1、2022-4-25机械工业出版社Page 1【学习目标】l了解信号处理的概念l领会与掌握用信号处理工具箱提供的各种 方法设计滤波器l理解统计信号处理的概念及应用l会用信号处理GUI对信号进行分析与处理l全面了解工具箱中的其他信号处理方法2022-4-25机械工业出版社Page 2信号处理工具箱基础信号处理工具箱基础12.1 滤波器设计与实现滤波器设计与实现12.2 统计信号处理统计信号处理 12.3 信号处理信号处理GUIGUI12.4 工具箱中的其他常用处理方法工具箱中的其他常用处理方法12.52022-4-25机械工业出版社Page 3信号处理工具箱是一个基于信号处理工具箱是一个基于MAT
2、LAB环境环境的工具集合，可以解决诸如波形产生、滤的工具集合，可以解决诸如波形产生、滤波器设计及实现、参数建模和谱分析等一波器设计及实现、参数建模和谱分析等一大类信号处理问题。大类信号处理问题。2022-4-25机械工业出版社Page 41）命令行函数）命令行函数MATLAB信号处理工具箱提供了命令行函数用于信号处理工具箱提供了命令行函数用于解决诸如数字滤波器的设计、分析及实现、模拟解决诸如数字滤波器的设计、分析及实现、模拟滤波器的设计、分析及实现、线性系统变换、窗滤波器的设计、分析及实现、线性系统变换、窗函数、谱分析和倒谱分析、变换、统计信号处理函数、谱分析和倒谱分析、变换、统计信号处理、参
3、数建模、线性预测、多速率信号处理和波形、参数建模、线性预测、多速率信号处理和波形产生等信号处理问题。产生等信号处理问题。 2022-4-25机械工业出版社Page 52）图形用户界面）图形用户界面MATLAB信号处理工具箱提供的交互式图形用户信号处理工具箱提供的交互式图形用户界面用于解决以下界面用于解决以下3种问题：种问题： 滤波器设计和分析滤波器设计和分析窗的设计和分析窗的设计和分析信号的作图及分析、谱分析和滤波信号的作图及分析、谱分析和滤波 2022-4-25机械工业出版社Page 63）支持的数据类型）支持的数据类型 信号处理工具箱仅支持双精度类型的输入数据信号处理工具箱仅支持双精度类型
4、的输入数据。若输入数据为单精度浮点型或单精度整型，则。若输入数据为单精度浮点型或单精度整型，则大多数情况下会产生错误的结果。滤波器设计工大多数情况下会产生错误的结果。滤波器设计工具箱与定点工具箱结合在一起，可用于单精度浮具箱与定点工具箱结合在一起，可用于单精度浮点型和定点型的滤波问题和滤波器设计问题。点型和定点型的滤波问题和滤波器设计问题。 2022-4-25机械工业出版社Page 7由于以下直观易用的交互式工具的使用，信号处由于以下直观易用的交互式工具的使用，信号处理工具箱的功能得以极大扩充。理工具箱的功能得以极大扩充。 1）滤波器设计和分析工具（）滤波器设计和分析工具（FDATool）滤波
5、器设计和分析工具（滤波器设计和分析工具（FDATool）和）和Filterbuilder为为滤波器设计提供了一个功能完善的平台。滤波器设计提供了一个功能完善的平台。FDATool和和Filterbuilder为其他的滤波器设计方法、量化特点、为其他的滤波器设计方法、量化特点、C代代码生成和其它增强过滤的滤波器设计工具箱产品提供了码生成和其它增强过滤的滤波器设计工具箱产品提供了无缝连接。若配备有无缝连接。若配备有Filter Design HDL Coder软件，则软件，则可以由可以由FDATool和和Filterbuilder 生成生成HDL代码。代码。 2022-4-25机械工业出版社Pag
6、e 82）滤波器可视化工具（）滤波器可视化工具（fvtool）提供用于查看、注释和打印滤波器响应曲线的图形环境。提供用于查看、注释和打印滤波器响应曲线的图形环境。3）信号处理工具（）信号处理工具（sptool）提供用于信号观察、滤波器设计和谱分析的丰富的图形环提供用于信号观察、滤波器设计和谱分析的丰富的图形环境。境。4）窗函数涉及和分析工具（）窗函数涉及和分析工具（wintool）提供用于设计和对比窗函数的环境。提供用于设计和对比窗函数的环境。5）常函数可视化工具（）常函数可视化工具（wvtool）提供用于查看、注释和打印窗函数曲线的图形环境。提供用于查看、注释和打印窗函数曲线的图形环境。 2
