配套课件-matlab在数字信号处理中的应用(第2版)1.ppt

1、1-1第1章 MATLAB R2006a 基础1-2主要内容 本章的学习目标：了解MATLAB语言的背景知识 掌握MATLAB安装的方法过程 掌握MATLAB基本窗口的使用 掌握MATLAB语言的基础知识1-31.1 MATLAB概述概述1.1.1 MATLAB语言简介 MATLAB是在20世纪80年代初期，由美国的MathWorks软件开发公司正式推出的一种数学工具软件。利用MATLAB可以实现科学计算、符号运算、算法研究、数学建模和仿真、数据分析和可视化、科学工程绘图以及图形用户界面设计等强大功能。MATLAB的主要特点有：简单易学。先进的技术界面支持。开放式的体系结构。集成了许多领域专家

2、的智慧。1-41.1 MATLAB概述概述1.1.2 MATLAB的主要功能l 数值运算功能l 数据可视化功能l 动态系统仿真l 数据处理l 数学计算l 数字信号处理l 与外部应用程序(C和Fortran)进行动态链接1-51.1 MATLAB概述概述1.1.3 MATLAB R2006a的特色 l 加强了开发环境的功能增强了数学应用的功能 (Mathematics Features)l 增强了程序和数据结构的功能 (Programming and Data Types Features)l 改进了图形处理功能(Graphics Features)l 增强了透视图的功能 (OpenGL Ren

3、derer Feature Microsoft Windows)l 增强了应用程序接口的功能 (External Interfaces/API Features)l 加强了图形用户界面设计的功能 (Creating Graphical User Interfaces Features)1-61.1 MATLAB概述概述1.1.4 MATLAB R2006a的安装方法和过程 步骤1：安装前准备 步骤2：开始安装 步骤3：输入许可信息 步骤4：浏览软件许可协议 步骤5：选择安装类型 步骤6：定义安装目录和安装的产品 步骤7：定义安装选项 步骤8：确认安装选择 步骤9：阅读产品配置信息 步骤10：完

4、成安装1.1.5 MATLAB R2006a的卸载1-71.2 MATLAB的应用窗口的应用窗口1.2.1 MATLAB桌面平台的菜单栏和工具栏 图1 MATLAB的桌面系统1-81.2 MATLAB的应用窗口的应用窗口MATLAB桌面平台的菜单栏 MATLAB桌面平台的菜单栏比较简单，由File(文件)菜单、Edit(编辑)菜单、Debug菜单、Desktop菜单、Window(窗口)菜单和Help(帮助)菜单组成。图2 MATLAB的桌面平台的菜单栏1-91.2 MATLAB的应用窗口的应用窗口MATLAB桌面平台的工具栏 图3 MATLAB的桌面平台的工具栏1-101.2 MATLAB的

5、应用窗口的应用窗口1.2.2 MATLAB桌面平台的组件窗口 命令窗口(Command Window)M文件编辑/调试器窗口(Editor/Debugger)图形窗口(figure)历史命令窗口(Command History Window)当前路径窗口(Current Directory)工作空间窗口(Workspace)1-111.2 MATLAB的应用窗口的应用窗口1.2.3 MATLAB帮助系统的使1-121.3 MATLAB语言初步语言初步1.3.1 矩阵 矩阵的生成主要有下面四种方法：(1)直接输入矩阵元素法(2)把外部数据调入矩阵法(3)M文件创建矩阵法(4)MATLAB函数法1

6、-131.3 MATLAB语言初步语言初步1.3.2 运算符 MATLAB语言中的运算符包括算术运算符、关系运算符、逻辑运算符和操作符等共4种。1-141.3 MATLAB语言初步语言初步1.3.2 运算符1-151.3 MATLAB语言初步语言初步1.3.2 运算符1-161.3 MATLAB语言步语言步1.3.3 变量 MATLAB的变量命名规则如下：变量名以字母开头；变量名区分大小写；变量名的长度不要超过63个；变量名只能由字母、下划线和数字混合组成。1-171.3 MATLAB语言初步语言初步1.3.3 变量1-181.3 MATLAB语言步语言步1.3.4 函数 在MATLAB语言中

7、，M文件又分为两类：脚本文件和函数文件。脚本是M文件的简单类型，它是若干命令和函数的集合，用于执行特定的功能。它不存在输入/输出参数，脚本非常类似于DOS下的批处理文件。在MATLAB的操作环境下，脚本可以直接访问整个工作空间内的变量，而且由脚本建立的变量在脚本文件执行完毕后仍要保存在工作空间内，直到使用Clear命令为止。1-191.3 MATLAB语言初步语言初步1.3.4 函数 MATLAB语言的工具箱，本身就是一个巨大的函数库。函数是MATLAB语言重要内容，它也是M文件的重要形式，它不但可以接受输入参数，还可以输出参数。但是，函数只能访问本身空间的变量。MATLAB语言的函数文件包含

