信号处理Simulink专业培训教材

面向信号处理的Simulink®应用创建一个信号处理模型课程概要Signal Processing Blockset 6.0库采样设置采样时间 奈奎斯特准则和混叠信号支持和信号格式基于采样的信号和基于帧的信号 信号通道和多通道信号数据类型 统计、滤波、谱估计实例2Simulink工作原理每个Simulink模块都可以表示成输入信号 u ，输出信号 y 以及内部状态 之间的关系，如下图所示：xu 输 入在某个时刻x 状 态y 输 出t ，Simulink模块的内部状态 x 由两部分组成：连续状态 xc 和离散状态 xd ，且 x = xc + xd，此时输出信号 y = f 0 (t , x, u) ，连续' 状态的导数 xc = f d (t , x, u)，离散状态 x d k +1 = f u (t , x , u )。

Simulink根据连续状态导数方程进行积分运算，得到各个连续状态的数值，同时通过离散状 态方程计算离散状态的当前值。

这样，Simulink就可以得到各个时刻的状态 及其输出信号，实现对仿真结果的求解。

3Signal Processing Blockset打开 Signal Processing Blockset 的方 法是在MATLAB的命令窗口中键入： dsplib4库Signal Processing Sinks：包含多种时域和频域的示波器（scope ）和其它模块，用来记录信号或者在屏幕上显示信号。

Signal Processing Sources：包含多种模块，用来生成基于采样的信号或者基于帧的信号，比如正弦波、随机信号。

Estimation：包含多种模块，用来执行信号或者参数的估计。

这些模 块包括：线性预测、参数估计和功率谱估计。

Filtering：包含多种模块，用来设计和实现数字滤波器，比如自适应 滤波器、多速率滤波器、时变滤波器和频域滤波器。

Math Functions：包含多种模块，用来执行预定义的专用数学操作， 比如dB转换、矩阵和线性代数操作、多项式函数。

5库（续）Platform Specific I/O：包含多种模块，用于执行32-bit Windows操 作平台支持的若干操作，比如：与音频设备进行读写音频数据的操 作。

Quantizers：包含多种模块，用于执行数据的预处理和后置处理，比 如：量化器、均匀编解码器。

Signal Management：包含多种对信号进行操作的模块，比如：缓冲 器（buffer），选择器（selector），开关（switch），计数器 （counter）。

Signal Operations：包含多种对信号进行基本操作的模块，比如：卷 积、重采样、延迟、 解卷绕（unwrapping） 、零极点、加窗。

Statistics：包含多种进行统计信号处理的模块，比如：相关、最大 值、均值、标准方差和方差。

Transforms：包含多种模块，用于把信号转换到其它域中进行分析， 比如：FFT、离散余弦变换、小波变换。

6采样模拟信号源：电磁、音频、声纳和生物医学采样x( n) = xa ( nTs )离散信号 模拟信号 采样时间>> sampling7混叠香农采样定理：fs > 2 fMfs > 2 fMfs ≤ 2 fM原始信号和采样信号有相同的 频率>> sampling_15hz >> sampling_slow采样信号混叠入（1/2×原始频 率）8信号格式离散时间信号可以被处理为：基于采样的信号（Sample-based ） 基于帧的信号（Frame-based ）根据信号源的个数，可以分为：单通道信号（Single-channel） 多通道信号（Multi-channel）9基于采样的处理和基于帧的处理基于采样的处理处理开销time 获取采样数据基于帧的处理获取16个采样数据 处理开销time 等待延迟10为什么要进行基于帧的处理？快速的仿真较低的数据通信开销 在采样数据之间分配固定的处理开销实时系统和数据采集硬件中，数据的真实表示形式 频率分析和信号处理算法的需求11信号的表示基于采样 单通道 1 6 2 8t=1 t=2 t=3基于帧Ch11st Sample 2nd Sample 3rd Sample 4th Sample 5th Sample0t=4t=58 2 6 0 1帧矩阵多通道t=6 3 0 1 t=5 8 6 7 t=4 1 8 2 t=3 6 3 4 t=2 0 4 1 t=1 7 8 2 1st Sample 2nd Sample 3rd Sample 4th Sample 5th Sample 6th SampleCh1 Ch2 Ch3Ch1 Ch2 Ch37 0 6 1 8 38 4 3 8 6 02 1 4 2 7 1帧矩阵12使用信号源来创建一个基于帧的信号列向量:100×1>> frame_source13使用缓存操作和非缓存操作来生成一个基于帧的信号 把基于采样的信号转换成为基于帧的信号把基于帧的信号转换成为基于采样的信号注意：还可以使用 Buffer 模块来改变一个基于帧的信号的帧 长度。