7、022-4-25机械工业出版社Page 91）信号的表示）信号的表示数字阵列：数字阵列：MATLAB环境中的中央数据结构，一环境中的中央数据结构，一个二维或多维的有序实数集合或复数集合。所涉个二维或多维的有序实数集合或复数集合。所涉及的基本数据类型（一维信号或序列、多通道信及的基本数据类型（一维信号或序列、多通道信号和二维信号）通常都适于用阵列描述。号和二维信号）通常都适于用阵列描述。 向量表示：向量表示：MATLAB通常用通常用1n维或维或n1维的向维的向量表示一维的采样信号或序列，量表示一维的采样信号或序列，n是采样点数。在是采样点数。在MATLAB中产生一个序列的一种方法是在命令窗中产生
8、一个序列的一种方法是在命令窗口直接将序列元素罗列出来。口直接将序列元素罗列出来。 2022-4-25机械工业出版社Page 102）波形产生）波形产生时间向量：时间向量：假设产生信号所用的采样频率为假设产生信号所用的采样频率为1000 Hz，则可用下面的代码产生一个时长为，则可用下面的代码产生一个时长为1秒（间隔秒（间隔1毫秒）的时间信号：毫秒）的时间信号： t = (0:0.001:1); 产生一个由两个正弦信号（频率为产生一个由两个正弦信号（频率为50 Hz和和120 Hz，幅度为，幅度为1和和2）构成的采样信号）构成的采样信号y： y = sin(2*pi*50*t) + 2*sin(2
9、*pi*120*t); 2022-4-25机械工业出版社Page 11对信号对信号y加离散的正加离散的正态分布的白噪声，并态分布的白噪声，并画出其前画出其前50个点个点 randn(state,0); yn = y + 0.5*randn(size(t); plot(t(1:50),yn(1:50) 00.010.020.030.040.05-4-20242022-4-25机械工业出版社Page 12下面的代码用来产生单位脉冲信号、单位阶跃信下面的代码用来产生单位脉冲信号、单位阶跃信号、单位斜坡函数和方波：号、单位斜坡函数和方波： t = (0:0.001:1); imp= 1; zeros(
10、99,1); %单位脉冲信号单位脉冲信号 unit_step = ones(100,1); %单位阶跃信号单位阶跃信号 ramp_sig= t; %单位斜坡信号单位斜坡信号 quad_sig=t.2; %时间信号的二次波时间信号的二次波 sq_wave = square(4*pi*t); %占空比为占空比为50%的方波的方波 2022-4-25机械工业出版社Page 13多通道信号：可由多通道信号：可由MATLAB中的矩阵描述。例如中的矩阵描述。例如，下面代码用以产生上面的代码中最后三个信号，下面代码用以产生上面的代码中最后三个信号构成的构成的3通道信号：通道信号： z = ramp_sig
11、quad_sig sq_wave; 多通道信号也可由下面的方法产生：先产生一个列多通道信号也可由下面的方法产生：先产生一个列向量，再将列向量进行复制以构成一个矩阵，该矩向量，再将列向量进行复制以构成一个矩阵，该矩阵就代表一个多通道信号。例如，下面的代码先产阵就代表一个多通道信号。例如，下面的代码先产生一个生一个6元素的列向量（首元素为元素的列向量（首元素为1，其他，其他5个元素个元素为为0），再将该向量复制构成一个），再将该向量复制构成一个3通道信号：通道信号： 2022-4-25机械工业出版社Page 14 a = 1 zeros(1,5); c = a(:,ones(1,3) c = 1
12、1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 常用的周期信号常用的周期信号 信号处理工具箱提供了用信号处理工具箱提供了用于产生广泛应用的周期信号的于产生广泛应用的周期信号的函数，如：函数，如： sawtooth产生锯齿波，幅度为产生锯齿波，幅度为1，周，周期为期为2；使用该函数时，可；使用该函数时，可以用参数以用参数“width”指定信号的指定信号的最大值出现的位置。最大值出现的位置。 square产生周期为产生周期为2的方波；使用时，可以指定方波的的方波；使用时，可以指定方波的占空比（方波信号的正值所占周期的比例）。占空比（方波信号的正值所占周期的比例）。 2022-4
13、-25机械工业出版社Page 151. 序列的产生：分别用行向量和列向量表示序列序列的产生：分别用行向量和列向量表示序列 x = 4 3 7 -9 1 x = 4 3 7 -9 1 x = x %序列的转置序列的转置 x = 4 3 7 -9 1 2022-4-25机械工业出版社Page 16对于单通道信号而言，通常用列向量表示，因为对于单通道信号而言，通常用列向量表示，因为列向量容易扩展到多通道状态。对于多通道信号列向量容易扩展到多通道状态。对于多通道信号，矩阵的每一列代表一个通道的信号，而矩阵的，矩阵的每一列代表一个通道的信号，而矩阵的每一行则对应一个采样点。例如，在例每一行则对应一个采样