8、5个部分：l 函数题头l H1行l 帮助信息l 函数体l 注释部分 1-20第2章 图形用户界面 设计基础1-21主要内容 本章的学习目标：理解句柄图形的基本概念 掌握句柄图形属性设置的方法 熟悉GUI工具的基本内容 掌握菜单设计的方法 掌握控件设计的方法 掌握对话框设计的方法1-222.1 句柄图形句柄图形2.1.1 句柄图形对象概述 句柄图形是一种面向对象的图形设计系统的概念，它实际上是对图形底层的总称。该系统提供创建计算机图形所必须的各种软件系统。对句柄图形的操作将会直接影响到构成图形的基本元素，例如点和线等。通过操作图形句柄，可以更加方便地处理MATLAB的图形。1-232.1 句柄图

9、形句柄图形2.1.1 句柄图形对象概述 MATLAB语言中的句柄图形对象如表2-1所示。1-242.1 句柄图形句柄图形2.1.2 图形句柄的获取 用于数据可视化和界面制作的基本绘制图形要素，称为句柄图形对象。MATLAB 2006a 共有9个图形对象，如图2-3所示。1-252.1 句柄图形句柄图形2.1.2 图形句柄的获取 图形窗口的句柄一般为正整数，一般被用来标识图形窗口的序号。要想对图形句柄进行操作，首先需要获得图形的句柄。在MATLAB中获得图形对象句柄的函数如表2-2所示。对这些函数进行直接调用，就会得到相对应的句柄的数值。1-262.1 句柄图形句柄图形2.1.3 图形句柄的操作

10、 在MATLAB语言中，句柄具有丰富的操作，这为广大程序设计者提供了极大的方便。下面为MATLAB语言中用于句柄操作的三个函数。l Findobj函数：用来查找满足特定属性值的图形对象l Copyobjh函数：把一个对象从父对象中复制到另一个父对象中l Delete函数：用来删除句柄对象l Reset函数：用来重新设置句柄对象的属性1-272.1 句柄图形句柄图形2.1.4 句柄对象的属性和设置 在MATLAB中所有的句柄对象都有属性。在创建图形对象的同时，可以根据自己的实际需要，通过设置这些属性可以来定义或者修改所需要的图形。对象属性包括两部分：属性名和对应的数值。句柄对象有两个重要的操作函

11、数：l Get函数：用来获取指定对象的属性值。l Set函数：用来设置对象的属性。1-282.2 GUI设计技术设计技术 2.2.1 图形属性编辑器 从MATLAB 5.3开始，图形窗口中就有了交互操作方式，对图形窗口的坐标轴、线条和文本对象的某些基本属性进行编辑了。要想能够实现函数Get和函数Set的所有功能，对图形对象的所有属性进行编辑，必须使用功能强大的图形属性编辑器。在MATLAB 2006a中，图形属性编辑器已经全部与图形的交互式操作联系起来，更加方便用户操作。其具体应用简单介绍如下。l 编辑坐标轴属性l 编辑线条属性l 编辑文本属性1-292.2 GUI设计技术设计技术 2.2.2

12、 GUI工具介绍 图形用户界面(GUI，Graph User Interface)是由图形对象构成的用户界面。在这里面，最典型的就是GUI向导设计器(GUIDE，MATLAB Graph User Interface Development Environment)，GUIDE能帮助用户方便的设计出来各种符合要求的图形用户界面。图1 GUIDE 空白模板窗口 1-302.2 GUI设计技术设计技术 2.2.2 GUI工具介绍 在图形设计的具体过程中，还需要用到下面这些工具：l 菜单编辑器(Menu Editor)l 对象浏览器(Object Browser)l 属性设计器(Properties

13、 Inspector)l 控件布置编辑器(Alignment Objects)l 网格标尺设置编辑器(Grid and Rulers)l GUIDE属性设置编辑器(GUIDE Options)1-312.3 菜单设计菜单设计 Windows 程序界面的美观、实用和极强的可操作性，是Windows迅速成为操作系统主流的重要原因。一个美好的用户图形界面为程序的运行使用带来了极大的方便，在一个用户图形界面设计中，菜单设计起着举足轻重的作用。用户可以通过下面两种方式来创建自己所需要的菜单。l 利用GUI向导设计菜单l 利用编写程序设计菜单1-322.4 控件设计控件设计 如同上面所介绍的GUI菜单设计

