MATLAB在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用

趙海君

摘要

隨著我國的科學(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，對信號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，對數(shù)字信號處理學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展也有著促進(jìn)作用。通過對MATLAB的應(yīng)用，能提高對數(shù)字信號處理的質(zhì)量和效率，這也是對現(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)勢和數(shù)字信號處理算法理論簡要闡述，然后對基于MATLAB的數(shù)字信號處理平臺架構(gòu)和處理目標(biāo)詳細(xì)分析，最后對數(shù)字信號處理中MATLAB的應(yīng)用進(jìn)行探究。希冀能通過此次理論研究，對數(shù)字信號處理中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 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，對數(shù)字信號處理以及數(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，對多種硬件平臺數(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)勢和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.1MATLAB的應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)

1.1.1高效的編程效率優(yōu)勢

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，對數(shù)據(jù)分析以及可視化和算法的開發(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)勢比較突出，如鏈接庫模塊的封裝，以及通過邏輯表達(dá)式控制有效變量，Communications System Toolbo Sphere解碼器和Constellation框圖系統(tǒng)對象等，MATLAB軟件都支持。從對MATLAB的應(yīng)用情況來看，其自身也有著鮮明的優(yōu)勢，高效編程效率是比較突出的。MATLAB應(yīng)用軟件流程控制語句和C語言相比較比較簡單，在運(yùn)算表達(dá)上也比較靈活，這對初學(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

MATLAB應(yīng)用軟件的優(yōu)勢還體現(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?。這一優(yōu)化的人機(jī)界面和接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，對使用者的學(xué)習(xí)效率提高和快速的掌握就提供了條件。對專門領(lǐng)域也開發(fā)了強(qiáng)大功能的模塊集以及工具箱，應(yīng)用評估就不用自己編寫代碼，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

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)過容錯(cuò)處理以及優(yōu)化處理，就能代替底層編輯語言，常見的有C語言和C++語言等。從簡單函數(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

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，如圖形對話等，這些都能通過MATLAB應(yīng)用軟件加以實(shí)現(xiàn)。另外，對于MATLAB軟件的可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢也表現(xiàn)比較突出，允許用戶開發(fā)某一應(yīng)用領(lǐng)域第三方工具箱等。這些優(yōu)勢的體現(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語言系統(tǒng)

MATLAB系統(tǒng)組成中的語言是比較關(guān)鍵的部分，這是高級的基于矩陣的語言，程序流控制以及函數(shù)等都是其比較有特色的特征，通過這一矩陣或者數(shù)組的語言方式，對迅速建立簡單運(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語言和其他高級編程語言交互的函數(shù)數(shù)據(jù)庫，在動(dòng)態(tài)鏈接庫的應(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)字信號處理算法理論和平臺架構(gòu)

2.1數(shù)字信號處理算法理論簡述

數(shù)字信號的處理過程中，通過對MATLAB軟件的應(yīng)用就能發(fā)揮積極作用，對數(shù)字信號處理的探討，先對算法處理理論基礎(chǔ)進(jìn)行簡要的闡述，以便更好的理解數(shù)字信號處理的價(jià)值。先是對濾波器方案的選擇，濾波是信號處理的基礎(chǔ)，信號當(dāng)中都會(huì)帶有無用的信號，濾波器就能夠把信號當(dāng)中干擾的部分進(jìn)行清理，然后對有價(jià)值的信號加以篩選，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有限長沖擊響應(yīng)濾波器以IIR無限長沖擊響應(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，存儲單元也相對少。

對數(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，對其進(jìn)行改善需要對WNnk周期性以及對稱性加以利用。其算法主要原理就是把單長度為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長度為N1小序列，通過對小N1點(diǎn)的利用，組成大DFT。這樣就能將編號中的n以及k編成如下算法式：endprint

2.1基于MATLAB的數(shù)字信號處理平臺架構(gòu)