14、点。例如，在例12-1的基的基础上产生下面的础上产生下面的3通道信号，代码如下：通道信号，代码如下： y = x 2*x x/pi y = 4.0000 8.0000 1.2732 3.0000 6.0000 0.9549 7.0000 14.0000 2.2282 -9.0000 -18.0000 -2.8648 1.0000 2.0000 0.3183 2022-4-25机械工业出版社Page 17若信号值中有复数元素，则转置操作将对复元素若信号值中有复数元素，则转置操作将对复元素取共轭。因此，若想在对一个由复数元素构成的取共轭。因此，若想在对一个由复数元素构成的行向量进行转置时，复元素不
15、取共轭，可以用行向量进行转置时，复元素不取共轭，可以用“.”实现。例如：实现。例如： x=1-i 3+i 2+3*i 4-2*i; x1=x x1 = 1.0000 + 1.0000i 3.0000 - 1.0000i 2.0000 - 3.0000i 4.0000 + 2.0000i x2=x. x2 = 1.0000 - 1.0000i 3.0000 + 1.0000i 2.0000 + 3.0000i 4.0000 - 2.0000i 2022-4-25机械工业出版社Page 182. 周期信号的产生：产生一个时长为周期信号的产生：产生一个时长为1.5秒、频率秒、频率为为50 Hz、采样
16、频率为、采样频率为10 kHz的锯齿波信号，并的锯齿波信号，并画出前画出前0.2秒的波形。秒的波形。 fs = 10000; t = 0:1/fs:1.5; x = sawtooth(2*pi*50*t); plot(t,x); hold on; axis(0 0.2 -1 1); 00.050.10.150.2-1-0.500.512022-4-25机械工业出版社Page 19滤波器设计是根据指定的滤波性能要求确定滤波滤波器设计是根据指定的滤波性能要求确定滤波器系数的过程，滤波器的实现则是根据这些系数器系数的过程，滤波器的实现则是根据这些系数选择合适的滤波器结构。滤波器的设计和实现都选择合适
17、的滤波器结构。滤波器的设计和实现都完成以后，即可对输入数据进行滤波。本节介绍完成以后，即可对输入数据进行滤波。本节介绍如何利用信号处理工具箱设计和实现滤波器。如何利用信号处理工具箱设计和实现滤波器。 2022-4-25机械工业出版社Page 201）卷积和滤波）卷积和滤波滤波的数学基础就是卷积运算。滤波的数学基础就是卷积运算。MATLAB中的函中的函数数conv可以用来实现两个一维向量的卷积运算，可以用来实现两个一维向量的卷积运算，下面的代码可以实现序列下面的代码可以实现序列 和其自身的卷积：和其自身的卷积： 1,1,1 conv(1 1 1,1 1 1) ans = 1 2 3 2 1 20
18、22-4-25机械工业出版社Page 21( )1,1,1,1/4h k 假设一个滑动平均滤波器的单位脉冲响应为假设一个滑动平均滤波器的单位脉冲响应为输入序列输入序列x(k) 为一个长度为为一个长度为5的随机向量，若在的随机向量，若在MATLAB中分别用变量中分别用变量h和和x描述，则用下面的代描述，则用下面的代码即可计算出滤波器的输出码即可计算出滤波器的输出y： x = randn(5,1); h = 1 1 1 1/4; y = conv(h,x); 2022-4-25机械工业出版社Page 222）滤波器和传递函数）滤波器和传递函数 若用若用Y(z)和和X(z)分别表示数字滤波器的输出序
19、列分别表示数字滤波器的输出序列y(n)和输入序列和输入序列x(n)的的Z变换，变换，H(z)表示滤波器的表示滤波器的脉冲响应的脉冲响应的Z变换，则式子变换，则式子 11( )(1)(2)(1)( )( )(1)(2)(1)nmY zbbzb nzH zX zaaza mz即是滤波器的传递函数。即是滤波器的传递函数。b(i)和和a(i)是滤波器的系数是滤波器的系数，滤波器的阶数则由，滤波器的阶数则由n和和m中的较大者描述。中的较大者描述。 2022-4-25机械工业出版社Page 23滤波器的系数和名字滤波器的系数和名字 n=0：b为一个标量，滤波器称为无限脉冲响应（为一个标量，滤波器称为无限脉
