基于matlab數(shù)字信號處理和仿真設(shè)計

1、 PAGE15 / NUMPAGES18 題 目：數(shù)字信號的濾波處理與軟件仿真學(xué)生：學(xué) 院： 機械學(xué)院系 別： 測控系專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器班 級： 指導(dǎo)教師： 二一二年 月 日摘要 數(shù)字信號(digital signal)：時間和幅度上都是離散(量化)的信號。數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉與許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理主要是研究有關(guān)數(shù)字濾波技術(shù)、離散變換快速算法和頻譜分析方法，是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技

2、術(shù)，是研究用數(shù)字方法對信號進行分析、變換、濾波、檢測、調(diào)制、解調(diào)以與快速算法的一門技術(shù)學(xué)科。數(shù)字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量或濾波。關(guān)鍵詞：數(shù)字信號 ,處理 ,濾波目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc20611 第一章 緒論 PAGEREF _Toc20611 1 HYPERLINK l _Toc4126 1.1數(shù)字信號處理的研究背景與意義 PAGEREF _Toc4126 1 HYPERLINK l _Toc7064 第二章 數(shù)字濾波處理的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc7064 2 HYPERLINK l _Toc15615 2.

3、1語音處理 PAGEREF _Toc15615 2 HYPERLINK l _Toc25914 2.2圖像處理 PAGEREF _Toc25914 2 HYPERLINK l _Toc32615 2.3通信 PAGEREF _Toc32615 2 HYPERLINK l _Toc4020 2.4電視 PAGEREF _Toc4020 3 HYPERLINK l _Toc15363 2.5雷達 PAGEREF _Toc15363 3 HYPERLINK l _Toc29278 2.6生物醫(yī)學(xué)信號處理 PAGEREF _Toc29278 3 HYPERLINK l _Toc25767 第三章 數(shù)字

4、濾波算法 PAGEREF _Toc25767 4 HYPERLINK l _Toc14389 3.1限幅濾波法 PAGEREF _Toc14389 4 HYPERLINK l _Toc16129 3.2中值濾波法 PAGEREF _Toc16129 4 HYPERLINK l _Toc25639 3.3 算術(shù)平均濾波法 PAGEREF _Toc25639 4 HYPERLINK l _Toc20033 3.4 遞推平均濾波法 PAGEREF _Toc20033 5 HYPERLINK l _Toc12479 3.5 中位值平均濾波法 PAGEREF _Toc12479 5 HYPERLINK

5、l _Toc24215 3.6限幅平均濾波法 PAGEREF _Toc24215 6 HYPERLINK l _Toc28170 3.7 一階滯后濾波法 PAGEREF _Toc28170 6 HYPERLINK l _Toc27117 3.8 加權(quán)遞推平均濾波法 PAGEREF _Toc27117 7 HYPERLINK l _Toc22523 3.9消抖濾波法 PAGEREF _Toc22523 7 HYPERLINK l _Toc1882 3.10 限幅消抖濾波法 PAGEREF _Toc1882 8 HYPERLINK l _Toc28822 第四章 MATLAB軟件介紹 PAGERE

6、F _Toc28822 9 HYPERLINK l _Toc25356 第五章 基于MATLAB的數(shù)字信號濾波仿真 PAGEREF _Toc25356 10 HYPERLINK l _Toc1179 5.1中值濾波與均值濾波程序代碼 PAGEREF _Toc1179 10 HYPERLINK l _Toc27338 5.2中值濾波與均值濾波仿真圖形 PAGEREF _Toc27338 11 HYPERLINK l _Toc30364 5.3中值濾波與均值濾波分析 PAGEREF _Toc30364 11 HYPERLINK l _Toc31545 第六章 總結(jié) PAGEREF _Toc3154

7、5 13 HYPERLINK l _Toc2968 參考文獻 PAGEREF _Toc2968 14第一章 緒論1.1數(shù)字信號處理的研究背景與意義當(dāng)今，數(shù)字信號處理（DSP：Digtal Signal Processing）技術(shù)正飛速發(fā)展，它不但自成一門學(xué)科，更是以不同形式影響和滲透到其他學(xué)科；它與國民經(jīng)濟息息相關(guān)，與國防建設(shè)緊密相連；它影響或改變著我們的生產(chǎn)、生活方式，因此受到人們的普遍關(guān)注。 數(shù)字化智能化和網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)代信息技術(shù)發(fā)展的大趨勢，而數(shù)字化是智能化和網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，實際生活中遇到的信號多種多樣，例如廣播信號、電視信號、雷達信號、通信信號、導(dǎo)航信號、射電天文信號、控制信號、氣象信號、遙

