基于Matlab的信號處理系統與分析

【摘要】Matlab信號處理系統的廣泛應用，為傳統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，在此基礎上，按照信號處理的流程，從信號產生、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節的實際應用，這不僅有利于通過Matlab進行信號處理的系統的改造升級，還實現數字信號處理的簡便可靠。

【關鍵詞】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，信號處理主要指通過采集、變換、估計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，已經變成了一門單獨的學科被廣泛的加以研究。其中，Matlab軟件處理平臺的出現，能夠在信號處理的檢測、變換、濾波、識別等各個過程中發揮出色的作用，成為一個值得深入研究的新領域。

1.Matlab簡介及其特點

Matlab又名“矩陣實驗室”，它作為一種廣受科學家和工程技術人員喜愛的研究工具，憑借其強大的運算功能、數據可視化以及豐富的專業箱等優勢，已經在圖像處理、通訊、建模等領域得到了廣泛的應用。Matlab最早是用于數學的一種商業性軟件，目前已經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準性軟件來解決各種科學計算問題。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，總體來說，Matlab軟件用于數字信號的處理具有靈活性程度高、精度和穩定性較好、便于開發和升級、功能強大等優點，在解決相同問題時候，Matlab的性能要遠遠超過用其它編程語言所編制的計算機程序。

2.Matlab的信號處理系統分析

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

2.1 信號產生過程中的Matlab分析

信號產生有兩種類方式：第一種是通過Matlab的數據采集工具箱，實現了軟件與采集硬件之間的數據通信。由于Matlab具備了實用的程序接口和發布平臺，Matlab已經能夠與外部的數據和程序進行交互，不僅擴充了軟件強大的數值計算與圖形顯示功能，還能避開在進行信息好處理中效率低的缺點。所以，信號通過各種標準接口進入信號處理系統之后，先將各種數據信息封存于系統的開放性存儲空間之內，然后調用一定的命令或函數將其轉換為矩陣形式，以滿足后續的信號分析。整個過程中，系統使用者只需依據圖形用戶界面的提示進行相關數據的采集操作，完成對數據采樣的開始、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，在信號處理系統的程序設計階段，Matlab就能夠提供一些波形產生函數，比如正弦波、方波、三角波等，可以根據用戶的需求的波形和參數，直接產生相應的數字信號，比如常見的數字電子琴就是通過這樣的方式實現。

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（信號和系統模塊）等，能夠對信號進行采集、濾波、輸出進行仿真與測試，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，具體表現為以下幾個方面：

2.2.1 Matlab的濾波器

數字濾波器可以利用一定的算法對信號進行處理，從而得到一組新的數字信號。這是信息處理至關重要的一個環節，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計的每一步驟的函數，包含原型函數、轉變函數和直接涉及函數等，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，也可以實現模擬濾波器到數字濾波器的轉變。比如以帶通濾波器的設計為例進行分析，在Matlab系統中，帶通濾波器的仿真設計思路如下：

（1）利用cheblord函數來確定濾波器的階數和截至頻率;

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

（3）調用impinvar函數實現脈沖序列不變的模擬信號到數字信號的轉變過程。

2.2.2 Matlab的頻域變換

因為Matlab具備將一個信號變換到頻域，這也是進行Matlab仿真信號處理的一個重要環節，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，可以計算各個采樣點的幅度值、相位、頻率等，在傅里葉變化中如果頻譜的動態范圍較廣，則需要進一步進行對數變換，以獲取可視化頻譜圖，這可以為下一步的波形顯示提供數值依據，具有精確、快速、實時處理等多種優點。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，以防止因為間隔過大而出現的明顯的波動，尤其是在斜率較大的地方，將會影響后續信號的分析。

2.2.3 Matlab的圖像顯示

對于信號處理來說，Matlab中的 Simulink組件能實現信號處理的動態建模、仿真和綜合分析，在Simulink進行仿真計算之后，點擊示波器按鈕，調用相關的繪圖函數，則會得到經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情況，這一環節主要是采用面向對象的開發方式，這就使得這種環境運行之下的信號處理，不需要編程大量的程序，使用者只需依據自己的需求輕點鼠標，就能呈現出復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，已經被廣泛應用于語音識別、圖像處理、雷達探測等多個領域。

值得注意的是，信號處理是一個復雜的過程，當采樣頻率變化或者系統運行不夠穩定時，都會給最后的結果帶來較大的誤差，還需要進一步改善Matlab信號處理系統的性能，保證信號處理過程的可靠性、有效性。

3.結束語

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

參考文獻

[1]姜衍猛.基于MATLAB的數據采集與分析系統的研究及設計[D].山東大學，2012.

[2]劉勤讓，羅小武.基于MATLAB的信號處理仿真[J].信息工程大學學報，2000（01）.

[3]羅大鵬，葉敦范，王勇.基于Matlab的信號處理系統[J].現代電子技術，2004（19）.

[4]任競穎.基于MATLAB的信號處理實驗系統的開發[D].電子科技大學，2011.

作者簡介：于洋（1992—），男，山東棗莊人，大學本科，現就讀于山東科技大學，研究方向：數字信號處理。