信號處理仿真與應(yīng)用概述第1章

信號處理仿真與應(yīng)用概述第2章MWORKS概述

第3章

信號生成和預(yù)處理第4章

測量和特征提取第5章

變換、相關(guān)性和建模第6章

數(shù)字和模擬濾波器第7章

頻譜分析第8章

綜合實驗案例全套可編輯PPT課件

第1章信號處理仿真與應(yīng)用概述Overviewofsignalprocessingsimulationandapplication引言“”信號處理是一種處理和分析信號的技術(shù)和方法。信號可以是任何隨時間變化的數(shù)據(jù)，如聲音、圖像、視頻等。信號處理的目標(biāo)是從原始信號中提取有用的信息，進行分析、處理、傳輸或壓縮，以便更好地理解信號的特性或?qū)崿F(xiàn)特定的應(yīng)用。本課件是可編輯的正常PPT課件引言MATLAB信號處理工具箱主要用途是對已產(chǎn)生的信號進行分析和處理，包括濾波、去重、頻率分析等，是一種專業(yè)性很強的領(lǐng)域型工具箱。目前除了MATLAB的一些專業(yè)性很強的工具箱還無法被替代，MATLAB的大部分常用功能都可以在Python世界中找到相應(yīng)的擴展庫。MWORKS.Syslab信號處理工具箱是一個功能強大的軟件包，旨在為工程師等研究人員提供一套全面的工具，用于處理和分析各種類型的信號數(shù)據(jù)。MATLAB信號處理工具箱Python信號處理工具箱Syslab信號處理工具箱開源軟件的發(fā)展推動了行業(yè)創(chuàng)新和科技進步。Python語言以其簡潔性、易讀性以及可擴展性，用于科學(xué)計算研究日益增多。Python完全免費，眾多開源的科學(xué)計算庫都提供了Python的調(diào)用接口。用戶可以在任何計算機上免費安裝Python及其絕大多數(shù)擴展庫。Python標(biāo)準(zhǔn)庫命名接口清晰、文檔良好，很容易學(xué)習(xí)和使用。Python社區(qū)提供了大量的第三方模塊，使用方式與標(biāo)準(zhǔn)庫類似。它們的功能無所不包，覆蓋科學(xué)計算、Web開發(fā)、數(shù)據(jù)庫接口、圖形系統(tǒng)多個領(lǐng)域，并且大多成熟而穩(wěn)定。

本課件是可編輯的正常PPT課件MATLAB信號處理工具箱MATLABSignalProcessingToolbox該工具箱提供了一些函數(shù)和App，用來分析、預(yù)處理及提取均勻和非均勻采樣信號的特征。該工具箱包含可用于濾波器設(shè)計和分析、重采樣、平滑處理、去趨勢和功率譜估計的工具，還提供了提取特征、尋找波峰和信號模式、量化信號相似性以及執(zhí)行SNR和失真等測量的功能。本課件是可編輯的正常PPT課件Python信號處理工具箱本課件是可編輯的正常PPT課件MWORKS.Syslab信號處理工具箱是一個功能強大的軟件包，旨在為工程師、科學(xué)家和研究人員提供一套全面的工具，用于處理和分析各種類型的信號數(shù)據(jù)。以下是信號處理工具箱的功能概況：MWORKS.Syslab信號處理工具箱信號生成和預(yù)處理測量和特征提取頻譜分析數(shù)字和模擬濾波器圖1-1使用

sgolayfilt對隨機信號進行平滑處理圖1-2

尋找信號局部極大值圖1-5

彩色噪聲信號的互功率譜密度變換、相關(guān)性和建模圖1-4帶阻巴特沃斯濾波器圖1-3使用hilbert函數(shù)提取包絡(luò)本課件是可編輯的正常PPT課件第2章MWORKS概述