數(shù)字信號的處理過程中，對MATLAB軟件的應(yīng)用能大大提高處理效率。MATLAB數(shù)字信號處理平臺的構(gòu)架（如圖1所示）。是對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)字信號處理中不能對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M文件作為主要程序接口，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的讀寫操作，對數(shù)字信號實(shí)時(shí)處理。處理中通過調(diào)用數(shù)字信號處理函數(shù)來對多通道數(shù)據(jù)分別處理，設(shè)置數(shù)字信號處理參數(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C++語言設(shè)計(jì)的，主要的配置如在Linker選項(xiàng)下附加庫目錄中加入MATLAB的＼extern＼lib/win32＼microsoft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)備打開之后對其發(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)備對象，然后調(diào)用VendorlD，ProductID等函數(shù)獲得對象信息，監(jiān)測設(shè)備是不是連接上位機(jī)成功，對open函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，并打開USB設(shè)備，接著對ControlEndPt函數(shù)進(jìn)行調(diào)用創(chuàng)建控制端點(diǎn)對象，設(shè)置其屬性向設(shè)備發(fā)送VenderCMD進(jìn)行存儲采樣數(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)字信號處理中MATLAB的應(yīng)用

對數(shù)字信號的處理過程中，采用MATLAB軟件主要就是獲得多通道采樣數(shù)據(jù)，并對數(shù)字信號處理，對各通道的數(shù)字信號頻率值進(jìn)行獲取。要充分重視多通道采樣數(shù)據(jù)整理工作，在M文件完成對USB數(shù)據(jù)讀取以及存儲后，就會(huì)獲得原始數(shù)據(jù)。所獲得的數(shù)據(jù)是交織起來的，單個(gè)采樣數(shù)據(jù)長度是十六位，其中的D[7：0]是數(shù)據(jù)位，D[10：8]是地址位，D[15：ll]是零。這就需要對各通道信號信息進(jìn)行獲取，要對原始數(shù)據(jù)加以分類整理，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，對各通道數(shù)據(jù)后續(xù)數(shù)字的信號加以處理。

MATLAB軟件應(yīng)用對數(shù)字信號的實(shí)際處理過程中，信號處理工具就給出多種型號的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)，設(shè)計(jì)中就可對這些函數(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)。而對于橢圓濾波器阻帶以及通帶內(nèi)是等波紋，通帶到阻帶過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。通過其進(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MATLAB軟件的應(yīng)用下，對信號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，就可通過一疊低頻干擾正弦波采樣信號模擬隨機(jī)信號，來對濾波器性能實(shí)施仿真測試。如果是輸入原始信號是lOKHz低頻信號和140KHZ高頻疊加，濾波前后輸入輸出信號幅值低于截止頻率第分量信號被濾波，智能通過140KHZ高頻信號。

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)字信號處理通過系統(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，這樣才能保障信號處理的整體質(zhì)量。MATLAB軟件應(yīng)用中，對數(shù)字信號處理調(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，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)字信號處理工作正常開展。

對于MATLAB軟件的應(yīng)用過程當(dāng)中，軟件的界面設(shè)計(jì)是通過幾個(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)編輯框等，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信號處理工具箱函數(shù)，通過窗函數(shù)法對濾波器加以確定，從MATLAB中來產(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)長度n產(chǎn)生一個(gè)漢寧窗w。

4結(jié)語

綜上所述，對數(shù)字信號處理的效率提高，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，其與高級語言程序相比有著比較突出的優(yōu)勢，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。通過此次對MATLAB軟件應(yīng)用的情況研究，就能為數(shù)字信號處理的效率提高提供相應(yīng)參考。

參考文獻(xiàn)

[1]段文斌.對數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展的探討[J].電子測試，2017（06）.

[2]于東亮.數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展與探討[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（13）.

[3]王志強(qiáng).數(shù)字信號處理的發(fā)展[J].電子制作，2015（01）.

[4]陳文靈.數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展及其思考[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（01）.

[5]李影.淺析數(shù)字信號處理的發(fā)展與應(yīng)用[J].科技與企業(yè)，2015（13）.

[6]孫炳.關(guān)于數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展研究[J].信息通信，2015（07）.endprint