【摘要】Matlab信號處理系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為傳統(tǒng)信號處理方式帶來了很大的改變。本文首先介紹了Matlab以及在信號處理方面的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，按照信號處理的流程，從信號產(chǎn)生、處理兩個方面，分析了Matlab在濾波、頻域變換和圖像顯示三個環(huán)節(jié)的實(shí)際應(yīng)用，這不僅有利于通過Matlab進(jìn)行信號處理的系統(tǒng)的改造升級，還實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的簡便可靠。

【關(guān)鍵詞】Matlab;信號處理;濾波

眾所周知，信號作為信息的基本載體，是信息最基本的一種物理表現(xiàn)，信號處理主要指通過采集、變換、估計(jì)和識別等加工方式獲取有用的信息。

隨著信息時代的到來，信號處理的方法變得越來越豐富，已經(jīng)變成了一門單獨(dú)的學(xué)科被廣泛的加以研究。其中，Matlab軟件處理平臺的出現(xiàn)，能夠在信號處理的檢測、變換、濾波、識別等各個過程中發(fā)揮出色的作用，成為一個值得深入研究的新領(lǐng)域。

1.Matlab簡介及其特點(diǎn)

Matlab又名“矩陣實(shí)驗(yàn)室”，它作為一種廣受科學(xué)家和工程技術(shù)人員喜愛的研究工具，憑借其強(qiáng)大的運(yùn)算功能、數(shù)據(jù)可視化以及豐富的專業(yè)箱等優(yōu)勢，已經(jīng)在圖像處理、通訊、建模等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Matlab最早是用于數(shù)學(xué)的一種商業(yè)性軟件，目前已經(jīng)成為一種高層次研究人才所必須掌握的技能，可以方便的利用這種標(biāo)準(zhǔn)性軟件來解決各種科學(xué)計(jì)算問題。Matlab軟件平臺的兩大組件為Matlab和Simulink，每個組件都有各自的功能和特點(diǎn)，總體來說，Matlab軟件用于數(shù)字信號的處理具有靈活性程度高、精度和穩(wěn)定性較好、便于開發(fā)和升級、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，在解決相同問題時候，Matlab的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過用其它編程語言所編制的計(jì)算機(jī)程序。

2.Matlab的信號處理系統(tǒng)分析

Matlab信號處理的工具箱提供了豐富而簡單的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)IIR和FIR濾波器，使原本程序設(shè)計(jì)簡化成函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。 Matlab的信號處理系統(tǒng)，通常是按照信號的處理流程為主線進(jìn)行設(shè)計(jì)，信號在進(jìn)入系統(tǒng)之后，先要對對其是否含有噪聲狀況進(jìn)行甄別，如果有噪聲則要進(jìn)行相應(yīng)的濾波后，才能進(jìn)入信號頻譜分析階段，最后則通過仿真步驟進(jìn)行波形顯示。

2.1 信號產(chǎn)生過程中的Matlab分析

信號產(chǎn)生有兩種類方式：第一種是通過Matlab的數(shù)據(jù)采集工具箱，實(shí)現(xiàn)了軟件與采集硬件之間的數(shù)據(jù)通信。由于Matlab具備了實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺，Matlab已經(jīng)能夠與外部的數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行交互，不僅擴(kuò)充了軟件強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算與圖形顯示功能，還能避開在進(jìn)行信息好處理中效率低的缺點(diǎn)。所以，信號通過各種標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)入信號處理系統(tǒng)之后，先將各種數(shù)據(jù)信息封存于系統(tǒng)的開放性存儲空間之內(nèi)，然后調(diào)用一定的命令或函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為矩陣形式，以滿足后續(xù)的信號分析。整個過程中，系統(tǒng)使用者只需依據(jù)圖形用戶界面的提示進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集操作，完成對數(shù)據(jù)采樣的開始、暫停、停止控制，這是信號輸入的一種重要來源;第二種方式為，在信號處理系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)階段，Matlab就能夠提供一些波形產(chǎn)生函數(shù)，比如正弦波、方波、三角波等，可以根據(jù)用戶的需求的波形和參數(shù)，直接產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字信號，比如常見的數(shù)字電子琴就是通過這樣的方式實(shí)現(xiàn)。

2.2 信號處理過程中的Matlab分析

Matlab豐富的可定制模塊庫，如按功能劃分的子庫有Discrete（離散模塊）、Signals&Systems（信號和系統(tǒng)模塊）等，能夠?qū)π盘栠M(jìn)行采集、濾波、輸出進(jìn)行仿真與測試，為信號的處理帶來了極大便利。從Matlab信號處理的組件來看，信號處理被可以又分為信號的濾波、頻譜分析兩個步驟，具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