OverviewofMWORKSMWORKS科學(xué)計算和系統(tǒng)建模仿真MWORKS是同元軟控全新推出的新一代科學(xué)計算和系統(tǒng)建模仿真一體化基礎(chǔ)平臺，基于高性能科學(xué)計算語言Julia和多領(lǐng)域統(tǒng)一建模規(guī)范Modelica，MWORKS為科研和工程計算人員提供了交互式科學(xué)計算和建模仿真環(huán)境，實現(xiàn)了科學(xué)計算環(huán)境Syslab與系統(tǒng)建模仿真環(huán)境Sysplorer的雙向融合，可滿足各行業(yè)在設(shè)計、建模、仿真、分析、優(yōu)化等方面的業(yè)務(wù)需求。本課件是可編輯的正常PPT課件MWORKS科學(xué)計算和系統(tǒng)建模仿真MWORKS.Syslab基于Julia語言提供交互式編程環(huán)境的完備功能。Syslab支持多范式統(tǒng)一編程，通過資源管理器、代碼編輯器等功能，提供了功能完備的交互式編程、調(diào)試與運行環(huán)境。提供線性代數(shù)、信號處理、通信等高質(zhì)量、高性能科學(xué)計算函數(shù)?？茖W(xué)計算環(huán)境MWORKS.Syslab本課件是可編輯的正常PPT課件Julia編程基礎(chǔ)變量Julia語言中，變量是與某個值相關(guān)聯(lián)的名字，可以用它來保存一個值，供之后的代碼使用。數(shù)組Julia語言中，數(shù)組是一種支持多樣化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的容器，能夠存儲各種類型的元素，且具有可變類型的特性。函數(shù)與其他科學(xué)計算語言類似，Julia支持各種數(shù)學(xué)函數(shù)，且支持自定義函數(shù)，對代碼簡潔性和復(fù)用性有很大作用?？刂屏鱆ulia中提供了大量的流程控制構(gòu)件，例如復(fù)合表達式、條件表達式、短路求值和異常處理等。數(shù)據(jù)可視化Julia可視化的函數(shù)有很多，包括TyPlot、TyImages、TyGeoGraphics等。外部函數(shù)調(diào)用Julia擁有強大的交互性，可以直接調(diào)用利用C/C++或Python語言封裝的庫函數(shù)，提高編程效率。本課件是可編輯的正常PPT課件MWORKS.Syslab基本功能軟件界面Syslab界面布局主要由六塊構(gòu)成：工具欄Ribbon：用于提供平臺快捷操作按鈕。左側(cè)邊欄：用于提供不同的功能部件。命令窗口：用于終端交互。工作區(qū)：用于提供全局變量列表的顯示與管理。文檔顯示：用于查看函數(shù)說明。狀態(tài)欄：用于提示狀態(tài)信息。本課件是可編輯的正常PPT課件MWORKS.Syslab基本功能在Syslab中可以通過包管理器直接管理注冊庫與開發(fā)庫，如左圖所示。注冊庫包含我們現(xiàn)已安裝的第三方工具箱，開發(fā)庫包含同元的商業(yè)工具箱。工具箱加載在Syslab中，最基礎(chǔ)的程序形式是腳本，其中包含一系列與命令行中輸入的命令相等的命令。腳本構(gòu)建本課件是可編輯的正常PPT課件MWORKS.Syslab基本功能Syslab提供代碼調(diào)試器，支持對代碼文件的單步調(diào)試、斷點調(diào)試、添加監(jiān)視、查看調(diào)用堆棧等，并提供交互式調(diào)試控制臺。腳本調(diào)試Syslab繪圖頁中具備多種類型圖形繪制功能，可直接選擇變量進行繪制，如左圖所示。結(jié)果后處理本課件是可編輯的正常PPT課件第3章信號生成和預(yù)處理Signalgenerationandpreprocessing信號生成和預(yù)處理“信號生成和預(yù)處理是信號處理中的重要環(huán)節(jié)，它涉及信號的產(chǎn)生、采集、處理和分析等方面。在信號處理中，信號的質(zhì)量和準(zhǔn)確性往往取決于信號的生成和預(yù)處理過程。信號生成和預(yù)處理的目的是提高信號的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，以便后續(xù)的信號處理和分析能夠更加準(zhǔn)確和有效。在本部分中，將介紹基于MWORKS的信號生成和預(yù)處理實例，包括平滑和去噪、波形生成兩部分。本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理函數(shù)名簡介hampel使用Hampel標(biāo)識符去除異常值medfilt1一維中值濾波sgolaySavitzky-Golay濾波器設(shè)計sgolayfiltSavitzky-Golay濾波平滑和去噪平滑和去噪中使用到的MWORKS函數(shù)如下表所示。本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理例：中值濾波的噪聲抑制生成采樣頻率為100Hz持續(xù)時間為1秒的正弦信號。