14、一样，GUI控件设计也是一种在图形用户界面设计中非常重要的方式，它给用户的操作和功能实现带来了很多方便。而且，使用控件比使用菜单更直观、更简捷。所以，控件设计对用户也非常有用。用户也可以通过下面两种方式来创建自己所需要的菜单。l 利用GUI向导设计菜单l 利用编写程序设计菜单1-332.5 对话框对话框 在GUI图形用户界面设计中，菜单设计和控件设计是两项非常重要的基础设计内容；除此之外，对话框的设计也是极其重要的。几乎所有的Windows程序都要借助于对话框和用户打交道。对话框是弹出显示的单独专用窗口，用来要求或提供信息。通过使用对话框中的按钮，用户可以通知计算机自己的选择信息，还可以将一些

15、参数传递给计算机，而计算机也可以通过对话框把一些信息反馈给用户。1-342.5 对话框对话框 2.5.1 专用对话框 MATLAB提供了大量的建立专用对话框的函数，非常方便用户的设计，同时也保证了图形设计界面的规范统一。1-352.5 对话框对话框 2.5.2 标准对话框 在用户进行GUI设计中，除了会用到上面所讲述的专用对话框中外，还会用到一些标准对话框。这些对话框都是Windows的内置资源，必须使用相对应的函数进行调用。在MATLAB软件中，同样存在对标准对话框进行调用的函数。通过它们，用户可以非常方便地为自己设计的菜单命令添上标准对话框的回调程序，丰富自己所设计菜单的功能。1-36第3

16、章 数字信号处理基础 1-37主要内容 本章的学习目标：掌握基本波形产生的方法 了解信号的各种运算 理解信号采样率的各种转换 掌握离散时间系统模型的各种表示方法和相互间的转换1-383.1 数字信号处理概述数字信号处理概述 信号是数字信号处理领域中最基本、最重要的一个概念。简单地说，信号就是信息的载体，是信息的物理体现。信号既可分为时间连续、幅度也连续的模拟信号和在时间上和幅度上都经过量化的数字信号，也可划分为连续时间信号和离散时间信号。信号处理，就是以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估计与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的。随着计算机和信息科学的飞速发展，信号处理已经

17、逐渐发展成为一门独立的学科，在语音处理、图像处理、雷达、航空航天、地质勘探、通信、生物医学工程等众多领域得到了广泛的应用。1-393.2 波形的产生波形的产生 波形是数字信号处理的最基础内容。没有波形信号，数字信号处理就没了工作对象。MATLAB 2006a内部提供了大量的函数，用来产生常用的信号波形。产生波形的函数，如表3-1所示。1-403.3 信号的运算信号的运算 在数字信号处理领域，对信号所做的基本运算主要包括：l 信号加l 信号乘l 移位l 采样和l 采样积l 翻转 1-413.3 信号的运算信号的运算1-423.3 信号的运算信号的运算1-433.3 信号的运算信号的运算1-443

18、.3 信号的运算信号的运算1-453.3 信号的运算信号的运算1-463.4 采样率转换采样率转换3.4.1 信号整数倍抽取1-473.4 采样率转换采样率转换3.4.2 信号整数倍插值1-483.4 采样率转换采样率转换3.4.3 任意倍数信号重采样任意倍数信号重采样1-493.5 离散时间系统离散时间系统3.5.1 离散时间系统的概念1-503.5 离散时间系统离散时间系统3.5.1 离散时间系统的概念1-513.5 离散时间系统离散时间系统3.5.1 离散时间系统的概念1-523.5 离散时间系统离散时间系统3.5.1 离散时间系统的概念1-533.5 离散时间系统离散时间系统3.5.2

19、 离散时间系统的模型MATLAB内部，为一个线性离散系统模型提供了6种表达线性离散系统模型的方法，分别可以用在不同需要的场合。l 传递函数法l 零极点增益法l 状态空间法l 部分分式法l 二次分式法l Lattice结构法1-543.5 离散时间系统离散时间系统3.5.2 离散时间系统的模型1-553.5 离散时间系统离散时间系统3.5.2 离散时间系统的模型1-563.5 离散时间系统离散时间系统3.5.2 离散时间系统的模型1-573.5 离散时间系统离散时间系统3.5.2 离散时间系统的模型1-583.5 离散时间系统离散时间系统3.5.2 离散时间系统的模型1-593.5 离散时间系统

20、离散时间系统3.5.2 离散时间系统的模型1-603.5 离散时间系统离散时间系统3.5.3 离散系统模型变换1-61第4章 数字信号变换技术 1-62主要内容 本章的学习目标：理解信号变换的基本概念 理解离散傅立叶变换的基本概念 掌握快速傅立叶变换的应用方法 掌握离散余弦变换的应用方法 掌握Z变换的应用方法 了解Chirp z变换的基本概念 掌握Hilbert变换的初步应用 了解倒谱变换的基本概念1-634.1 信号变换概述信号变换概述 信号是数字信号处理领域中最基本、最重要的概念。而数字信号变换技术，又是对信号进行处理操作的最基本的有效途径之一。简单地说，数字信号变换技术就是为了处理操作上