20、冲响应（ IIR）滤波器、全极点型滤波器、递归系统或）滤波器、全极点型滤波器、递归系统或 自回归（自回归（AR）滤波器。）滤波器。m=0：a为一个标量，滤波器称为有限脉冲响应（为一个标量，滤波器称为有限脉冲响应（ FIR）滤波器、全零点型滤波器、非递归系）滤波器、全零点型滤波器、非递归系 统或滑动平均（统或滑动平均（MA）滤波器。）滤波器。n和和m都大于都大于0：滤波器是一个：滤波器是一个IIR、零极点型的递、零极点型的递 归系统或自回归滑动平均（归系统或自回归滑动平均（ARMA）滤波器。）滤波器。 2022-4-25机械工业出版社Page 24用函数用函数filter进行滤波进行滤波 若某单
21、极点数字滤波器（低通）的传递函数为若某单极点数字滤波器（低通）的传递函数为 11( )10.9H zz则该滤波器在则该滤波器在MATLAB中可用向量中可用向量b和和a描述描述 b=1; a=1 -0.9; 假设滤波器的输入为假设滤波器的输入为x，则用下面的代码即可得到，则用下面的代码即可得到滤波器的输出滤波器的输出y： y = filter(b,a,x); 2022-4-25机械工业出版社Page 25数字滤波器的频率响应可由数字滤波器的频率响应可由MATLAB中的函数中的函数freqz求解，若一个数字滤波器的频率响应用下式求解，若一个数字滤波器的频率响应用下式描述：描述： (1)(2)(1)
22、()(1)(2)(1)jj njjj mbbeb neH eaaea me下面的代码求出滤波器的下面的代码求出滤波器的p点复频率响应：点复频率响应： h,w = freqz(b,a,p); 2022-4-25机械工业出版社Page 26函数函数freqz还可以指定采样频率或任意的频率点数还可以指定采样频率或任意的频率点数。例如：若要求一个。例如：若要求一个12阶切比雪夫阶切比雪夫I型滤波器的型滤波器的256点频率响应，且指定采样频率为点频率响应，且指定采样频率为1000 Hz，实现代，实现代码如下：码如下： b,a = cheby1(12,0.5,200/500); h,f = freqz(b
23、,a,256,1000); 若采样频率用若采样频率用Fs描述，则上述代码中的返回值描述，则上述代码中的返回值f是是一个一个256点的频率向量，其元素在点的频率向量，其元素在0到到Fs/2之间。之间。 2022-4-25机械工业出版社Page 27若要画出滤波器的幅度相应和相位响应，则在调用若要画出滤波器的幅度相应和相位响应，则在调用函数函数freqz时省去输出即可。例如，一个时省去输出即可。例如，一个9阶的巴特阶的巴特沃斯低通滤波器的截止频率为沃斯低通滤波器的截止频率为400 Hz，采样频率为，采样频率为2000 Hz，求其，求其256点的复频率响应，并画出其幅点的复频率响应，并画出其幅度相应
24、和相位响应，实现代码如下：度相应和相位响应，实现代码如下： b,a = butter(9,400/1000); freqz(b,a,256,2000) 2022-4-25机械工业出版社Page 2801002003004005006007008009001000-800-600-400-2000Frequency (Hz)Phase (degrees)01002003004005006007008009001000-400-300-200-1000Frequency (Hz)Magnitude (dB)2022-4-25机械工业出版社Page 29观察滤波器的幅度响应和相位响应也可以经由观察滤
25、波器的幅度响应和相位响应也可以经由fvtool完成。在完成。在MATLAB的命令窗口输入下面的的命令窗口输入下面的代码：代码： fvtool(b,a) 在打开的窗口中单击工具栏上的在打开的窗口中单击工具栏上的 ，即可在同，即可在同一窗口中观察滤波器的幅度相应和相位响应，如一窗口中观察滤波器的幅度相应和相位响应，如下图所示。下图所示。 2022-4-25机械工业出版社Page 302022-4-25机械工业出版社Page 311）IIR滤波器设计滤波器设计 2022-4-25机械工业出版社Page 32下面的代码分别设计了不同类型的低通、带通、高下面的代码分别设计了不同类型的低通、带通、高通和带