添加更高頻率的正弦信號來模擬噪聲。使用10階中值濾波器來平滑信號,并繪制結(jié)果，如下圖所示。圖3-1中值濾波平滑信號本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理例：對數(shù)據(jù)去趨勢測量的信號可能顯示數(shù)據(jù)中非固有的整體模式。這些趨勢有時會妨礙數(shù)據(jù)分析，因此必須進行去趨勢。以具有不同趨勢的兩種心電圖(ECG)信號為例。ECG信號對電源干擾等擾動很敏感。加載信號并繪制它們。圖3-2去趨勢前后的ECG信號第一個繪圖上的信號顯示線性趨勢。第二個信號的趨勢是非線性的。要去線性趨勢，需要使用函數(shù)detrend。要去非線性趨勢，需要對信號進行低階多項式擬合并減去它。通過圖3-2可以看到信號的基線已不再偏移，它們現(xiàn)在可用于進一步處理。本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理例：從信號中去除60Hz干擾美國和其他幾個國家的交流電以60Hz的頻率振蕩。這些振蕩通常會破壞測量結(jié)果，在處理信號時必須將其減去。在存在60Hz電力線噪聲的情況下，研究模擬儀器的輸入的開環(huán)電壓。電壓采樣頻率為1kHz。圖3-3開環(huán)電壓原始數(shù)據(jù)本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理例：從信號中去除60Hz干擾使用巴特沃斯陷波濾波器消除60Hz噪聲。使用designfilt設(shè)計該濾波器。陷波的寬度定義為59至61Hz的頻率區(qū)間。濾波器至少去除該范圍內(nèi)頻率分量的一半功率。用filtfilt對信號進行濾波，以補償濾波器延遲。注意振蕩是如何顯著減少的。圖3-4濾波之后開環(huán)電壓本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理例：從信號中去除60Hz干擾圖3-5能量譜使用周期圖可以看到60Hz的“峰值”已去除。本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理例：去除信號中的峰值有時數(shù)據(jù)會出現(xiàn)不必要的瞬變（即峰值）。中位數(shù)濾波是消除它的好方法。以存在60Hz電線噪聲時模擬儀器輸入的開環(huán)電壓為例。采樣率為1kHz。函數(shù)medfilt1將信號的每個點替換為該點和指定數(shù)量的鄰點的中位數(shù)。因此，中位數(shù)濾波會丟棄與其周圍環(huán)境相差很大的點。通過使用三個鄰點的集合計算中位數(shù)來對信號進行濾波。圖3-6添加了峰值的開環(huán)電壓圖3-7中位數(shù)濾波之后的開環(huán)電壓本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理函數(shù)名簡介chirp掃頻余弦gauspuls高斯調(diào)制正弦射頻脈沖pulstran脈沖序列tripuls采樣的非周期性三角形波形生成在MWORKS中，可以運用chirp生成線性、二次和對數(shù)chirp。使用square、rectpuls和sawtooth創(chuàng)建方波、矩形波和三角形波。一些常見的生成波形的函數(shù)如下表所示：本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理例：脈沖函數(shù)和階躍函數(shù)可以用下列傳遞函數(shù)表示連續(xù)時間系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)：對于這個例子，創(chuàng)建一個tf模型來表示傳遞函數(shù)。可以類似地繪制其他動態(tài)系統(tǒng)模型類型的脈沖響應(yīng)，例如零極增益(zpk)或狀態(tài)空間(ss)模型。圖3-8沖激響應(yīng)圖本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理例：脈沖函數(shù)和階躍函數(shù)階躍函數(shù)在系統(tǒng)分析中也具有重要作用，特別是在連續(xù)時間和離散時間系統(tǒng)中。系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)是系統(tǒng)對階躍函數(shù)輸入的響應(yīng)。通過對系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)進行積分操作，可以計算出系統(tǒng)對任意輸入信號的響應(yīng)。階躍函數(shù)在信號處理中經(jīng)常用于定義信號的啟動時間、模擬開關(guān)操作以及定義系統(tǒng)的開啟時間。圖3-9階躍響應(yīng)曲線圖本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理例：生成常見的周期性波形借助