21、的方便和可能，通过数学变换，将一个域内的信号变换映射到另一个域内的信号的方法。常用的数字信号变换主要有：傅立叶变换、离散余弦变换(DCT)、Z变换、Chirp z变换、Hilbert变换等。1-644.2 离散傅立叶变换离散傅立叶变换 4.2.1 傅立叶变换的几种形式 所谓傅立叶变换就是在以时间为自变量的“信号”与频率为自变量的“频谱”函数之间的某种变换关系。这种变换同样可以应用到其他有关物理或数学的各种问题中，并可以采用其他形式的变量。当自变量“时间”或“频率”取连续形式和离散形式的不同组合，就可以形成各种不同的傅立叶变换对。1-654.2 离散傅立叶变换离散傅立叶变换 4.2.2 离散傅立

22、叶变换(DFT)1-664.2 离散傅立叶变换离散傅立叶变换 4.2.3 DFT的性质l 线性l 圆周移位l 圆周卷积l 共轭对称性l 序列乘积l DFT形式下的帕塞瓦尔定理1-674.3 快速傅立叶变换快速傅立叶变换(FFT)4.3.1 FFT的概念1-684.3 快速傅立叶变换快速傅立叶变换(FFT)4.3.1 FFT的概念1-694.3 快速傅立叶变换快速傅立叶变换(FFT)4.3.1 FFT的概念1-704.3 快速傅立叶变换快速傅立叶变换(FFT)4.3.1 FFT的概念1-714.3 快速傅立叶变换快速傅立叶变换(FFT)4.3.2 FFT的应用函数 MATLAB为数据计算的离散快

23、速傅立叶变换，提供了一系列丰富的数学函数，主要有：l Fft函数l Ifft函数l Fft2函数l Ifft2函数l Fftn函数l Ifftn函数l Fftshift函数l Ifftshift函数l Goertzel函数 1-724.4 离散余弦变换离散余弦变换 4.4.1 DCT的概念1-734.4 离散余弦变换离散余弦变换 4.4.2 DCT的应用函数 MATLAB为数据计算的离散余弦变换，提供了下面的数学函数，主要有：l DCT函数l IDCT函数1-744.5 Z变换变换 4.5.1 Z变换的概念1-754.5 Z变换变换 4.5.2 Z反变换的概念1-764.5 Z变换变换 4.5

24、.3 Z变换的特性l 线性l 序列移位l Z域微分l 序列卷积l 序列乘积l 共轭序列l 与指数序列相乘l 有限项累加特性1-774.6 Chirp z变换变换1-784.7 Hilbert变换变换1-794.8 倒谱变换倒谱变换 倒谱变换是一种在语音处理和图像处理中广泛应用的非线性信号处理技术，它是在1963年被Bogert、Healy和Tukey提出的。它是同态系统理论的基础，专门处理通过卷积组合在一起的信号。倒谱变换技术还可以在地震信号和声纳信号等信号的处理领域中得到了成功的应用。倒谱变换主要有两种分析方法：复倒谱分析和实倒谱分析。复倒谱分析保留了信号的全部信息，能够对信号的回声进行检测

25、；而实倒谱分析则在变换过程中保留了信号的频谱幅度信息，而摒弃了相位信息，所以不能够对信号进行重建，但是可以利用它来进行重建一个最小相位信号。1-804.8 倒谱变换倒谱变换 4.8.1 复倒谱分析1-814.8 倒谱变换倒谱变换 4.8.2 实倒谱分析1-82 第5章 窗 函 数1-83主要内容 本章的学习目标：理解窗函数的基本概念以及加窗原理 掌握基本窗函数产生的方法 掌握广义余弦窗函数产生的各种方法 了解凯塞窗函数和切比雪夫窗函数产生的方法1-845.1 窗函数基本概念窗函数基本概念1-855.1 窗函数基本概念窗函数基本概念1-865.2 基本窗函数基本窗函数 5.2.1 矩形窗函数 1

26、-875.2 基本窗函数基本窗函数 5.2.2 三角窗函数 1-885.2 基本窗函数基本窗函数 5.2.3 巴特利特窗函数 1-895.3 广义余弦窗广义余弦窗 1-905.3 广义余弦窗广义余弦窗 5.3.1 汉宁窗函数1-915.3 广义余弦窗广义余弦窗 5.3.2 海明窗函数1-925.3 广义余弦窗广义余弦窗 5.3.3 布莱克曼窗函数1-935.4 凯塞窗凯塞窗1-945.5 其他窗函数其他窗函数lChebwin函数：生成切比雪夫窗lBarthannwin函数：生成修正的巴特利特汉宁窗lTaylorwin函数：生成泰勒窗1-95第6章 IIR数字滤波器的设计1-96主要内容 本章的

