MATLAB在数字信号处理中的应用

　　随着我国的科学技术水平进一步提高，诸多领域都应用到了数字信号，对信号的处理以及获得有价值的信息，都能促进应用领域的发展，对数字信号处理学科的进一步发展也有着促进作用。通过对MATLAB的应用，能提高对数字信号处理的质量和效率，这也是对现代数字电子技术发展基础。本文先就MATLAB的应用优势和数字信号处理算法理论简要阐述，然后对基于MATLAB的数字信号处理平台架构和处理目标详细分析，最后对数字信号处理中MATLAB的应用进行探究。希冀能通过此次理论研究，对数字信号处理中MATLAB的应用效率提高起到促进作用。

　　【关键词】数字信号MATLAB应用

　　MATLAB是当前比较流行的工程类交互式可视化应用软件，有着比较先进的计算环境和算法，对数字信号处理以及数值分析等，都能发挥积极重要作用。MATLAB计算软件的功能比较强大，用户操作界面也比较大方，对多种硬件平台数学计算应用软件适应，所以在应用的价值层面也比较突出。

　　1MATLAB的应用优势和系统结构组成

　　1.1MATLAB的应用优势体现

　　1.1.1高效的编程效率优势

　　MATLA主要是应用于商业的数学软件，也是当前比较流行的数学软件，对数据分析以及可视化和算法的开发能发挥积极作用。主要分成MATLAB和Simulink重要部分。这一软件的功能优势比较突出，如链接库模块的封装，以及通过逻辑表达式控制有效变量，CommunicationsSystemToolboSphere解码器和Constellation框图系统对象等，MATLAB软件都支持。从对MATLAB的应用情况来看，其自身也有着鲜明的优势，高效编程效率是比较突出的。MATLAB应用软件流程控制语句和C语言相比较比较简单，在运算表达上也比较灵活，这对初学者的学习效率提高就有着保障，并且也比较方便修改等。

　　1.1.2优化的人机界面优势

　　MATLAB应用软件的优势还体现在人机界面层面，其桌面环境集成了命令窗口以及工作空间浏览器等界面内容，能够为用户提供良好文字处理功能。这一优化的人机界面和接近数学表达式的自然化语言，对使用者的学习效率提高和快速的掌握就提供了条件。对专门领域也开发了强大功能的模块集以及工具箱，应用评估就不用自己编写代码，工具箱中的模块应用也比较方便。

　　1.1.3处理能力优越优势

　　MATLAB应用软件包含着诸多计算算法集合，这就为数字处理工作的开展提供了保障。有六千多工程中的数学运算函数都囊括其中，所以在计算处理的能力是比较强大的。函数所使用的算法也是科研以及工程计算的最新研究成果，经过容错处理以及优化处理，就能代替底层编辑语言，常见的有C语言和C++语言等。从简单函数到复杂函数都包含其中，能进行多维数组的操作和建模仿真等。

　　1.1.4图形处理和扩展优势

　　MATLAB应用软件在图形处理能力上比较突出，能方便数据可视化，能把向量以及矩阵通过图形进行表现，并进行二维或者是三维的可视化。这样在科学计算以及工程绘图当中就能发挥很大促进作用。图形功能的逐渐完善下，也有着特殊要求，如图形对话等，这些都能通过MATLAB应用软件加以实现。另外，对于MATLAB软件的可扩展性强的优势也表现比较突出，允许用户开发某一应用领域第三方工具箱等。这些优势的体现就使得MATLAB应用软件的应用范围比较广泛。

　　1.2MATLAB系统结构组成

　　1.2.1开发环境系统

　　MATLAB系统结构是多个子系统构成的，开发环境是比较重要的组成部分。这是方便用户使用的函数以及文件工具集，诸多工具是图形化用户的借口，是集成用户工作空间，能有效提供M文件集成编译以及调试环境。其中包含的内容比较多样，如命令窗口以及在线帮助文档等诸多的内容。

　　1.2.2语言系统

　　MATLAB系统组成中的语言是比较关键的部分，这是高级的基于矩阵的语言，程序流控制以及函数等都是其比较有特色的特征，通过这一矩阵或者数组的语言方式，对迅速建立简单运行快的程序就有着积极作用，不仅如此，也能建立复杂程序。

　　1.2.3应用程序接口系统

　　MATLAB应用软件的应用程序接口组成部分，这是使得MATLAB语言和其他高级编程语言交互的函数数据库，在动态链接库的应用下能有效实现文件数据交换。

　　1.2.4图形处理系统

　　这一子系统主要就是实现矩阵以及向量的图形化呈现，以及标注和打印等。

　　2基于MATLAB的数字信号处理算法理论和平台架构

　　2.1数字信号处理算法理论简述

　　数字信号的处理过程中，通过对MATLAB软件的应用就能发挥积极作用，对数字信号处理的探讨，先对算法处理理论基础进行简要的阐述，以便更好的理解数字信号处理的价值。先是对滤波器方案的选择，滤波是信号处理的基础，信号当中都会带有无用的信号，滤波器就能够把信号当中干扰的部分进行清理，然后对有价值的信号加以筛选，结合数字滤波器单位脉冲响应的时域特性，就能把数字滤波器分成不同的类型，有FIR有限长冲击响应滤波器以IIR无限长冲击响应滤波器，前者系统函数极点位于原点，通过较高阶数能实现优良选择，成本就比较大。后者可低阶数实现较好选频特性，存储单元也相对少。