TySignalProcessing

，可以生成常見的周期性波形。生成

10

個周期的基本頻率為50Hz的鋸齒波和方波。采樣率為1kHz。圖3-10鋸齒波信號圖3-11方波信號本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理例：生成常見的非周期性波形生成具有線性瞬時頻率偏差的噪音,計算并繪制chirp的時域圖。噪音以1kHz的采樣頻率采樣2秒。瞬時頻率在t=0時為0，在t=1秒時跨越250Hz。圖3-12chirp時域圖本課件是可編輯的正常PPT課件信號生成和預(yù)處理例：生成常見的非周期性波形使用gauspuls繪制帶寬為60%的50kHz高斯射頻脈沖,以10MHz的速率采樣。截斷包絡(luò)低于峰值40dB的脈沖。并繪制正交脈沖和RF信號包絡(luò)。圖3-13高斯射頻脈沖本課件是可編輯的正常PPT課件第4章測量和特征提取Measurementandfeatureextraction測量和特征提取“測量信號的常見不同特征包括定位信號波峰并確定其高度、寬度和與鄰點的距離；測量時域特征，如峰間幅值和信號包絡(luò)；測量脈沖指標(biāo)，如過沖和占空比。在頻域中，測量基頻、均值頻率、中位數(shù)頻率和諧波頻率、通道帶寬和頻帶功率。通過測量無亂真動態(tài)范圍、信噪比、總諧波失真、信號與噪聲失真比和三階截斷能夠有效地表征系統(tǒng)。在本部分中，將介紹基于MWORKS的測量和特征提取實例，包括描述性統(tǒng)計量、脈沖和躍遷指標(biāo)兩部分。本課件是可編輯的正常PPT課件測量和特征提取描述性統(tǒng)計量例：測量信號相似性比較具有不同采樣率的信號假設(shè)有一個音頻信號數(shù)據(jù)庫和一個模式匹配應(yīng)用程序，您需要在歌曲播放時識別該歌曲。數(shù)據(jù)通常以低采樣率存儲，以占用較少的內(nèi)存。子圖一和子圖二顯示來自數(shù)據(jù)庫的模板信號。子圖三顯示要在數(shù)據(jù)庫中搜索的信號。僅觀察時間序列，該信號似乎與兩個模板信號都不匹配。經(jīng)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，這些信號實際上具有不同的長度和采樣率。圖3-14不同采樣率的信號本課件是可編輯的正常PPT課件測量和特征提取在數(shù)字信號處理技術(shù)中，峰值特征的精確分析對于理解和優(yōu)化信號的質(zhì)量至關(guān)重要。本案例提供了如何在MWORKS中通過Julia語言實現(xiàn)確定峰寬。findpeaks是MATLAB中一個非常有用的函數(shù)，它用于尋找一維數(shù)據(jù)中的局部最大值（峰值）。此函數(shù)不僅可以找到峰值，還可以返回有關(guān)這些峰值的詳細(xì)信息，例如它們的寬度、高度和相對于其他特征的重要性。在Syslab函數(shù)庫TySignalProcessing中也對應(yīng)提供了函數(shù)findpeaks，用于返回包含輸入信號向量data的局部極大值（峰值）的向量。例：確定峰寬本課件是可編輯的正常PPT課件測量和特征提取例：確定峰寬（1）語法：findpeaks查找局部極大值。（2）找到向量的峰值：定義一個有三個峰值的向量。接下來找到局部極大值。峰值按出現(xiàn)順序輸出。第一個樣本不包括在內(nèi)，盡管是最大值。對于平峰，函數(shù)返回索引最低的全部點。圖3-15標(biāo)記峰值本課件是可編輯的正常PPT課件測量和特征提取例：周期波形的RMS值此示例說明如何使用rms求方波和矩形脈沖序列的均方根(RMS)值。此示例中的波形是連續(xù)時間對應(yīng)波形的離散時間版本。創(chuàng)建一個周期為0.1秒的周期方波。方波值在?2和2之間振蕩。圖3-16周期方波計算RMS值：y=rms(x)運行結(jié)果為2.0，實際值與理論值一致。本課件是可編輯的正常PPT課件測量和特征提取例：周期波形的RMS值用以下參數(shù)創(chuàng)建一個以1kHz采樣的矩形脈沖序列：脈沖開啟或等于1，持續(xù)0.025秒；關(guān)閉或等于0，持續(xù)0.075秒；間隔0.1秒。這意味著脈沖周期為0.1秒，脈沖開啟時間為該間隔的1/4。這被稱為占空比。使用pulstran創(chuàng)建矩形脈沖序列。圖3-17周期矩形脈沖波計算RMS值：y=rms(x)運行結(jié)果為0.5007。本課件是可編輯的正常PPT課件測量和特征提取脈沖和躍遷指標(biāo)生成矩形脈沖波形并計算其占空比?？梢詫⒕匦蚊}沖波形視為一連串的開啟和關(guān)閉狀態(tài)。一個脈沖周期涵蓋了開啟和關(guān)閉狀態(tài)的總時長。脈沖寬度指的是開啟狀態(tài)的持續(xù)時間。占空比即為脈沖寬度與脈沖周期的比例。矩形脈沖的占空比量化了一個脈沖周期內(nèi)脈沖處于開啟狀態(tài)的時間比例。例：矩形脈沖波形的占空比本課件是可編輯的正常PPT課件測量和特征提取例：矩形脈沖波形的占空比創(chuàng)建一個采樣頻率為1千兆赫的矩形脈沖。當(dāng)脈沖處于開啟狀態(tài)（數(shù)值為1）時，其持續(xù)時間為1微秒。當(dāng)脈沖處于關(guān)閉狀態(tài)（即數(shù)值為0）時，其持續(xù)時間為3微秒。圖3-18創(chuàng)建矩形脈沖波形圖3-19繪制矩形脈沖波形并計算占空比使用相同的采樣率和脈沖周期，以循環(huán)方式將脈沖開啟時間（脈寬）從1微秒更改到3微秒，計算占空比。繪制循環(huán)中每步的脈沖波形。占空比隨著脈沖寬度的增加從0.25增加到0.75。本課件是可編輯的正常PPT課件第5章變換、相關(guān)性和建模Transformation,Correlation,andModeling變換、相關(guān)性和建?！靶盘柕姆治鎏幚磉^程中，變換、相關(guān)性和建模是常見的三種操作。信號的變換包括快速傅里葉變換(FFT)、離散余弦變換(DCT)、Hilbert變換等；相關(guān)性包括自相關(guān)和互相關(guān)，及通過相關(guān)性研究信號的周期性、相似性等方法；建模主要包括線性預(yù)測和自回歸建模。在本部分中，將介紹基于MWORKS的信號變換、相關(guān)性和建模實例，主要介紹變換、相關(guān)性和卷積兩部分。本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模函數(shù)名簡介czt線性調(diào)頻Z變換dftmtx離散傅里葉變換矩陣envelope信號包絡(luò)dct離散余弦變換hilbertHilbert變換的離散時間分析信號變換變換中使用到的部分MWORKS函數(shù)如下表所示。本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：提取信號包絡(luò)以envelope（）包絡(luò)函數(shù)為例，說明如何提取信號的包絡(luò)。首先創(chuàng)建雙邊帶振幅調(diào)制信號。載波頻率為1kHz。調(diào)制頻率為50Hz。調(diào)制深度為100%。采樣率為10kHz。得到如下圖所示的信號圖像。圖3-20雙邊帶振幅調(diào)制信號圖本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：提取信號包絡(luò)使用hilbert函數(shù)提取包絡(luò)。包絡(luò)是由hilbert計算的解析信號的幅值。繪制包絡(luò)和原始信號。將函數(shù)的名稱-值對組參量存儲在元胞數(shù)組中，供以后使用。分析信號的幅值捕獲信號的緩慢變化特性，而相位包含高頻信息。圖3-21使用hilbert函數(shù)提取包絡(luò)本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：提取信號包絡(luò)還可以使用