27、学习目标：了解数字滤波器的基本概念 理解IIR数字滤波器的各种类型 掌握IIR数字滤波器特性分析的方法 掌握模拟滤波器的低通设计方法 掌握高通、带通及带阻滤波器的设计方法 掌握IIR数字滤波器阶数的选择 掌握模拟滤波器的离散化1-976.1数字滤波器的基本概念数字滤波器的基本概念 数字滤波器(Digital Filter，简称为DF)是数字信号处理的重要基础，在对信号的过滤、检测与参数估计等处理过程中，它是使用最为广泛的一种线性系统。数字滤波器处理的对象是经由采样器件将模拟信号转换而得到的数字信号。数字滤波器是指完成信号滤波处理功能的、用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统。数字滤波器的输

28、入是一组(由模拟信号取样和量化的)数字量，其输出是经过数字变换的另一组数字量。数字滤波器具有稳定性高、精度高、灵活性大等突出优点。1-986.1数字滤波器的基本概念数字滤波器的基本概念 数字滤波器的数学运算有两种实现方式：一种是频域法，即利用FFT快速运算办法对输入信号进行离散傅立叶变换，分析其频谱，然后根据所希望的频率特性进行滤波，再利用傅立叶反变换恢复出时域信号。这种方法具有较好的频域选择特性和灵活性，并且由于信号频率与所希望的频谱特性是简单的相乘关系，所以它比计算等价的时域卷积要快得多。另一种方法是时域法，这种方法是通过对离散抽样数据作差分数学运算来达到滤波目的的。1-996.1数字滤波

29、器的基本概念数字滤波器的基本概念 数字滤波器的一般设计过程为：(1)按照实际需要，确定滤波器的性能要求；(2)用一个因果、稳定的离散线性时不变系 统，去逼近这一性能指标；(3)用有限精度的运算实现所设计的系统；(4)通过模拟，验证所设计的系统是否符合给 定性能要求。1-1006.1数字滤波器的基本概念数字滤波器的基本概念6.1.1 滤波器的原理1-1016.1数字滤波器的基本概念数字滤波器的基本概念6.1.2 滤波器的分类 滤波器的种类很多，有各种不同的分类方法，既可以从功能上分类，也可以从实现方法上分类。从大的方面来说，滤波器一般分为模拟滤波器和数字滤波器两大类。根据滤波器的功能，又可以将它

30、们分为：l 低通滤波器(LPF)l 高通滤波器(HPF)l 带通滤波器(BPF)l 带阻滤波器(BSF)1-1026.1数字滤波器的基本概念数字滤波器的基本概念6.1.3 数字滤波器的表达方式 1-1036.1数字滤波器的基本概念数字滤波器的基本概念6.1.3 数字滤波器的表达方式 MATLAB的工具箱中提供的用于滤波器数学模型间转换的函数主要有：l 状态方程模型到零极点增益模型的转换函数：Z,P,K=ss2zp(A,B,C,D,iu)；l 零极点增益模型到状态方程模型的转换函数：A,B,C,D=zp2ss(Z,P,K)；l 传递函数模型到零极点增益模型的转换函数：Z,P,K=tf2zp(nu

31、m,den)；l 零极点增益模型到传递函数模型的转换函数：num,den=tf2zp(Z,P,K)；l 状态方程模型到传递函数模型的转换函数：num,den=ss2tf(A,B,C,D,iu)；l 传递函数模型到状态方程模型的转换函数：A,B,C,D=tf2ss(num,den)。1-1046.2 IIR数字滤波器的结构数字滤波器的结构 无限脉冲响应数字滤波器的主要结构型式有：l 直接型l 直接型l 级联型l 并联型 1-1056.3 IIR数字滤波器特性分析数字滤波器特性分析6.3.1 IIR数字滤波器的脉冲响应1-1066.3 IIR数字滤波器特性分析数字滤波器特性分析6.3.2 IIR数

32、字滤波器的频率响应 在MATLAB信号工具箱中专门用来求解滤波器频率响应的函数有：lFreqz函数：求解数字滤波器频率响应lFreqs函数：求解模拟滤波器频率响应lAbs函数：从复频域响应数据中提取幅值信息lAngle函数：从复频域响应数据中提取相位信息lUnwrap函数：相位的“解卷绕”lGrpdelay函数：计算群延迟 6.3.3 零极点分析 运用MATLAB工具箱中的Zplane函数，可以直接在Z平面上绘制系统的零极点图。1-1076.4 模拟低通滤波器的设计模拟低通滤波器的设计6.4.1 巴特沃斯低通滤波器的设计 巴特沃斯滤波器，又被称为“最平”的幅频响应滤波器。这是因为，该滤波器在通

