MATLAB在數字信號處理中的應用

趙海君

摘要

隨著我國的科學技術水平進一步提高，諸多領域都應用到了數字信號，對信號的處理以及獲得有價值的信息，都能促進應用領域的發展，對數字信號處理學科的進一步發展也有著促進作用。通過對MATLAB的應用，能提高對數字信號處理的質量和效率，這也是對現代數字電子技術發展基礎。本文先就MATLAB的應用優勢和數字信號處理算法理論簡要闡述，然后對基于MATLAB的數字信號處理平臺架構和處理目標詳細分析，最后對數字信號處理中MATLAB的應用進行探究。希冀能通過此次理論研究，對數字信號處理中MATLAB的應用效率提高起到促進作用。

【關鍵詞】數字信號 MATLAB 應用

MATLAB是當前比較流行的工程類交互式可視化應用軟件，有著比較先進的計算環境和算法，對數字信號處理以及數值分析等，都能發揮積極重要作用。MATLAB計算軟件的功能比較強大，用戶操作界面也比較大方，對多種硬件平臺數學計算應用軟件適應，所以在應用的價值層面也比較突出。

1MATLAB的應用優勢和系統結構組成

1.1MATLAB的應用優勢體現

1.1.1高效的編程效率優勢

MATLA主要是應用于商業的數學軟件，也是當前比較流行的數學軟件，對數據分析以及可視化和算法的開發能發揮積極作用。主要分成MATLAB和Simulink重要部分。這一軟件的功能優勢比較突出，如鏈接庫模塊的封裝，以及通過邏輯表達式控制有效變量，Communications System Toolbo Sphere解碼器和Constellation框圖系統對象等，MATLAB軟件都支持。從對MATLAB的應用情況來看，其自身也有著鮮明的優勢，高效編程效率是比較突出的。MATLAB應用軟件流程控制語句和C語言相比較比較簡單，在運算表達上也比較靈活，這對初學者的學習效率提高就有著保障，并且也比較方便修改等。

1.1.2優化的人機界面優勢

MATLAB應用軟件的優勢還體現在人機界面層面，其桌面環境集成了命令窗口以及工作空間瀏覽器等界面內容，能夠為用戶提供良好文字處理功能。這一優化的人機界面和接近數學表達式的自然化語言，對使用者的學習效率提高和快速的掌握就提供了條件。對專門領域也開發了強大功能的模塊集以及工具箱，應用評估就不用自己編寫代碼，工具箱中的模塊應用也比較方便。

1.1.3處理能力優越優勢

MATLAB應用軟件包含著諸多計算算法集合，這就為數字處理工作的開展提供了保障。有六千多工程中的數學運算函數都囊括其中，所以在計算處理的能力是比較強大的。函數所使用的算法也是科研以及工程計算的最新研究成果，經過容錯處理以及優化處理，就能代替底層編輯語言，常見的有C語言和C++語言等。從簡單函數到復雜函數都包含其中，能進行多維數組的操作和建模仿真等。

1.1.4圖形處理和擴展優勢

MATLAB應用軟件在圖形處理能力上比較突出，能方便數據可視化，能把向量以及矩陣通過圖形進行表現，并進行二維或者是三維的可視化。這樣在科學計算以及工程繪圖當中就能發揮很大促進作用。圖形功能的逐漸完善下，也有著特殊要求，如圖形對話等，這些都能通過MATLAB應用軟件加以實現。另外，對于MATLAB軟件的可擴展性強的優勢也表現比較突出，允許用戶開發某一應用領域第三方工具箱等。這些優勢的體現就使得MATLAB應用軟件的應用范圍比較廣泛。

1.2MATLAB系統結構組成

1.2.1開發環境系統

MATLAB系統結構是多個子系統構成的，開發環境是比較重要的組成部分。這是方便用戶使用的函數以及文件工具集，諸多工具是圖形化用戶的借口，是集成用戶工作空間，能有效提供M文件集成編譯以及調試環境。其中包含的內容比較多樣，如命令窗口以及在線幫助文檔等諸多的內容。

1.2.2語言系統

MATLAB系統組成中的語言是比較關鍵的部分，這是高級的基于矩陣的語言，程序流控制以及函數等都是其比較有特色的特征，通過這一矩陣或者數組的語言方式，對迅速建立簡單運行快的程序就有著積極作用，不僅如此，也能建立復雜程序。