envelope

函數(shù)直接生成信號包絡(luò)并修改其計算方式。圖3-22使用

envelope

函數(shù)直接生成信號包絡(luò)本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：ChirpZ變換此示例說明使用y=czt（x，m，w，a）返回x沿由w定義的z平面上的螺旋輪廓的長度m，線性調(diào)頻ChirpZ變換（CZT），該等值線由z=a*w.^-（0：m-1）。使用默認(rèn)值m、w和a，czt返回x在單位圓周圍m個等距點處的Z變換，結(jié)果等效于ty_fft(x)給出的x的離散傅里葉變換(DFT)。圖3-23使用窗口法設(shè)計一個30階低通FIR濾波器。指定1kHz的采樣率和125Hz的截止頻率。計算濾波器的DFT和CZT。將CZT的頻率范圍限制在75到175Hz之間的頻段。在每種情況下生成1024個樣本。圖3-23ChirpZ變換本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：Hilbert變換希爾伯特變換可用于形成解析信號。解析信號在通信領(lǐng)域中很有用，尤其是在帶通信號處理中。工具箱函數(shù)hilbert計算實數(shù)輸入序列x的希爾伯特變換，并返回相同長度的復(fù)數(shù)結(jié)果，即y=hilbert(x)，其中y的實部是原始實數(shù)數(shù)據(jù)，虛部是實際希爾伯特變換。圖3-24希爾伯特變換本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：余弦解析信號此示例說明如何確定分析信號。該示例還表明，對應(yīng)于余弦的解析信號的虛部是具有相同頻率的正弦波。如果余弦具有非零均值，則解析信號的實部是具有相同均值的原始余弦，但虛部的均值為零。創(chuàng)建頻率為100Hz的余弦函數(shù)。采樣率為10kHz。將2.5的直流偏移量添加到余弦函數(shù)。使用hilbert函數(shù)獲取解析信號。實部等于原始信號。虛部是原始信號的希爾伯特變換。繪制實部和虛部以便比較。圖3-25余弦解析信號的實部和虛部本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：余弦解析信號圖3-26復(fù)值解析信號的10個周期繪制復(fù)值解析信號的10個周期，如下圖所示。本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模函數(shù)名簡介corrmtx自相關(guān)矩陣估計的數(shù)據(jù)矩陣corrmtx二維互相關(guān)cconv模n循環(huán)卷積convmtx卷積矩陣alignsignals通過延遲最早的信號來對齊兩個信號相關(guān)性和卷積相關(guān)性和卷積中使用到的MWORKS函數(shù)如下表所示。本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：將信號與不同開始時間對齊在進行信號集成時，確保數(shù)據(jù)的同步是至關(guān)重要的，尤其是在涉及多個傳感器異步采集數(shù)據(jù)的情況下。因為如果數(shù)據(jù)沒有正確同步，可能會導(dǎo)致混淆和錯誤的結(jié)果。SignalProcessingToolbox?提供了一系列功能強大的函數(shù)，可以幫助用戶實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。圖3-27具有不同開始時間的信號s1、s2、s3本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：將信號與不同開始時間對齊通過調(diào)用`alignsignals`函數(shù)，我們能夠?qū)⑿盘枌R，確保它們的時間軸一致。該函數(shù)會調(diào)整較早到達的信號，使其與最晚到達的信號（即信號`s3`）的時間相匹配，以此作為對齊的基準(zhǔn)。x1,x3=alignsignals(s1,s3);圖3-28對齊信號本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：回聲抵消語音記錄包含了由墻壁反射造成的回聲。采用自相關(guān)技術(shù)可將其濾除。在錄音文件中，可以聽到一個人清晰地說出了“MATLAB”這個單詞。相應(yīng)的音頻數(shù)據(jù)已按照7418Hz的采樣率加載。為了模擬錄音中的回聲效果，我們采用了以下模型：將原始信號x(n)與其經(jīng)過時延Δ和衰減α的副本相加，得到處理后的信號y(n)。具體地，我們設(shè)定了0.23秒的時延和0.5的衰減系數(shù)，因此模型可以表示為：y(n)=x(n)+0.5*x(n-Δ)，其中Δ對應(yīng)于0.23秒的時延在采樣率下的樣本數(shù)。圖3-29繪制原始信號、回波信號和結(jié)果信號本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：回聲抵消為了獲得信號自相關(guān)的無偏估計，我們執(zhí)行了相應(yīng)的計算。隨后，我們選取并展示了自相關(guān)函數(shù)中滯后大于零的部分，以便于進一步分析和理解信號的時序特性。圖3-30展示自相關(guān)函數(shù)中滯后大于零的部分本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：回聲抵消自相關(guān)函數(shù)在回波到達的特定滯后時間點顯示出明顯的峰值。為了消除這一回聲干擾，我們采用了一個無限沖擊響應(yīng)（IIR）濾波系統(tǒng)對信號進行處理。該系統(tǒng)的輸出w(n)遵循如下差分方程：w(n)+αw(n-Δ)=y(n)，其中α表示衰減系數(shù)，Δ是回波的時延。通過這種濾波方式，我們能夠有效地去除錄音中的回聲成分。圖3-31消除回聲干擾繪制濾波后的信號并與原始信號進行比較。