33、带内具有最大平坦的幅度特性，而且随着频率升高呈现出单调减小的特点。在MATLAB信号工具箱中专门用来设计巴特沃斯滤波器的函数是Buttap函数。1-1086.4 模拟低通滤波器的设计模拟低通滤波器的设计6.4.2 切比雪夫低通滤波器的设计 巴特沃斯滤波器的频率特性曲线，在通带和阻带内都是单调的。因此，为了更有效的将精度均匀地分布在整个通带或阻带内，或者同时分布在两者之内的滤波器设计，可以通过选择具有等波纹特性的逼近函数来实现。切比雪夫滤波器的振幅特性就具有这种等波纹特性。它有两种形式：切比雪夫型滤波器，即振幅特性在通带内是等波纹的，在阻带内是单调的；切比雪夫型滤波器，即振幅特性在阻带内是等波纹

34、的，在通带内是单调的。在MATLAB信号工具箱中专门用来设计切比雪夫低通滤波器的函数有：l Cheb1ap函数：设计切比雪夫型滤波器l Cheb2ap函数：设计切比雪夫型滤波器1-1096.4 模拟低通滤波器的设计模拟低通滤波器的设计6.4.3 椭圆低通滤波器的设计 切比雪夫滤波器仅仅是在通带范围内具有良好的等纹特性，在通带以外的频带内的特性仍然是单调的。所以，这种滤波器还不能满足特定情况下的设计要求。于是，又设计出了在通带内和阻带内都具有等波纹振幅特性的滤波器。由于其振幅特性是由雅可比椭圆函数决定的，故称为椭圆滤波器。在MATLAB信号工具箱中专门用来设计椭圆低通滤波器的函数是Ellipap

35、函数。1-1106.5 高通高通、带通及带阻滤波器的设计带通及带阻滤波器的设计 在实际所使用的数字滤波器中除了低通型外，还有高通型、带通型以及带阻型等。模拟高通型、带通型以及带阻型滤波器的设计方法是先将要设计的滤波器的技术特性指标通过频率转换变成模拟低通滤波器的技术指标，再根据这些性能指标设计出低通型滤波器的传递函数，最后依据频率转换关系得到所需要的滤波器的传递函数。1-1116.5 高通高通、带通及带阻滤波器的设计带通及带阻滤波器的设计1-1126.5 高通高通、带通及带阻滤波器的设计带通及带阻滤波器的设计 在MATLAB信号工具箱中专门用来设计高通、带通及带阻滤波器的函数有：l Lp2lp

36、函数：模拟低通滤波器到模拟低通滤波器的转换 l Lp2hp函数：模拟低通滤波器到模拟高通滤波器的转换 l Lp2bp函数：模拟低通滤波器到模拟带通滤波器的转换 l Lp2bs函数：模拟低通滤波器到模拟带阻滤波器的转换 1-1136.6 IIR实数字滤波器的实频率变换实数字滤波器的实频率变换1-1146.7 IIR实数字滤波器的复频率变换实数字滤波器的复频率变换1-1156.8 IIR数字滤波器阶数的选择数字滤波器阶数的选择1-1166.9 模拟滤波器的离散化模拟滤波器的离散化 从模拟滤波器设计IIR数字滤波器就是由系统函数Ha(s)进一步得到H(z)。归根结底是一个由平面到平面的变换，即模拟滤

37、波器的离散化。这个变换要遵循两个基本目标：(1)H(z)的频率响应必须要模仿Ha(s)的频率响应，也就是平面的虚轴应该映射到平面的单位圆上；(2)Ha(s)的因果稳定性，通过映射后仍应在所得到 的H(z)中保持。从模拟滤波器变换成数字滤波器有4种方法：l 微分-差分变换法l 脉冲响应不变变换法l 双线性变换法l 匹配z变换法1-1176.9 模拟滤波器的离散化模拟滤波器的离散化 6.9.1 脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器 脉冲响应不变变换法，又称为标准z变换法，它能保证从模拟滤波器变换所得的数字滤波器的单位取样响应h(n)，就是以T为采样周期对相应的模拟滤波器的单位脉冲响应ha(t)的等间

38、隔采样。脉冲响应不变变换法主要用于设计某些要求在时域上能模仿模拟滤波器功能的数字滤波器。这种变换法的主要特点是：l 频率坐标的变换是线性的；l 具有频谱的周期延拓效应。Impinvar函数：模拟滤波器变换成数字滤波器的脉冲响应不变法1-1186.9 模拟滤波器的离散化模拟滤波器的离散化 6.9.2 双线性变换法设计IIR数字滤波器 脉冲响应不变法使得数字滤波器在时域上能够较好地模仿模拟滤波器，但是出现频谱混叠现象。为克服脉冲响应不变法可能产生的频谱混叠效应，凯塞和戈尔登建议使用一种新的有效的变换，这就是双线性变换。双线性变换法可认为是基于对微分方程的积分，利用对积分的数值逼近得到的。双线性变换