26、阻滤波器：通和带阻滤波器： b,a=butter(5,0.4); % 巴特沃斯低通滤波器巴特沃斯低通滤波器b,a=cheby1(4,1,0.4 0.7); % 切比雪夫切比雪夫I型带通滤波器型带通滤波器b,a=cheby2(6,60,0.8,high); % 切比雪夫切比雪夫II型高通滤波器型高通滤波器b,a=ellip(3,1,60,0.4 0.7,stop); % 椭圆型带阻滤波器椭圆型带阻滤波器 2022-4-25机械工业出版社Page 33传统的传统的IIR数字滤波器设计包括下面数字滤波器设计包括下面3个步骤：个步骤：1）设计截止频率为）设计截止频率为1的模拟低通滤波器（归一化模的模拟
27、低通滤波器（归一化模 拟低通滤波器），并将该原型滤波器转换为实拟低通滤波器），并将该原型滤波器转换为实 际的模拟滤波器；际的模拟滤波器；2）将模拟滤波器变换到数字域；）将模拟滤波器变换到数字域；3）将滤波器离散化。）将滤波器离散化。 在上述设计过程中所用到的函数及功能如下：在上述设计过程中所用到的函数及功能如下： 2022-4-25机械工业出版社Page 34模拟低通原型滤波器设计模拟低通原型滤波器设计buttap：设计巴特沃斯型低通模拟原型滤波器；：设计巴特沃斯型低通模拟原型滤波器；cheb1ap：设计切比雪夫：设计切比雪夫I型低通模拟原型滤波器型低通模拟原型滤波器besselap：设计：设
28、计Bessel型低通模拟原型滤波器；型低通模拟原型滤波器；ellipap：设计椭圆型低通模拟原型滤波器；：设计椭圆型低通模拟原型滤波器；cheb2ap：设计切比雪夫：设计切比雪夫II型低通模拟原型滤波器型低通模拟原型滤波器频率变换频率变换lp2lp：将低通模拟原型滤波器转换为模拟低通滤波器：将低通模拟原型滤波器转换为模拟低通滤波器lp2hp：将低通模拟原型滤波器转换为模拟高通滤波器：将低通模拟原型滤波器转换为模拟高通滤波器lp2bp：将低通模拟原型滤波器转换为模拟带通滤波器：将低通模拟原型滤波器转换为模拟带通滤波器lp2bs：将低通模拟原型滤波器转换为模拟带阻滤波器：将低通模拟原型滤波器转换为
29、模拟带阻滤波器离散化离散化bilinear：双线性变换法设计：双线性变换法设计IIR数字滤波器数字滤波器impinvar：脉冲响应不变法设计：脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器数字滤波器 2022-4-25机械工业出版社Page 352）FIR滤波器设计滤波器设计 信号处理工具箱提供了许多用于信号处理工具箱提供了许多用于FIR滤波器设计的滤波器设计的函数，如：函数，如：fir1、fir2、kaiserord、firls、firpm、firpmord、fircls、fircls1、cfirpm和和firrcos等等。在这些函数中，。在这些函数中，cfirpm可以设计任意一种线性可以设计任意一种线
30、性相位滤波器和非线性相位滤波器，而其他的函数相位滤波器和非线性相位滤波器，而其他的函数都只能设计线性相位滤波器。都只能设计线性相位滤波器。 2022-4-25机械工业出版社Page 36以函数以函数fir1为例，为例，fir1是用窗化法设计是用窗化法设计FIR滤波器，滤波器，其语法形式为：其语法形式为： b = fir1(n, Wn)b = fir1(n, Wn, win) Wn：截止频率（取值在：截止频率（取值在0, 1之间，之间，1对应奈奎斯对应奈奎斯 特频率）；特频率）；b：长为：长为n+1的行向量；的行向量；win：长为：长为n+1的向量，的向量，win省略则默认使用海明窗省略则默认使
31、用海明窗2022-4-25机械工业出版社Page 37用双线性变换法设计一个用双线性变换法设计一个IIR数字带通滤波器。数字带通滤波器。 clc;clear all;close all;z,p,k = cheb1ap(5,3); b,a = zp2tf(z,p,k); fs = 2;u1 = 2*fs*tan(0.1*(2*pi/fs)/2);u2 = 2*fs*tan(0.5*(2*pi/fs)/2);Bw = u2 - u1;Wo = sqrt(u1*u2); bt,at = lp2bp(b,a,Wo,Bw); bz,az = bilinear(bt,at,fs); fvtool(bz,a