1.2.3應用程序接口系統

MATLAB應用軟件的應用程序接口組成部分，這是使得MATLAB語言和其他高級編程語言交互的函數數據庫，在動態鏈接庫的應用下能有效實現文件數據交換。

1.2.4圖形處理系統

這一子系統主要就是實現矩陣以及向量的圖形化呈現，以及標注和打印等。

2基于MATLAB的數字信號處理算法理論和平臺架構

2.1數字信號處理算法理論簡述

數字信號的處理過程中，通過對MATLAB軟件的應用就能發揮積極作用，對數字信號處理的探討，先對算法處理理論基礎進行簡要的闡述，以便更好的理解數字信號處理的價值。先是對濾波器方案的選擇，濾波是信號處理的基礎，信號當中都會帶有無用的信號，濾波器就能夠把信號當中干擾的部分進行清理，然后對有價值的信號加以篩選，結合數字濾波器單位脈沖響應的時域特性，就能把數字濾波器分成不同的類型，有FIR有限長沖擊響應濾波器以IIR無限長沖擊響應濾波器，前者系統函數極點位于原點，通過較高階數能實現優良選擇，成本就比較大。后者可低階數實現較好選頻特性，存儲單元也相對少。

對數字濾波實現的方法就要運用到相應算法，其中的FFT算法是比較常用的，實際數字信號處理算法以及系數分析和設計實現當中，DFT發揮著關鍵性作用。DFD是可計算變換，對其進行改善需要對WNnk周期性以及對稱性加以利用。其算法主要原理就是把單長度為N序列離散傅里葉變換，分解成短序列離散傅里葉變化進行計算。把序列分成N2長度為N1小序列，通過對小N1點的利用，組成大DFT。這樣就能將編號中的n以及k編成如下算法式：endprint

2.1基于MATLAB的數字信號處理平臺架構

數字信號的處理過程中，對MATLAB軟件的應用能大大提高處理效率。MATLAB數字信號處理平臺的構架（如圖1所示）。是對USB數據采集卡傳輸到上位機數據的數字信號處理，進行換算成集裝箱堆高數據，并在GUI界面進行顯示。MATLAB軟件的應用在數字信號處理中不能對USB接口直接數據操作，為能獲得原始數據，就要通過M文件作為主要程序接口，從而實現數據信號的讀寫操作，對數字信號實時處理。處理中通過調用數字信號處理函數來對多通道數據分別處理，設置數字信號處理參數，最后將結果輸出。進行數據獲得的時候，主要是調用M文件來接收USB接口傳輸數據。M文件是動態鏈接子程序，被多種硬件接口控制，能實現MATLAB功能實現部分調用。而其編譯的環境主要是通過C++語言設計的，主要的配置如在Linker選項下附加庫目錄中加入MATLAB的＼extern＼lib/win32＼microsoft路徑。

入口程序以及文件控制實現方面，其入口程序主要提供MATLAB和M控制實現部分軟件接口，入口函數有幾個重要參數nrhs，prhs，nlhs，plhs。此次設計當中物輸入參數，故此該數列是空。而在控制實現層面主要是進行調用USB驅動模塊，將USB設備打開之后對其發送控制命令實施數據讀取，然后把讀取數據寫入緩沖區當中。主要的流程就是先進行創建USB設備對象，然后調用VendorlD，ProductID等函數獲得對象信息，監測設備是不是連接上位機成功，對open函數進行調用，并打開USB設備，接著對ControlEndPt函數進行調用創建控制端點對象，設置其屬性向設備發送VenderCMD進行存儲采樣數據。進行創建初始大小數組，把采樣數據存入緩沖區數組當中。

3數字信號處理中MATLAB的應用

對數字信號的處理過程中，采用MATLAB軟件主要就是獲得多通道采樣數據，并對數字信號處理，對各通道的數字信號頻率值進行獲取。要充分重視多通道采樣數據整理工作，在M文件完成對USB數據讀取以及存儲后，就會獲得原始數據。所獲得的數據是交織起來的，單個采樣數據長度是十六位，其中的D[7：0]是數據位，D[10：8]是地址位，D[15：ll]是零。這就需要對各通道信號信息進行獲取，要對原始數據加以分類整理，結合單個采樣數據的格式，根據地址位不同把每個通道數據放入到各自數組當中，對各通道數據后續數字的信號加以處理。