39、法的主要特点是：(1)消除了脉冲响应不变法所固有的频谱混叠现象；(2)缺点是模拟频率和数字频率之间是非线性关系。Bilinear函数：模拟滤波器转换为数字滤波器的双线性变换法1-1196.10 MATLAB函数直接设计函数直接设计IIR数字滤波器数字滤波器 在MATLAB中设计IIR数字滤波器的步骤如下：(1)把给出的数字滤波器的性能指标转换为模拟低通 滤波器的性能指标；(2)根据转换后的性能指标，通过滤波器阶数选择函 数，确定滤波器的最小阶数N和固有频率Wn；(3)由最小阶数N得到低通滤波器原型；(4)由固有频率Wn把模拟低通滤波器原型转换为模 拟低通、高通、带通或带阻滤波器；(5)运用脉冲

40、响应不变法或双线性变换法把模拟滤波 器转换成数字滤波器。上面这些滤波器的设计过程称为典型滤波器的设计方法。1-1206.10 MATLAB函数直接设计函数直接设计IIR数字滤波器数字滤波器1-121第7章 FIR数字滤波器的设计1-122主要内容 本章的学习目标：理解FIR数字滤波器的结构 掌握FIR数字滤波器特性分析的方法 掌握设计FIR数字滤波器的窗函数法 掌握设计FIR数字滤波器的约束最小二乘法 掌握设计FIR数字滤波器的频率抽样法 了解sgolay函数设计FIR数字滤波器的方法1-1237.1 FIR数字滤波器的结构数字滤波器的结构 在数字信号处理领域中，占有极其重要位置的数字滤波器主

41、要有两大类：一类是无限脉冲响应数字滤波器，另一类是有限脉冲响应数字滤波器。应用极其广泛的IIR数字滤波器的确有许多独特的优势所在，但是，IIR数字滤波器又的确存在着一些固有缺点，从而影响了它的进一步应用。这些缺点主要有，稳定性难以保障以及相位的非线性等。所以，具有线性相位等优点的FIR数字滤波器便得到了很好的发展。1-1247.1 FIR数字滤波器的结构数字滤波器的结构 相对于无限脉冲响应数字滤波器(IIR数字滤波器)，有限脉冲响应数字滤波器(全零点或FIR数字滤波器)的特点主要有：总是稳定的；具有精确的线性相位；设计方法是线性的；硬件比较易于实现；过渡过程具有有限区间；主要缺点：在相同的给定

42、条件下，滤波器阶数要比IIR滤波器的高，相应的其延迟也要比IIR滤波器的大得多。1-1257.1 FIR数字滤波器的结构数字滤波器的结构 有限脉冲响应数字滤波器的主要结构型式有：l 直接型l 级联型l 线性相位型l 频率取样型1-1267.2 FIR数字滤波器特性分析数字滤波器特性分析7.2.1 FIR数字滤波器的频率响应1-1277.2 FIR数字滤波器特性分析数字滤波器特性分析7.2.2 FIR数字滤波器的零点位置1-1287.3窗函数法设计窗函数法设计FIR数字滤波器数字滤波器1-1297.3窗函数法设计窗函数法设计FIR数字滤波器数字滤波器1-1307.4 频率抽样法设计频率抽样法设计

43、FIR数字滤波器数字滤波器1-1317.5 切比雪夫逼近法设计切比雪夫逼近法设计FIR数字滤波器数字滤波器 窗函数法和频率取样法设计FIR数字滤波器都是很有效很常用的方法，但是它们也都有着自己的缺陷。窗函数法不容易设计出预先给出截止频率的滤波器，也不容易得到已知滤波器阶数前提下的最优解。频率取样法采用的是插值法，也不是一种优化设计。等波纹切比雪夫法是一种频率设计的最佳方法，它一般对误差采用加权函数的形式，采用最大误差最小的准则来获得惟一的最佳解。1-1327.5 切比雪夫逼近法设计切比雪夫逼近法设计FIR数字滤波器数字滤波器 MATLAB信号处理工具箱为用户提供了有关切比雪夫逼近算法应用的函数

44、：l Firpm函数：通过最佳一致逼近法设计FIR滤波器l Firpmord函数：估计最佳一致逼近法设计FIR滤波器的阶次l Cfirpm函数：任意响应法设计FIR滤波器1-1337.6 约束最小二乘法设计约束最小二乘法设计FIR数字滤波器数字滤波器 采用约束最小二乘法(Constrained Least Square，CLS)设计FIR滤波器可以不用明确定义过渡带的幅值响应，而只需要指定截止频率、通带的边缘频率或者阻带的边缘频率。在某些情况下，当无法确切确定过渡带的位置时，CLS可以间接定义过渡带，这种函数的无须指定过渡带的功能是极其有效的。简单地说，CLS的原理就是在给定所期望的滤波器幅频