32、z); 2022-4-25机械工业出版社Page 3800.10.20.30.40.50.60.70.80.9-140-120-100-80-60-40-200Normalized Frequency ( rad/sample)Magnitude (dB)Magnitude Response (dB)2022-4-25机械工业出版社Page 39设计一个设计一个48阶带通滤波器，通带为阶带通滤波器，通带为 0.350.65 b = fir1(48,0.35 0.65); fvtool(b,1) 00.10.20.30.40.50.60.70.80.9-70-60-50-40-30-20-100
33、Normalized Frequency ( rad/sample)Magnitude (dB)Magnitude Response (dB)2022-4-25机械工业出版社Page 40用用filterbuilder设计一个带通设计一个带通IIR滤波器的步骤滤波器的步骤1）在）在MATLAB的命令的命令窗口输入窗口输入filterbuilder，打开如图所示的滤，打开如图所示的滤波器响应类型选择对波器响应类型选择对话框；话框； 2022-4-25机械工业出版社Page 412）在列表框）在列表框中选择中选择【Bandpass】，然后单击，然后单击 ，打开如图所，打开如图所示的带通滤波示的带通
34、滤波器设计界面；器设计界面； 2022-4-25机械工业出版社Page 423）将）将【Impulse response】项选为项选为“IIR”，【Order mode】项选为项选为“Minimum”，【Design method】项选为项选为“Butterworth”，单击窗口右，单击窗口右上角的上角的 ，即可观察设计出的，即可观察设计出的IIR滤波器的幅频响应。滤波器的幅频响应。 00.10.20.30.40.50.60.70.80.9-200-150-100-500Normalized Frequency ( rad/sample)Magnitude (dB)Magnitude Resp
35、onse (dB)2022-4-25机械工业出版社Page 431）用）用FDATool设计滤波器设计滤波器 以设计以设计FIR带通滤波器为例，步骤如下：带通滤波器为例，步骤如下： 在在MATLAB的命令窗口输入的命令窗口输入fdatool，打开滤波，打开滤波 器设计窗口；器设计窗口； 指定滤波器的类型、设计方法和各种设计指标；指定滤波器的类型、设计方法和各种设计指标； 单击窗口下方的单击窗口下方的 ，即在窗口中显示，即在窗口中显示 滤波器的幅频响应曲线。滤波器的幅频响应曲线。 2022-4-25机械工业出版社Page 442022-4-25机械工业出版社Page 452）用）用FDATool
36、分析滤波器分析滤波器 改变图像显示区域所显示的曲线种类改变图像显示区域所显示的曲线种类 菜单项菜单项【Analysis】的下拉菜单用来显示滤波器的下拉菜单用来显示滤波器的各种响应类型。其中，下拉菜单项的各种响应类型。其中，下拉菜单项【Overlay Analysis】可用来同时显示多种响应类型。可用来同时显示多种响应类型。 工具栏上的按钮组工具栏上的按钮组 也可用来改变图形显示区域所显示的响应类型，从也可用来改变图形显示区域所显示的响应类型，从左到右依次是：幅度相应、相位响应、幅度和相位左到右依次是：幅度相应、相位响应、幅度和相位响应、群时延、相时延、脉冲响应、阶跃响应、零响应、群时延、相时延
37、、脉冲响应、阶跃响应、零极点图、滤波器系数、滤波器信息、幅度相应估计极点图、滤波器系数、滤波器信息、幅度相应估计和舍入噪声功率谱。和舍入噪声功率谱。 2022-4-25机械工业出版社Page 46显示数据点信息显示数据点信息 在曲线的某一点上单击鼠标右键，即可显示该点的数据信息在曲线的某一点上单击鼠标右键，即可显示该点的数据信息，已显示信息的点用黑色方块标注；在黑色方块上再次单击，已显示信息的点用黑色方块标注；在黑色方块上再次单击鼠标右键，即可通过右键单击菜单改变数据信息的显示位置鼠标右键，即可通过右键单击菜单改变数据信息的显示位置、字体大小、是否可移动选项、插值方法、是否将信息输出、字体大小