本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：樣本自相關(guān)的置信區(qū)間圖3-32白噪聲自相關(guān)序列95%置信區(qū)間此示例說明如何為白噪聲過程的自相關(guān)序列創(chuàng)建置信區(qū)間。創(chuàng)建長度為L=1000個采樣點的白噪聲過程的實現(xiàn)。計算最大滯后為20的樣本自相關(guān)。繪制白噪聲過程的樣本自相關(guān)和大約95%的置信區(qū)間。本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：移動平均過程的自相關(guān)圖3-33樣本自相關(guān)與理論自相關(guān)此示例說明如何通過濾波將自相關(guān)引入白噪聲過程。當(dāng)我們在隨機信號中引入自相關(guān)時，我們操縱其頻率成分。移動平均濾波器衰減信號的高頻分量，有效地平滑信號。為3點移動平均濾波器創(chuàng)建脈沖響應(yīng)。用濾波器濾除*N*（0,1）白噪聲序列。將隨機數(shù)生成器設(shè)置為默認(rèn)設(shè)置，以獲得可重現(xiàn)的結(jié)果。獲得20滯后的偏差樣本自相關(guān)。繪制樣本自相關(guān)以及理論自相關(guān)。本課件是可編輯的正常PPT課件變換、相關(guān)性和建模例：移動平均過程的自相關(guān)圖3-34原始信號和濾波信號的功率譜密度的Welch估計值樣本自相關(guān)捕獲了理論自相關(guān)的一般形式，即使兩個序列在細(xì)節(jié)上不一致。在這種情況下，很明顯，濾波器僅在滯后時引入了顯著的自相關(guān)[-2,2]。序列的絕對值在該范圍之外迅速衰減為零。要查看頻率含量是否受到影響，請繪制原始信號和濾波信號的功率譜密度的Welch估計值。本課件是可編輯的正常PPT課件第6章數(shù)字和模擬濾波器DigitalandAnalogFilters數(shù)字和模擬濾波器“濾波器在數(shù)字信號處理中起著至關(guān)重要的作用，它們被廣泛應(yīng)用于信號處理、通信、音頻處理以及許多其他領(lǐng)域。本書中介紹了如何設(shè)計、分析和實現(xiàn)FIR、IIR濾波器，并展示如何可視化濾波器的幅值、相位、群延遲、脈沖和階躍響應(yīng)等指標(biāo)，評價濾波器的性能。最后介紹了模數(shù)濾波器轉(zhuǎn)換的常用方法。在本部分中，將介紹基于MWORKS的數(shù)字和模擬濾波器實例，主要介紹數(shù)字濾波器設(shè)計、模擬濾波器設(shè)計兩部分。本課件是可編輯的正常PPT課件數(shù)字和模擬濾波器函數(shù)名簡介butter巴特沃斯濾波器設(shè)計cheby1ChebyshevTypeIfilterdesignfir1基于窗函數(shù)的FIR濾波器設(shè)計fir2Frequencysampling-basedFIRfilterdesigndigitalFilterDigitalfilter數(shù)字濾波器設(shè)計數(shù)字濾波器包括FIR、IIR、加窗、最小二乘、巴特沃斯、切比雪夫、橢圓等。數(shù)字濾波器設(shè)計函數(shù)包括IIR濾波器，F(xiàn)IR濾波器以及濾波器實用工具。數(shù)字濾波器設(shè)計中使用到的部分MWORKS函數(shù)如下表所示。本課件是可編輯的正常PPT課件數(shù)字和模擬濾波器例：IIR濾波器設(shè)計工具箱提供五種不同類型的經(jīng)典IIR濾波器，它們各有所長。Butterworth濾波器提供理想低通濾波器在模擬頻率Ω=0和Ω=∞處的響應(yīng)的最佳泰勒級數(shù)逼近；ChebyshevI類濾波器從通帶到阻帶的過渡比Butterworth濾波器更快。圖3-35Butterworth濾波器幅頻響應(yīng)圖3-36ChebyshevI類濾波器幅頻響應(yīng)本課件是可編輯的正常PPT課件數(shù)字和模擬濾波器例：IIR濾波器設(shè)計ChebyshevⅡ類濾波器阻帶不像I型濾波器那樣快地逼近零。它的優(yōu)勢在于通帶中沒有波紋；橢圓濾波器在通帶和阻帶中均采用等波紋。在給定濾波器階數(shù)n、以分貝為單位的通帶波紋Rp、阻帶波紋RS的情況下，橢圓濾波器可以使過渡寬度最小。圖3-37ChebyshevⅡ類濾波器幅頻響應(yīng)圖3-38橢圓濾波器幅頻響應(yīng)本課件是可編輯的正常PPT課件數(shù)字和模擬濾波器例：IIR濾波器設(shè)計模擬Bessel低通濾波器在零頻率處具有最大平坦度的群延遲，并且在整個通帶內(nèi)保持幾乎恒定的群延遲。因此，濾波后的信號在通帶頻率范圍內(nèi)保持其波形。相比其他濾波器，Bessel濾波器通常需要更高的階數(shù)才能獲得理想的阻帶衰減。圖3-39模擬Bessel低通濾波器幅頻響應(yīng)本課件是可編輯的正常PPT課件數(shù)字和模擬濾波器例：FIR濾波器設(shè)計在Syslab的函數(shù)庫TySignalProcessing中，提供了fir1函數(shù)用于實現(xiàn)基于窗口的濾波器設(shè)計。設(shè)計一個通帶為0.35π≤ω≤0.65πrad/sample的48階FIR帶通濾波器。可視化其幅度和相位響應(yīng)。圖3-40FIR帶通濾波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)本課件是可編輯的正常PPT課件數(shù)字和模擬濾波器例：FIR濾波器設(shè)計加載chirp.mat。該文件包含一個信號y，其大部分功率高于Fs/4，或奈奎斯特頻率的一半。采樣率為8192Hz。設(shè)計一個34階FIR高通濾波器以衰減低于Fs/4的信號分量。使用0.48的截止頻率和具有30dB紋波的切比雪夫窗口。圖3-41FIR高通濾波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)本課件是可編輯的正常PPT課件數(shù)字和模擬濾波器例：FIR濾波器設(shè)計過濾信號。顯示原始信號和高通濾波信號。對兩個圖使用相同的y軸比例。圖3-43顯示原始信號和低通濾波信號設(shè)計一個具有相同規(guī)格的低通濾波器。過濾信號并將結(jié)果與原始結(jié)果進行比較。對兩個圖使用相同的