45、响应情况下，寻求一个期望幅频响应的近似响应函数，使得在整个频域上，方差达到最小。CLS方法的关键特征就是能够使定义的幅值响应中包含最大允许波纹的上下限值。1-1347.6 约束最小二乘法设计约束最小二乘法设计FIR数字滤波器数字滤波器 MATLAB信号处理工具箱为用户提供了有关最小二乘算法设计FIR滤波器的函数：l Firls函数：最小二乘算法设计线性相位FIR滤波器 l Fircls函数：最小二乘算法设计多带线性相位FIR滤波器 l Fircls1函数：最小二乘算法设计低通或高通线性相位FIR 滤波器 另外，也可以通过sgolay函数来设计FIR数字滤波器。1-135 第8章 功率谱估计1-

46、136主要内容 本章的学习目标：理解功率谱估计的基本概念 掌握随机信号处理的各种运算 掌握经典功率谱估计的各种方法 掌握AR模型功率谱估计方法 掌握现代谱估计的各种非参数方法1-1378.1 功率谱估计概述功率谱估计概述 频谱分析和数字滤波是数字信号处理的两个主要分支，它们之间又存在着密切的联系。信号处理的目的在于分析并利用信号的特征。功率谱估计就是基于有限的数据寻找信号、随机过程或系统的频率成分。一般说来，功率谱估计方法可分为经典谱估计法和现代谱估计法。而经典谱估计法又可以划分为直接法(或周期图法)与间接法；现代谱估计法大致分为参数模型谱估计和非参数模型谱估计两大类。1-1388.2 随机信

47、号处理基础随机信号处理基础 随机信号又称为随机函数、时间序列或随机过程，是数学上表示无限能量信号的一个基本概念。它可以分为平稳随机信号和非平稳随机信号两大类。随机信号不能用确定性的时间函数来描述，只能用统计方法来研究，其统计特性通常用概率分布函数与概率密度函数来描述或用统计平均来表征。1-1398.2 随机信号处理基础随机信号处理基础 8.2.1 随机变量分布的特征量 1-1408.2 随机信号处理基础随机信号处理基础 8.2.2 相关函数估计 1-1418.2 随机信号处理基础随机信号处理基础 8.2.3 相关系数计算 1-1428.2 随机信号处理基础随机信号处理基础 8.2.4 相干函数

48、 1-1438.3 经典功率谱估计方法经典功率谱估计方法 1-1448.3 经典功率谱估计方法经典功率谱估计方法 8.3.1 直接法 1-1458.3 经典功率谱估计方法经典功率谱估计方法 8.3.2 间接法 1-1468.3 经典功率谱估计方法经典功率谱估计方法 8.3.3 基于经典谱估计的系统辨识 1-1478.4 改进的直接法估计改进的直接法估计 8.4.1 Bartlett法1-1488.4 改进的直接法估计改进的直接法估计 8.4.2 Welch法1-1498.5 AR模型功率谱估计模型功率谱估计 传统的功率谱估计方法是利用加窗的数据或加窗的相关函数估计值的傅立叶变换来计算的，具有一

49、定缺点:方差性能较差、谱分辨率低。而参数模型法可以大大提高功率谱估计的分辨率，是现代谱估计的主要研究内容，在语音分析、数据压缩以及通信等领域有着广泛的应用。按照模型化进行功率谱估计，主要思路为：(1)选择模型；(2)从给出的数据样本估计假设模型的参数；(3)将估计出的模型参数带入模型的理论功率 谱密度公式中得出一个较好的谱估计值。1-1508.5 AR模型功率谱估计模型功率谱估计 8.5.1 Yule-Walker法估计 1-1518.5 AR模型功率谱估计模型功率谱估计 8.5.2 Burg法估计 Burg法是一种在Levinson-Durbin递归约束的前提下，使前向和后向预测误差能量之和

50、为最小的自回归功率谱估计的方法。Burg方法避开了自相关函数的计算，它能够在低噪声的信号中分辨出非常接近的正弦信号，并且可以用较少的数据记录来进行估计，估计的结果非常接近真实值。而且，用Burg法得到的预测误差滤波器是最小相位的。但是，当用Burg法处理高阶模型、长数据记录时，结果的精度不是很高，并且有可能会出现谱线偏移和谱线分裂现象。1-1528.5 AR模型功率谱估计模型功率谱估计 8.5.2 Burg法估计 在MATLAB函数的工具箱里，l 函数Arburg：通过上Burg算法计算AR模型的参数；l 函数Pburg：实现Burg AR法的功率谱估计。1-1538.5 AR模型功率谱估计模