38、、是否可移动选项、插值方法、是否将信息输出到变量空间选项、删除该数据点信息选项和删除所有数据点到变量空间选项、删除该数据点信息选项和删除所有数据点信息选项。信息选项。2022-4-25机械工业出版社Page 47改变分析参数和采样频率改变分析参数和采样频率 用鼠标右键单击图形显示区域的空白处，显示下用鼠标右键单击图形显示区域的空白处，显示下拉菜单拉菜单【Analysis Parameters】、【Sampling Frequency】和和【Whats This?】，分别用来，分别用来设置分析参数、改变采样频率和显示帮助信息。设置分析参数、改变采样频率和显示帮助信息。 在独立窗口显示响应曲线在独
39、立窗口显示响应曲线 单击菜单单击菜单【View】【Filter Visualization Tool】即可打开即可打开fvtool，用独立的窗口显示滤波器的响，用独立的窗口显示滤波器的响应曲线。应曲线。 2022-4-25机械工业出版社Page 48滤波器的其他分析方法滤波器的其他分析方法 在滤波器设计窗口的左边界下部有一个如下图所示在滤波器设计窗口的左边界下部有一个如下图所示的工具栏（设计窗口上是由上至下显示的），从上的工具栏（设计窗口上是由上至下显示的），从上到下依次是：创建多速率滤波器、滤波器类型转换到下依次是：创建多速率滤波器、滤波器类型转换、设置量化参数、滤波器实现模型、零极点编辑器
40、、设置量化参数、滤波器实现模型、零极点编辑器和从变量空间导入滤波器。和从变量空间导入滤波器。 2022-4-25机械工业出版社Page 49统计信号处理是指，利用信号与干扰的不同统计特统计信号处理是指，利用信号与干扰的不同统计特性，从统计的观点出发，研究如何对这种随机性观性，从统计的观点出发，研究如何对这种随机性观测结果进行处理，以便尽可能地抑制干扰而提取有测结果进行处理，以便尽可能地抑制干扰而提取有用的信号。统计信号处理是一个重要的科学分支，用的信号。统计信号处理是一个重要的科学分支，其主要内容是信号的检测理论、估计和滤波理论及其主要内容是信号的检测理论、估计和滤波理论及应用。应用。 202
41、2-4-25机械工业出版社Page 50两个随机过程的互相关和互协方差可由函数两个随机过程的互相关和互协方差可由函数xcorr和和xcov计算，特殊地，函数计算，特殊地，函数xcorr和和xcov也可以计也可以计算自相关和自协方差。算自相关和自协方差。 与卷积的计算类似，相关的计算函数与卷积的计算类似，相关的计算函数xcorr采用采用的算法思想也是的算法思想也是FFT。不同的是，在进行相关计算。不同的是，在进行相关计算前，应先将两个子序列中的一个序列进行翻转。前，应先将两个子序列中的一个序列进行翻转。 2022-4-25机械工业出版社Page 512022-4-25机械工业出版社Page 52
42、用非参数化方法中的周期图法，对叠加噪声的两个用非参数化方法中的周期图法，对叠加噪声的两个正弦信号的和正弦信号的和xn做功率谱估计。做功率谱估计。 clc;clear all;close all;fs = 1000; t = (0:fs)/fs;A = 1 2; f = 150;140;xn = A*sin(2*pi*f*t) + 0.1*randn(size(t);Hs = spectrum.periodogram(Hamming);psd(Hs,xn,Fs,fs,NFFT,1024,SpectrumType,onesided); 2022-4-25机械工业出版社Page 5305010015
43、0200250300350400450500-70-60-50-40-30-20-10010Frequency (Hz)Power/frequency (dB/Hz)Periodogram Power Spectral Density Estimate2022-4-25机械工业出版社Page 54在在MATLAB的命令窗口的命令窗口输入输入sptool，得右图。，得右图。 2022-4-25机械工业出版社Page 55信号观察器完成的工作如下：信号观察器完成的工作如下： 分析和对比向量信号或阵列（矩阵）信号分析和对比向量信号或阵列（矩阵）信号放大信号的一部分放大信号的一部分测量信号数据的多种特
44、征测量信号数据的多种特征对比多通道信号对比多通道信号在音频硬件上播放部分信号在音频硬件上播放部分信号打印信号波形打印信号波形 2022-4-25机械工业出版社Page 56观察信号的步骤观察信号的步骤 1）选中）选中【Signals】列表框中的一个信号（例如列表框中的一个信号（例如 chirp）；）； 2）单击下方的）单击下方的显示的波形如显示的波形如右图所示。右图所示。 2022-4-25机械工业出版社Page 57FVTool的启动是从的启动是从SPTool开始的，方法如下：开始的，方法如下： 单击单击SPTool窗口上的窗口上的【Filters】列表框下方的列表框下方的 ：此时：此时FV