y軸比例。圖3-42顯示原始信號和高通濾波信號本課件是可編輯的正常PPT課件數(shù)字和模擬濾波器例：FIR濾波器設(shè)計設(shè)計一個46階FIR濾波器，衰減低于0.4πrad/sample和介于0.6π和0.9πrad/sample之間的歸一化頻率。稱之為bM。重新設(shè)計bM使其通過它正在衰減的頻段并停止其他頻率。調(diào)用新濾波器bW。顯示濾波器的頻率響應(yīng)。圖3-44顯示濾波器的頻率響應(yīng)本課件是可編輯的正常PPT課件數(shù)字和模擬濾波器例：FIR濾波器設(shè)計使用Hann窗重新設(shè)計bM。（“DC-0”是可選的。）比較Hamming和Hann設(shè)計的幅度響應(yīng)。圖3-46比較Hamming和Tukey設(shè)計的幅度響應(yīng)使用Tukey窗口重新設(shè)計bW。比較Hamming和Tukey設(shè)計的幅度響應(yīng)。圖3-45比較Hamming和Hann設(shè)計的幅度響應(yīng)本課件是可編輯的正常PPT課件數(shù)字和模擬濾波器函數(shù)名簡介besself貝塞爾模擬濾波器設(shè)計freqs數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)buttap巴特沃斯濾波器原型cheb1ap切比雪夫（Chebyshev）I型模擬低通濾波器原型ellipap橢圓模擬低通濾波器原型模擬濾波器設(shè)計模擬濾波器中使用到的部分MWORKS函數(shù)如下表所示。本課件是可編輯的正常PPT課件數(shù)字和模擬濾波器例：模擬IIR低通濾波器的比較TySignalProcessing是一個Julia庫，用于高效處理信號，包括信號生成、轉(zhuǎn)換、濾波、特征提取等。它提供了一系列函數(shù)用于MATLAB樣式的IIR濾波器設(shè)計。諸如butter，cheby2，ellip，besself等函數(shù)用于信號處理。本例子主要模擬IIR各低通濾波器的比較，包括Butterworth濾波器、ChebyshevI型及II型濾波器、橢圓濾波器和貝塞爾濾波器。圖3-47比較濾波器的衰減本課件是可編輯的正常PPT課件第7章頻譜分析Spectralanalysis頻譜分析“頻譜分析是一種將復(fù)雜信號分解為較簡單信號的技術(shù)。許多物理信號均可以表示為許多不同頻率簡單信號的和，找出一個信號在不同頻率下的信息（如振幅、功率、強度或相位等）的做法即為頻譜分析。頻譜分析的目的是把復(fù)雜的時間歷程波形，經(jīng)過傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究，以獲得信號的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波和相位信息。在本部分中，將介紹基于MWORKS的頻譜分析實例，包括頻譜估計、子空間方法、加窗法三部分。本課件是可編輯的正常PPT課件頻譜分析函數(shù)名簡介cpsd互功率譜密度findpeaks查找局部極大值tfestimate傳遞函數(shù)估計db將能量或功率測量值轉(zhuǎn)換為分貝db2mag將分貝(dB)轉(zhuǎn)換為幅度頻譜估計頻譜估計包含功率譜、相干性、窗口等，信號處理工具箱提供一系列頻譜分析函數(shù)用于表征信號的頻率成分，其中部分MWORKS函數(shù)如下表所示。本課件是可編輯的正常PPT課件頻譜分析例：使用FFT獲得功率頻譜密度估計此示例說明如何使用periodogram和fft函數(shù)獲得非參數(shù)化功率譜密度(PSD)估計。對于一個采樣率為1kHz的偶數(shù)長度信號，分別使用fft和periodogram獲得其周期圖，比較二者的結(jié)果。圖3-48非參數(shù)化功率譜密度估計(fft)圖3-49非參數(shù)化功率譜密度估計(periodogram)本課件是可編輯的正常PPT課件頻譜分析加窗法在MWORKS.Syslab中點擊APP選項卡，選擇WindowDesigner，打開窗設(shè)計器應(yīng)用程序。該程序能夠設(shè)計和分析頻譜窗，例如顯示一個或多個窗的時域和頻域表示。使用窗設(shè)計器設(shè)計指定長度為128的Bohman窗，并將其導(dǎo)出至Syslab工作區(qū)，如右圖所示。圖3-50Bohman窗本課件是可編輯的正常PPT課件頻譜分析例：切比雪夫窗切比雪夫窗是一種在數(shù)字信號處理中使用的窗口函數(shù)。它是基于切比雪夫多項式設(shè)計的，用于減少譜泄露和頻譜的主瓣寬度，同時控制旁瓣水平。生成并顯示一個50點切比雪夫窗口，旁瓣衰減為40dB。chebyshevT(n,x)表示點x處的第一類第n次Chebyshev多項式。圖3-5150點切比雪夫窗口本課件是可編輯的正常PPT課件頻譜分析例：切比雪夫窗fvtool函數(shù)可用于顯示和分析濾波器的響應(yīng)、系數(shù)和其他信息。通過fvtool函數(shù)可以查看：幅值響應(yīng)、相位響應(yīng)、群延遲、階躍響應(yīng)、零極點圖、濾波系數(shù)、濾波信息等。在新窗口中打開濾波器可視化工具，并顯示濾波器系數(shù)，如右圖所示。圖3-52濾波器幅頻響應(yīng)本課件是可編輯的正常PPT課件第8章綜合實驗案例Comprehensiveexperimentalcase引言“本實驗旨在通過采集人體運動時各傳感器的信息，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)處理和數(shù)字信號處理技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行分析和處理，實現(xiàn)一些相關(guān)的應(yīng)用。通過對人體運動時各傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，學(xué)習(xí)信號處理的基本概念和技術(shù)，并應(yīng)用于運動估計、姿態(tài)估計和步數(shù)計數(shù)等方面。數(shù)據(jù)采集軟件：SensorLog，用于采集傳感器數(shù)據(jù)。傳感器：加速度傳感器、磁力計、陀螺儀、高度計、無偏性設(shè)備運動傳感器、壓強傳感器和溫度傳感器。數(shù)據(jù)處理和分析軟件：Matlab和MWorks。本課件是可編輯的正常PPT課件手機MEMS傳感器“”MEMS傳感器，全稱Micro-Electro-MechanicalSystems（微型電子機械系統(tǒng)），是一種將微加工技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合的新型傳感器。它通過微電子技術(shù)將機械結(jié)構(gòu)集成到一個芯片上，具有微型化、集成化和高性能的特點，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如航空航天、汽車工業(yè)和消費電子等。其中，手機MEMS傳感器是智能手機中不可或缺的關(guān)鍵組件，它包括光線傳感器、距離傳感器和加速度傳感器等，賦予了智能手機更多功能和應(yīng)用場景。本課件是可編輯的正常PPT課件Sensorlog軟件SensorLog是一個集多種傳感器數(shù)據(jù)為一體，并能夠進行機器仿真學(xué)習(xí)的軟件，可以得出該程序所在設(shè)備所處環(huán)境的加速度計數(shù)據(jù)、陀螺儀數(shù)據(jù)、聲音分貝數(shù)據(jù)、實時海拔、GPS定位等。使用SensorLog記錄人體行走的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可導(dǎo)出.csv文件。該軟件功能如左圖所示。本課件是可編輯的正常PPT課件加速度計數(shù)據(jù)處理加速度傳感器是一種測量物體運動時所產(chǎn)生的加速力的電子設(shè)備，加速力是在物體進行加速運動時產(chǎn)生的作用在物體自身的力。加速度傳感器獲取的是如右圖中所示的x、y、z三軸的加速度數(shù)值，該數(shù)值包含重力的影響，單位是m/s2。由于在地球上的物體總會固定受到自身重力的影響，因此手機內(nèi)置加速度傳感器的讀數(shù)總會包含重力加速度的讀數(shù)。圖4-1