>> frame_buffer14创建一个简单模型使用以下模块创建一个基 于采样的模型：DSP sine wave Gain Vector Scope把模型转换成基于帧的形 式，比较两个模型的仿真 速度。

>> simple_sample >> simple_frame>> open('frame_vs_sample.m')15创建一个模型：使用 Vector Scope 模块使用 Vector Scope来观察基于帧 的信号 右击轴，改变轴和线的属性。

双击Vector Scope 模块， 改变相关参数。

16使用 Signal Source 模块来创建一个多通道、基于帧的信号10×3 矩阵 3个通道 每一帧里有10个采样数据17使用Horizontal Concatenation 模块来创建一个多通道、 基于帧的信号4个基于帧的信号 每一帧中有6个采样数据4个通道 每一帧中有6个采样数据>> frame_multich_cat 18使用Spectrum Scope 模块对信号进行可视化分析在模型中增加一个 spectrum scope 模块 使用一个buffer模块把正弦波的帧长度改为64 把仿真的 stop time 改为 inf>> multich_spectrum 19使用Spectrum Scope 模块对信号进行可视化分析 （续）双击 Spectrum Scope，编辑 scope 的参数； 改变各种参数，观察效果；Scope Properties:设置输入buffer size、 overlap和FFT length； Display Properties:改变显示选项，比如grid 、legend和 persistence； Axis Properties:设置频率、幅度范围和 幅度比例； Line Properties:改变线的显示方式，比如 标志、风格和颜色；产生信号20使用定点数据类型如果安装Simulink FixedPoint ，很多信号处理模块和Simulink模块都支持定点数据。

在安装了这种license的情况下，可以生成使用定点算数结构的离散时间动态系统。

f比如：Sources, Gain, Sum, Product, 等等。

统计简单f均值、标准偏差、最小值和中值 相关f自相关f互相关Trendingf Detrendf直方图示例：相关xyβα+−=)()(d n x n y >> multipathcorr示例：Median 模块混有噪声的信号干净的信号Median 模块可用作非线性中值滤波器，在消除尖峰噪声的应用中非常有效。

>> medianfilter快速傅立叶变换(FFT) 模块帧长度：2的n次幂复数输出•通过把每一个加窗信号转换成基于帧的输入信号，Buffer模块设置了FFT窗长度；•FFT模块返回一个复数、基于采样的信号（包含频域数据）；•调整Vector Scopes来显示频域输入信号；功率谱估计功率谱估计库提供了一系列模块用于谱分析。

非参数方法参数方法非参数方法周期图法是最简单的非参数PSD估计方法。

•Boxcar 窗（没有窗的形状）•谱的平均个数= 1 >> psd_periodogram（没有平均）窗函数模块使用Signal Operations 库中的窗函数模块，可以生成和使用窗函数。

支持的窗函数类型有：Bartlett, Blackman, Boxcar, Chebyshev, Hamming, Hann, Hanning, Kaiser和Triangle。

示例：加窗•使用不同的窗，来观察时域和频域的效果；•注意主瓣宽度和旁瓣高度的变化；没有加窗加窗的信号>> window_effect时域参数方法周期图法的分辨率：•1 Hz/bin•不能区分两个频率处的峰值参数方法的分辨率：•基于估计阶数•能够区分两个频率处的峰值>> parametric滤波库Signal Processing Blockset的滤波库（Filtering library）提供了一系列模块用于分析、设计和实现滤波器。

滤波器设计模块有三个主要的滤波模块可以用来仿真单精度、双精度浮点FIR、IIR滤波器：f Digital Filter Design 模块–用来设计、分析和实现滤波器；f Digital Filter 模块–用来实现预先设计好的滤波器；f Filter Realization Wizard 模块–使用Sum, Gain和Unit Delay 模块来实现定点滤波器。

可以在DSP芯片、FPGA和ASIC中实现定点滤波器。

模拟滤波器设计使用Analog Filter Design 模块可以设计和实现Butterworth, Chebyshev type I, Chebyshev type II, elliptic, 和bessel滤波器；滤波器类型可以是高通、低通、带通和带阻；输入信号必须是基于采样的标量信号；模块的参数是：•设计方法•滤波器类型•滤波器类型•滤波器指标three_notes_analog自适应滤波器（噪声抵消）自适应滤波器Z (n )y (n )e (n )d (n )+–∑自适应算法干净信号d (n )–y (n )s (n )+ z (n )噪声信号与噪声相关>> babynoise多速率滤波器>> multifilter小结Signal Processing Blockset6.0 f库采样f设置采样时间f奈奎斯特准则和混叠信号支持和信号格式f基于采样的信号和基于帧的信号f信号通道和多通道信号数据类型统计、滤波、谱估计实例推荐几个网址/matlabcentral lli@THANK YOU !。