45、Tool显示已选择滤波器显示已选择滤波器的幅度相应，且和的幅度相应，且和SPTool相联系，相联系，SPTool中的任中的任何改变将引起何改变将引起FVTool中相应的改变。中相应的改变。 单击单击FVTool中的菜单中的菜单【File】【New Filter Analysis】：此时：此时FVTool是一个独立的窗口，与是一个独立的窗口，与SPTool没有任何联系。没有任何联系。 2022-4-25机械工业出版社Page 58频谱观测器可以完成下列工作：频谱观测器可以完成下列工作： 分析和对比谱密度曲线分析和对比谱密度曲线用不同的谱估计方法（用不同的谱估计方法（Burg、协方差、协方差、FF
46、T、 修正协方差、修正协方差、MTM、MUSIC、Welch和和Yule- Walker AR）创建功率谱）创建功率谱修改功率谱密度参数（如修改功率谱密度参数（如FFT长度、窗的类型和长度、窗的类型和 采样频率）采样频率）打印谱曲线打印谱曲线 2022-4-25机械工业出版社Page 59若要查看若要查看SPTool窗口的窗口的【Spectra】列表框中已列表框中已有信号的功率谱，则将该信号选中，然后单击下有信号的功率谱，则将该信号选中，然后单击下方的方的 即可。即可。 若若【Spectra】列表框中没有要查看的信号，则创列表框中没有要查看的信号，则创建步骤如下：建步骤如下： 1）在）在【Si
47、gnals】列表框中选择一个信号（如列表框中选择一个信号（如 mtlb）；）； 2）单击）单击【Spectra】列表框下方的列表框下方的 3）在打开的频谱观测器窗口中单击左下方的）在打开的频谱观测器窗口中单击左下方的 2022-4-25机械工业出版社Page 602022-4-25机械工业出版社Page 611）从）从SPTool中导入一个信号中导入一个信号 在命令窗口输入下面的代码；在命令窗口输入下面的代码； randn(state,0); x = randn(5000,1); 输入输入sptool打开打开SPTool； 单击菜单单击菜单【File】【Import】； 在打开的在打开的Imp
48、ort to SPTool窗口中选择信号窗口中选择信号x，单击单击 ，将，将x导入到右侧的导入到右侧的【Data】区域，在区域，在右下方的右下方的【Sampling Frequency】处输入处输入5000，在，在【Name】处输入处输入noise，单击，单击 。2022-4-25机械工业出版社Page 622）设计滤波器）设计滤波器 单击单击SPTool中中【Filters】列表框下方的列表框下方的 以默认滤波器名以默认滤波器名“filt1”打开打开FDATool，按右，按右图设计一个图设计一个FIR带通滤波器。带通滤波器。 2022-4-25机械工业出版社Page 633）将设计的滤波器应
49、用于信号）将设计的滤波器应用于信号noise 选择信号选择信号noise vector和滤波器和滤波器fir1design； 单击单击【Filters】列表框下方的列表框下方的 打开打开Apply Filter窗口，如下图所示；窗口，如下图所示； 在在【Output Signal】 处输入处输入blnoise； 单击单击 2022-4-25机械工业出版社Page 644）分析信号）分析信号 对比信号对比信号noise和和blnoise。 按下按下Shift键的同时依次用鼠标单击信号键的同时依次用鼠标单击信号noise 和和blnoise，将它们同时选中；，将它们同时选中； 单击单击【Signa
50、ls】列表框下方的列表框下方的 打开信号观察器；打开信号观察器； 单击信号观察器工具栏上的单击信号观察器工具栏上的“ ”，在打开的，在打开的窗窗 口中选择信号口中选择信号blnoise，然后单击，然后单击 ，信，信 号观察器中即同时显示出号观察器中即同时显示出noise和和blnoise，如，如 下图所示。下图所示。 2022-4-25机械工业出版社Page 652022-4-25机械工业出版社Page 665）观察信号）观察信号noise和和blnoise的功率谱的功率谱 选择信号选择信号noise，单击，单击【Spectra】列表框下方列表框下方 的的 ； 在打开的在打开的Spectrum