8、感遙測信號等等。上述信號大部分是模擬信號，也有小部分數(shù)字信號。模擬信號是自變量的連續(xù)函數(shù)，自變量可以是一維的，也可以是二維或多維的。大多數(shù)情況下一維模擬信號的自變量是時間，經(jīng)過時間上的離散化（采樣）和幅度上的離散化（量化），這類模擬信號便成為一維數(shù)字信號。因此，數(shù)字信號實際上是用數(shù)字序列表示的信號，語音信號經(jīng)采樣和量化，得到的數(shù)字信號是一個一維離散的時間序列；而圖像信號經(jīng)采樣和量化后，得到的數(shù)字信號是一個二維離散空間序列。數(shù)字信號處理，就是用數(shù)值計算的方法對數(shù)字序列進行各種處理，把信號變換成符合需要的某種形式。例如，對數(shù)字信號經(jīng)過濾波以限制他的頻帶或濾除噪音和干擾，或?qū)⑺麄兣c其他信號進行分離；

9、對信號進行頻譜分析或功率譜分析以了解信號的頻譜組成，進而對信號識別；對信號進行某種變換，使之更適合傳輸、存儲和應(yīng)用；對信號進行編碼以達到數(shù)據(jù)壓縮的目的等等。第二章 數(shù)字濾波處理的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢在信號處理過程中，所處理的信號往往混有噪聲，從接收到的信號中消除或減弱噪音是信號處理和傳輸中十分重要的問題。根據(jù)有用信號和噪音的不同特性，提取有用信號的過程稱為濾波，實現(xiàn)濾波的系統(tǒng)稱為濾波器。在近代電信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器的應(yīng)用極為廣泛，這里只列舉部分應(yīng)用最成功的領(lǐng)域。2.1語音處理語音處理是最早應(yīng)用數(shù)字濾波器的領(lǐng)域之一，也是最早推動數(shù)字信號處理理論發(fā)展的領(lǐng)域之一。該領(lǐng)域主要包括5個方面的

10、容：第一，語音信號分析。即對語音信號的波形特征、統(tǒng)計特征、模型參數(shù)等進行分析計算；第二，語音合成。即利用專用數(shù)字硬件或在通用計算機上運行軟件來產(chǎn)生語音；第三，語音識別。即用專用硬件或計算機識別人講的話，或者識別說話的人；第四，語音增強。即從噪音或干擾中提取被掩蓋的語音信號。第五，語音編碼。主要用于語音數(shù)據(jù)壓縮，目前已經(jīng)建立了一系列語音編碼的國際標準，大量用于通信和語音處理。近年來，這5個方面都取得可不少的研究成果，并且，在市場上已出現(xiàn)了一些相關(guān)的軟件和硬件產(chǎn)品。例如，盲人閱讀器、啞人語音合成器、口授打印機、語音應(yīng)答機，各種會說話的儀器和玩具，以與通信和視聽產(chǎn)品大量使用的音頻編碼技術(shù)。2.2圖像

11、處理數(shù)字濾波技術(shù)以成功地應(yīng)用于靜態(tài)圖像和活動圖像的恢復(fù)和增強、數(shù)據(jù)壓縮、去噪音和干擾、圖像識別以與層析X射線攝影，還成功地應(yīng)用于雷達、聲納、超聲波和紅外信號的可見圖像成像。2.3通信在通信技術(shù)領(lǐng)域，幾乎沒有一個分支不受到數(shù)字濾波技術(shù)的影響。信源編碼、信道編碼、調(diào)制、多路復(fù)用、數(shù)據(jù)壓縮以與自適應(yīng)信道均衡等，都廣泛應(yīng)用數(shù)字濾波器，特別是在數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)通信、圖像通信、多媒體通信等應(yīng)用中，離開了數(shù)字濾波器，幾乎寸步難行。其中，被認為是通信技術(shù)未來發(fā)展方向的軟件無線電技術(shù)，更是以數(shù)字濾波器為基礎(chǔ)。2.4電視數(shù)字電視取代模擬電視已是必然趨勢。高清晰度電視的普與指日可待，與之配套的視頻光盤技術(shù)已經(jīng)形成具有