智能手機嵌入式傳感器的坐標(biāo)系本課件是可編輯的正常PPT課件加速度計數(shù)據(jù)處理圖4-2

智能手機內(nèi)置的嵌入式加速度傳感器圖4-3

幾種高端平臺使用的加速度傳感器本課件是可編輯的正常PPT課件加速度計數(shù)據(jù)處理加速度傳感器記錄的是智能手機設(shè)備關(guān)于時間的各方向加速度，包括合加速度、線性加速度以及重力加速度。我們利用從智能手機的加速度傳感器中獲取到的原始數(shù)據(jù)流可以分析使用者的不同動作。在本例中，使用MWORKS處理加速度計數(shù)據(jù)并進行可視化分析：圖4-4

加速度計的數(shù)據(jù)圖4-5

前500個數(shù)據(jù)的加速度數(shù)據(jù)變化本課件是可編輯的正常PPT課件加速度計數(shù)據(jù)處理通過分析加速度傳感器數(shù)據(jù)的峰值，我們可以判斷人體的步行或跑步動作，并計算步數(shù)。圖4-6

前500個數(shù)據(jù)的整體加速度數(shù)據(jù)變化圖4-7

步數(shù)估計圖4-8

前500個點的步數(shù)估計本課件是可編輯的正常PPT課件陀螺儀數(shù)據(jù)處理陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或兩個軸的角運動檢測裝置。它的功能是：測量圍繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角速度以計算圍繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度。與加速度傳感器類似，陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)也為三軸數(shù)據(jù)，其可以通過三個軸的聯(lián)合數(shù)據(jù)來檢測手機的各種動作。三軸陀螺儀的原理圖如右圖所示。圖4-9

陀螺儀傳感器原理圖本課件是可編輯的正常PPT課件陀螺儀數(shù)據(jù)處理圖4-10

幾款智能設(shè)備上的三軸陀螺儀傳感器本課件是可