 包 和 三 十 几 种 工 具 包 。 工 具 包 又可 以 分 为 功 能 性 工 具 包 和 学 科 工 具 包 。 功 能 工 具 包 用 来 扩 充 MATLAB 的 符 号计 算 ， 可 视 化 建 模 仿 真 ， 文 字 处 理 及 实 时 控 制 等 功 能 。 学 科 工 具 包 是 专 业 性比 较 强 的 工 具 包 ， 控 制 工 具 包 ， 信 号 处 理 工 具 包 ， 通 信 工 具 包 等 都 属 于 此 类 。开 放 性 使 MATLAB 广 受 用 户 欢 迎 。 除 内 部 函 数 外 ， 所 有 MATLAB 主 包 文件 和 各 种 工 具 包 都 是 可 读 可 修 改 的 文 件 ， 用 户 通 过 对 源 程 序 的 修 改 或 加 入 自己 编 写 程 序 构 造 新 的 专 用 工 具 包 。1993 年 出 现 SIMULINK， 这 是 基 于 框 图 的 仿 真 平 台 ， SIMULINK 挂 接 在MATLAB 环 境 上 ， 以 MATLAB 的 强 大 计 算 功 能 为 基 础 ， 以 直 观 的 模 块 框 图 进 行仿 真 和 计 算 。 SIMULINK 提 供 了 各 种 仿 真 工 具 ， 尤 其 是 它 不 断 扩 展 的 、 内 容丰 富 的 模 块 库 ， 为 系 统 的 仿 真 提 供 了 极 大 便 利 。 在 SIMULINK 平 台 上 ， 拖 拉和 连 接 典 型 模 块 就 可 以 绘 制 仿 真 对 象 的 模 型 框 图 ， 并 对 模 型 进 行 仿 真 。 在SIMULINK 平 台 上 ， 仿 真 模 型 的 可 读 性 很 强 ， 这 就 避 免 了 在 MATLAB 窗 口 使用 MATLAB 命 令 和 函 数 仿 真 时 ， 需 要 熟 悉 记 忆 大 量 M 函 数 的 麻 烦 ， 对 广 大 工程 技 术 人 员 来 说 ， 这 无 疑 是 最 好 的 福 音 。 现 在 的 MATLAB 都 同 时 捆 绑 了SIMULINK， SIMULINK 的 版 本 也 在 不 断 升 级 ， 从 1993 年 的MATLAB4.0/SIMULINK1.0 版 到 2001 年 的 MATLAB6.1/SIMULINK4.1 版 ， 2002 年 即 推 出 了 MATLAB6.5/SIMULINK5.0 版 。 MATLAB 已 经 不 再 是 单 纯 的“矩 阵 实 验 室 ”了 ， 它 已 经 成 为 一 个 高 级 计 算 和 仿 真 平 台 。1.2 MATLAB 的特点和优势特点：（1）此高级语言可用于技术计算 （2）此开发环境可对代码、文件和数据进行管理（3）交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题 （4）数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分（5）二维和三维图形函数可用于可视化数据（6）各种工具可用于构建自定义的图形用户界面第 5 页（共 39 页）（7）各种函数可将基于 MATLAB 的算法与外部应用程序和语言（如 C、C+、Fortran、Java、 COM 以及 Microsoft Excel）集成优势：（1）友好的工作平台和编程环境（ 2） 简 单 易 用 的 程 序 语 言（ 3） 强 大 的 科 学 计 算 机 数 据 处 理 能 力（ 4） 出 色 的 图 形 处 理 功 能（ 5） 应 用 广 泛 的 模 块 集 合 工 具 箱（ 6） 实 用 的 程 序 接 口 和 发 布 平 台（7） 应 用 软 件 开 发 （ 包 括 用 户 界 面 ）1.3 图形用户界面（GUI）MATLAB 提供的图形用户界面开发环境(GUIDE)来完成界面设计。GUIDE 主要是一个界面设计工具集，MATLAB 将所有 GUI 支持的用户控件都集成在这个环境中并提供界面外观、属性和行为响应方式的设置方法。GUI 将用户保存设计好的 GUI 界面保存在一个 FIG 资源文件中，同时自动生成包含 GUI 初始化和组件界面布局控制代码的 M 文件，为实现回调函数提供了一个参考框架。这种提供图形用户界面的应用程序能够使用户的学习和使用更为方便、直观和实用。1.4 设计内容（1）信号产生及其 MATLAB 实现a.离散信号及其 MATLAB 实现 b.连续信号及其 MATLAB 实现c.噪声及波形信号的 MATLAB 实现（2）信号变换及其 MATLAB 实现a.Z 变换b.离散傅里叶变换 DFTc.快速傅里叶变换 FFT（3）功率谱估计a.直接法b.间接法第 6 页（共 39 页）c.改进直接法（4）图形用户界面（GUI）的实现第二章 信号产生及其 MATLAB 实现在 MATLAB 中产生信号，很多可以通过 MATLAB 内部的一些简单函数如zeros、ones 等来实现。同时 MATLAB 可实现信号的基本运算，如移位、相加、相乘等。MATLAB 内部提供了大量的函数用来产生噪声及常用的信号波形。下面对数字信号处理中的常用信号的产生进行阐述。2.1 离散信号及其 MATLAB 实现（1）单位冲激序列编写程序产生 32 点并右移 20 的单位冲激序列。MATLAB 程序如下：N=32;K=20;x=zeros(1,N);x(K)=1;xn=0:N-1;stem(xn,x)axis(-1 33 0 1.1)运行结果：第 7 页（共 39 页）（2）单位阶跃序列编写程序产生 N=32 点的单位阶跃序列。MATLAB 程序如下：x=ones(1,N);xn=0:N-1;stem(xn,x);axis(-1 32 0 1.1);运行结果：（3）斜坡序列编写程序产生斜率为 3 移位为 4 的斜坡序列。MATLAB 程序如下：N=32;第 8 页（共 39 页）k=4;B=3;x=zeros(1,k) ones(1,N-k);for i=1:Nx(i)=B*x(i)*(i-k);endxn=0:N-1;stem(xn,x)axis(-1 32 0 90)运行结果：（4）正弦序列编写程序产生幅度 A=3，频率 f=100，初始相位 fai=1.2 的正弦序列。MATLAB 程序如下：N=32;A=3;f=100;fai=1.2;xn=0:N-1;x=A*sin(2*pi*f*(xn/N)+fai);stem(xn,x)axis(-1 32 -3.2 3.2)第 9 页（共 39 页）运行结果：（5）实指数序列编写程序产生幅度 A=3，a=0.7 的实指数序列。MATLAB 程序如下：N=32;A=3;a=0.7;xn=0:N-1;x=A*a.xn;stem