2.2.1 Matlab的濾波器

數(shù)字濾波器可以利用一定的算法對信號進(jìn)行處理，從而得到一組新的數(shù)字信號。這是信息處理至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，比如在人體心電圖信號處理過程中，必須要通過低通濾波排除相應(yīng)的干擾之后，才能獲得判斷心臟有用的信息。

鑒于此，Matlab工具箱提供濾波器設(shè)計(jì)的每一步驟的函數(shù)，包含原型函數(shù)、轉(zhuǎn)變函數(shù)和直接涉及函數(shù)等，Matlab信號處理工具箱的一個重要功能為，通過濾波器來消除輸入信號中的無用信號和噪聲干擾，也可以實(shí)現(xiàn)模擬濾波器到數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)變。比如以帶通濾波器的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析，在Matlab系統(tǒng)中，帶通濾波器的仿真設(shè)計(jì)思路如下：

（1）利用cheblord函數(shù)來確定濾波器的階數(shù)和截至頻率;

（2）通過[num den]=cheby1（N Wn）和[num den]=cheby2（N Wn）來完成濾波器的設(shè)計(jì);

（3）調(diào)用impinvar函數(shù)實(shí)現(xiàn)脈沖序列不變的模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變過程。

2.2.2 Matlab的頻域變換

因?yàn)镸atlab具備將一個信號變換到頻域，這也是進(jìn)行Matlab仿真信號處理的一個重要環(huán)節(jié)，通過快速傅氏變換為信號處理的頻譜分析提供了一種算法，可以計(jì)算各個采樣點(diǎn)的幅度值、相位、頻率等，在傅里葉變化中如果頻譜的動態(tài)范圍較廣，則需要進(jìn)一步進(jìn)行對數(shù)變換，以獲取可視化頻譜圖，這可以為下一步的波形顯示提供數(shù)值依據(jù)，具有精確、快速、實(shí)時處理等多種優(yōu)點(diǎn)。其中，采樣頻率對波形的影響最顯著，通過定義好采樣間隔的時和采樣頻率來控制波形，能夠使得到的圖形更加光滑，以防止因?yàn)殚g隔過大而出現(xiàn)的明顯的波動，尤其是在斜率較大的地方，將會影響后續(xù)信號的分析。

2.2.3 Matlab的圖像顯示

對于信號處理來說，Matlab中的 Simulink組件能實(shí)現(xiàn)信號處理的動態(tài)建模、仿真和綜合分析，在Simulink進(jìn)行仿真計(jì)算之后，點(diǎn)擊示波器按鈕，調(diào)用相關(guān)的繪圖函數(shù)，則會得到經(jīng)過信號處理以后的波形圖像，它能夠很好的還原原始信號的真實(shí)情況，這一環(huán)節(jié)主要是采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方式，這就使得這種環(huán)境運(yùn)行之下的信號處理，不需要編程大量的程序，使用者只需依據(jù)自己的需求輕點(diǎn)鼠標(biāo)，就能呈現(xiàn)出復(fù)雜的信息處理全過程，為信號處理提供了一種快捷、方便、高效的途徑，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于語音識別、圖像處理、雷達(dá)探測等多個領(lǐng)域。

值得注意的是，信號處理是一個復(fù)雜的過程，當(dāng)采樣頻率變化或者系統(tǒng)運(yùn)行不夠穩(wěn)定時，都會給最后的結(jié)果帶來較大的誤差，還需要進(jìn)一步改善Matlab信號處理系統(tǒng)的性能，保證信號處理過程的可靠性、有效性。

3.結(jié)束語

綜上所述，Matlab信號處理系統(tǒng)的出現(xiàn)，既能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)分析儀器的功能，又可以大大減少信號處理的成本，是一個非常優(yōu)秀的信號處理輔助工具。盡管如此，Matlab信號處理系統(tǒng)依舊具有一定的缺陷，比如還需要一定的編程來完成相應(yīng)信號的處理過程，對使用者的專業(yè)素質(zhì)也要求較高等，這就需要在日后，加大對Matlab信號處理系統(tǒng)的研究工作，在提高本軟件的適用性的同時，也要拓展系統(tǒng)的通用性，使得它能夠更好的為科學(xué)研究和工程建設(shè)服務(wù)。

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作者簡介：于洋（1992—），男，山東棗莊人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于山東科技大學(xué)，研究方向：數(shù)字信號處理。