MATLAB軟件應用對數字信號的實際處理過程中，信號處理工具就給出多種型號的數字濾波器設計函數，設計中就可對這些函數進行直接調用。在諸多的數字濾波器設計函數當中的Butterworth型通常是帶有內等波紋，阻帶內單調。而對于橢圓濾波器阻帶以及通帶內是等波紋，通帶到阻帶過度的速度就較為迅速，所給性能指標當中，橢圓濾波器能以低階數試下，這樣就能發揮橢圓濾波器的積極優勢。通過其進行設計函數就能夠得到：[N，Wn]=ellipord（Wp，Ws，Rp，Rs）；[b，a]=ellip（n，Rp，Rs，Wn）；[b，a]=ellip（n，Rp，Rs，Wn，ftype}。在這一函數式當中的Wn就是歸一化頻率，而[b，a]=ellip（n，Rp，Rs，Wn）設計截止頻率就是Wn的n階橢圓數字低通濾波器。對濾波器設計完成之后，就要進行輸入相應濾波算法，在對MATLAB軟件的應用下，對信號處理工具箱所給的濾波函數算法，就能進行計算。計算的方式如下：

y=filter（b，a，x）這一計算式子當中y就是濾波后輸出的結果序列，而x就是輸入信號序列，以及b、a就是濾波器傳遞函數分子以及分母系數向量。在這一濾波過程在差分方程的表達方面是：a（l）*Y（n）=b（l）*x（n）+b（2）*x（n-l）+…+b（nb+l）*x（n-nb）-a（2）*y（n-1）+···+a（na+1）*y（n-na）。對于原始數字的濾波處理前，就要先把模擬頻率轉換成數字頻率，進行仿真得到橢圓濾波器需要階數N是六階。為能夠對濾波器應用的有效加以驗證，就可通過一疊低頻干擾正弦波采樣信號模擬隨機信號，來對濾波器性能實施仿真測試。如果是輸入原始信號是lOKHz低頻信號和140KHZ高頻疊加，濾波前后輸入輸出信號幅值低于截止頻率第分量信號被濾波，智能通過140KHZ高頻信號。

MATLAB軟件在復雜的模型處理當中進行應用能發揮積極作用。數字信號處理通過系統函數求解，采用工具箱中的梅森公式加以應用，進行求取復雜的函數，這就能大大提高計算的效率。MATLAB的軟件應用就能大大提高計算的準確率。將MATLAB在數字信號處理當中的應用，就要能充分注重保障其處理程序的規范性，這樣才能保障信號處理的整體質量。MATLAB軟件應用中，對數字信號處理調用M文件得到USB接口傳輸到上位機數據，把通道數據放入各自數組當中，為減少此次程序干擾信號，就進行設置閾值電壓判斷機制，結合采樣數據換算電壓幅值有助后續數字信號處理工作正常開展。

對于MATLAB軟件的應用過程當中，軟件的界面設計是通過幾個重要部分組成的，其中的控制按鈕控件以及參數設計編輯框等，都要能結合實際的應用進行完善設計，發揮其積極作用。對濾波器的設計也要注重方法的科學掌握，調用MATLAB信號處理工具箱函數，通過窗函數法對濾波器加以確定，從MATLAB中來產生窗函數，主要就有矩形窗以及三角窗和漢寧窗等等。例如海寧窗的調用格式就是w=hanning（n），根據長度n產生一個漢寧窗w。

4結語

綜上所述，對數字信號處理的效率提高，就要選擇高效的應用軟件，MATLAB軟件的應用就能發揮積極作用，其與高級語言程序相比有著比較突出的優勢，能進行快捷方柏霓設計嚴格線性相位系統，能有效節省編程時間，大大提高編程的效率。通過此次對MATLAB軟件應用的情況研究，就能為數字信號處理的效率提高提供相應參考。

參考文獻

[1]段文斌.對數字信號處理技術的應用和發展的探討[J].電子測試，2017（06）.

[2]于東亮.數字信號處理技術的發展與探討[J].電子技術與軟件工程，2016（13）.

[3]王志強.數字信號處理的發展[J].電子制作，2015（01）.

[4]陳文靈.數字信號處理技術的發展及其思考[J].電子技術與軟件工程，2015（01）.

[5]李影.淺析數字信號處理的發展與應用[J].科技與企業，2015（13）.

[6]孫炳.關于數字信號處理技術的應用與發展研究[J].信息通信，2015（07）.endprint