12、巨大市場的產(chǎn)業(yè)；可視和會議電視產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代。視頻壓縮和音頻壓縮技術(shù)所取得的成就和標準化工作，促成了電視領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，而數(shù)字濾波器與其相關(guān)技術(shù)是視頻壓縮和音頻壓縮技術(shù)的重要基礎(chǔ)。2.5雷達雷達信號占有的頻帶非常寬，數(shù)據(jù)傳輸速率也非常高，因而壓縮數(shù)據(jù)量好降低數(shù)據(jù)傳輸速率是雷達信號數(shù)字處理面臨的首要問題。高速數(shù)字器件的出現(xiàn)促進了雷達信號處理技術(shù)的進步。在現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中，數(shù)字信號處理部分是不可或缺的，因為從信號的產(chǎn)生、濾波、加工到目標參數(shù)的估計和目標成像顯示都離不開數(shù)字濾波器技術(shù)。雷達信號的數(shù)字濾波器是當(dāng)今十分活躍的研究領(lǐng)域之一。2.6生物醫(yī)學(xué)信號處理數(shù)字濾波器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛，如對腦

13、電圖和心電圖的分析、層析X射線攝影的計算機輔助分析、胎兒心音的自適應(yīng)檢測等第三章 數(shù)字濾波算法3.1限幅濾波法 A、方法： 根據(jù)經(jīng)驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設(shè)為x）， 每次檢測到新值時判斷: 如果本次值與上次值之差x,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值。 B、優(yōu)點： 能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。 C、 缺點 無法抑制那種周期性的干擾； 平滑度差。 3.2中值濾波法A、方法： 連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)）； 把N次采樣值按大小排列； 取中間值為本次有效值； B、優(yōu)點： 能有效克服因偶然因素引起的波動干擾， 對溫度、液位的變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。 C、缺點：

14、對流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜。3.3 算術(shù)平均濾波法A、方法： 連續(xù)取N個采樣值進行算術(shù)平均運算： N值較大時：信號平滑度較高，但靈敏度較低； N值較小時：信號平滑度較低，但靈敏度較高； N值的選?。阂话懔髁?，N=12；壓力：N=4。 B、優(yōu)點： 適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波， 這樣信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值圍附近上下波動。 C、缺點： 對于測量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計算速度較快的實時控制不適用； 比較浪費RAM 。 3.4 遞推平均濾波法A、方法： 把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列， 隊列的長度固定為N， 每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾,并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù).(先進先

15、出原則) 把隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算,就可獲得新的濾波結(jié)果。 N值的選?。毫髁浚琋=12；壓力：N=4；液面，N=412；溫度，N=14 B、優(yōu)點： 對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高； 適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。 C、缺點： 靈敏度低； 對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差； 不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差； 不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合； 比較浪費RAM 。3.5 中位值平均濾波法A、方法： 相當(dāng)于“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”。 連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，去掉一個最大值和一個最小值； 然后計算N-2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值； N值的選?。?14。 B、優(yōu)點： 融合了兩種濾波法的

16、優(yōu)點； 對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。 C、缺點： 測量速度較慢，和算術(shù)平均濾波法一樣； 比較浪費RAM。3.6限幅平均濾波法 A、方法： 相當(dāng)于“限幅濾波法”+“遞推平均濾波法”。 每次采樣到的新數(shù)據(jù)先進行限幅處理； 再送入隊列進行遞推平均濾波處理。 B、優(yōu)點： 融合了兩種濾波法的優(yōu)點， 對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。 C、缺點： 比較浪費RAM。3.7 一階滯后濾波法 A、方法： 取a=01； 本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果； B、優(yōu)點： 對周期性干擾具有良好的抑制作用； 適用于波動頻率較高的場合。 C

17、、缺點： 相位滯后，靈敏度低； 滯后程度取決于a值大??； 不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號。3.8 加權(quán)遞推平均濾波法 A、方法： 是對遞推平均濾波法的改進，即不同時刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)。 通常是，越接近現(xiàn)時刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取得越大。 給新采樣值的權(quán)系數(shù)越大，則靈敏度越高，但信號平滑度越低。 B、優(yōu)點： 適用于有較大純滯后時間常數(shù)的對象； 和采樣周期較短的系統(tǒng)； C、缺點： 對于純滯后時間常數(shù)較小，采樣周期較長，變化緩慢的信號； 不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴重程度，濾波效果差 ；3.9消抖濾波法A、方法： 設(shè)置一個濾波計數(shù)器； 將每次采樣值與當(dāng)前有效值比較： 如果采樣值當(dāng)前有效值

18、，則計數(shù)器清零； 如果采樣值當(dāng)前有效值，則計數(shù)器+1，并判斷計數(shù)器是否=上限N(溢出)； 如果計數(shù)器溢出,則將本次值替換當(dāng)前有效值,并清計數(shù)器； B、優(yōu)點： 對于變化緩慢的被測參數(shù)有較好的濾波效果； 可避免在臨界值附近控制器的反復(fù)開/關(guān)跳動或顯示器上數(shù)值抖動。 C、缺點： 對于快速變化的參數(shù)不宜； 如果在計數(shù)器溢出的那一次采樣到的值恰好是干擾值,則會將干擾值當(dāng)作有效值導(dǎo)入系統(tǒng)。3.10 限幅消抖濾波法 A、方法： 相當(dāng)于“限幅濾波法”+“消抖濾波法” 先限幅,后消抖。 B、優(yōu)點： 繼承了“限幅”和“消抖”的優(yōu)點； 改進了“消抖濾波法”中的某些缺陷,避免將干擾值導(dǎo)入系統(tǒng)； C、缺點： 對于快速變

19、化的參數(shù)不宜 。 第四章 MATLAB軟件介紹MATLAB是由美國的MathWorks公司推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件,它是由Matrix(矩陣)和Laboratory(實驗室)的前三個之母組成。MATLAB系統(tǒng)由MATLAB開發(fā)環(huán)境,MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫，MATLAB語言，MATLAB圖形處理系統(tǒng)和MATLAB應(yīng)用程序接口五大部分組成。它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體,構(gòu)成了一個方便友好的用戶環(huán)境界面。在MATLAB部配備了涉與到自動控制、信號處理和計算機仿真等種類繁多的工具箱,所以MATLAB的應(yīng)用非常廣泛,它可涉足于數(shù)值分析、控制、信號分析和通信等多種領(lǐng)域。M

20、ATLAB不僅可完成基本代數(shù)運算操作,而且還可完成矩陣函數(shù)運算,提供豐富的實用函數(shù)命令。另外, MATLAB最重要的特點就是易于擴展,允許用戶自行構(gòu)建指定功能的M文件,從而構(gòu)成適合其他領(lǐng)域的工具箱,這大大擴展了MATLAB的適用圍。當(dāng)前流行的MATLAB70Simulink30包括擁有數(shù)百個部函數(shù)的主包和三十幾種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來擴充MATLAB的符號計算，可視化建模仿真，文字處理與實時控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強的工具包，控制工具包，信號處理工具包，通信工具包等都屬于此類。MATLAB具有許多的優(yōu)點比如：語言簡潔緊湊，使

21、用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富；MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句(如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句)，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?；程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計算機和操作系統(tǒng)上運行等等優(yōu)點。因此在各個學(xué)科和領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。第五章 基于MATLAB的數(shù)字信號濾波仿真5.1中值濾波與均值濾波程序代碼t=0:40;x=2*sin(0.45*t); %原始信號snr=3; %信噪比為3y=awgn(x,snr,measured); %加高斯噪聲的信號subplot(2,2,1); %圖像定位plot(x); %畫原始信號圖像title(原始信號); %標題

22、axis(1,40,-4,4); %坐標軸限制grid on %圖像加網(wǎng)格線subplot(2,2,2); plot(y);title(有噪信號);axis(1,40,-4,4);grid ony1=medfilt1(y,3); %調(diào)用medfilt1(y,n)函數(shù)subplot(2,2,3);plot(y1);title(中值去噪信號);axis(1,40,-4,4);grid onz=y;for i =3:length(y)-3 %約定取點圍 z(i) =0.2*sum(y(i-2:i+2); %取五點的平均值endsubplot(2,2,4);plot(z);title(均值去噪信號);

23、axis(1,40,-4,4); grid on5.2中值濾波與均值濾波仿真圖形圖5-1 仿真圖形5.3中值濾波與均值濾波分析中值濾波是基于排序統(tǒng)計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術(shù)，中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周圍的像素值接近的真實值，從而消除孤立的噪聲點。均值濾波對一般具有隨機干擾的信號進行濾波這樣信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值圍附近上下波動。從圖像濾波效果上來看，中值濾波跳躍性比較大，能有效克服因偶然因素引起的波動干擾 ，對變化緩慢的信號有良好的濾波效果。均值濾波比較穩(wěn)定，信號平滑性比較好，對一般具有隨機干擾的信號進行濾波，信號的特點是有一個平均值，信號在某一數(shù)值圍附近上下波動。均值濾波對周期性干擾有很好的抑制作用。第六章 總結(jié)通過此次課程設(shè)計，使我初步掌握使用計算機進行數(shù)據(jù)處理的基本方法和能力，了解到數(shù)字濾波是數(shù)字信號分析中最重要的組成