　　对数字滤波实现的方法就要运用到相应算法，其中的FFT算法是比较常用的，实际数字信号处理算法以及系数分析和设计实现当中，DFT发挥着关键性作用。DFD是可计算变换，对其进行改善需要对WNnk周期性以及对称性加以利用。其算法主要原理就是把单长度为N序列离散傅里叶变换，分解成短序列离散傅里叶变化进行计算。把序列分成N2長度为N1小序列，通过对小N1点的利用，组成大DFT。这样就能将编号中的n以及k编成如下算法式：2.1基于MATLAB的数字信号处理平台架构

　　数字信号的处理过程中，对MATLAB软件的应用能大大提高处理效率。MATLAB数字信号处理平台的构架（如图1所示）。是对USB数据采集卡传输到上位机数据的数字信号处理，进行换算成集装箱堆高数据，并在GUI界面进行显示。MATLAB软件的应用在数字信号处理中不能对USB接口直接数据操作，为能获得原始数据，就要通过M文件作为主要程序接口，从而实现数据信号的读写操作，对数字信号实时处理。处理中通过调用数字信号处理函数来对多通道数据分别处理，设置数字信号处理参数，最后将结果输出。进行数据获得的时候，主要是调用M文件来接收USB接口传输数据。M文件是动态链接子程序，被多种硬件接口控制，能实现MATLAB功能实现部分调用。而其编译的环境主要是通过C++语言设计的，主要的配置如在Linker选项下附加库目录中加入MATLAB的＼extern＼lib/win32＼microsoft路径。

　　入口程序以及文件控制实现方面，其入口程序主要提供MATLAB和M控制实现部分软件接口，入口函数有几个重要参数nrhs，prhs，nlhs，plhs。此次设计当中物输入参数，故此该数列是空。而在控制实现层面主要是进行调用USB驱动模块，将USB设备打开之后对其发送控制命令实施数据读取，然后把读取数据写入缓冲区当中。主要的流程就是先进行创建USB设备对象，然后调用VendorlD，ProductID等函数获得对象信息，监测设备是不是连接上位机成功，对open函数进行调用，并打开USB设备，接着对ControlEndPt函数进行调用创建控制端点对象，设置其属性向设备发送VenderCMD进行存储采样数据。进行创建初始大小数组，把采样数据存入缓冲区数组当中。

　　3数字信号处理中MATLAB的应用

　　对数字信号的处理过程中，采用MATLAB软件主要就是获得多通道采样数据，并对数字信号处理，对各通道的数字信号频率值进行获取。要充分重视多通道采样数据整理工作，在M文件完成对USB数据读取以及存储后，就会获得原始数据。所获得的数据是交织起来的，单个采样数据长度是十六位，其中的D[7：0]是数据位，D[10：8]是地址位，D[15：ll]是零。這就需要对各通道信号信息进行获取，要对原始数据加以分类整理，结合单个采样数据的格式，根据地址位不同把每个通道数据放入到各自数组当中，对各通道数据后续数字的信号加以处理。

　　MATLAB软件应用对数字信号的实际处理过程中，信号处理工具就给出多种型号的数字滤波器设计函数，设计中就可对这些函数进行直接调用。在诸多的数字滤波器设计函数当中的Butterworth型通常是带有内等波纹，阻带内单调。而对于椭圆滤波器阻带以及通带内是等波纹，通带到阻带过度的速度就较为迅速，所给性能指标当中，椭圆滤波器能以低阶数试下，这样就能发挥椭圆滤波器的积极优势。通过其进行设计函数就能够得到：[N，Wn]=ellipord（Wp，Ws，Rp，Rs）；[b，a]=ellip（n，Rp，Rs，Wn）；[b，a]=ellip（n，Rp，Rs，Wn，ftype}。在这一函数式当中的Wn就是归一化频率，而[b，a]=ellip（n，Rp，Rs，Wn）设计截止频率就是Wn的n阶椭圆数字低通滤波器。对滤波器设计完成之后，就要进行输入相应滤波算法，在对MATLAB软件的应用下，对信号处理工具箱所给的滤波函数算法，就能进行计算。计算的方式如下：

　　y=filter（b，a，x）这一计算式子当中y就是滤波后输出的结果序列，而x就是输入信号序列，以及b、a就是滤波器传递函数分子以及分母系数向量。在这一滤波过程在差分方程的表达方面是：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）。对于原始数字的滤波处理前，就要先把模拟频率转换成数字频率，进行仿真得到椭圆滤波器需要阶数N是六阶。为能够对滤波器应用的有效加以验证，就可通过一叠低频干扰正弦波采样信号模拟随机信号，来对滤波器性能实施仿真测试。如果是输入原始信号是lOKHz低频信号和140KHZ高频叠加，滤波前后输入输出信号幅值低于截止频率第分量信号被滤波，智能通过140KHZ高频信号。

　　MATLAB软件在复杂的模型处理当中进行应用能发挥积极作用。数字信号处理通过系统函数求解，采用工具箱中的梅森公式加以应用，进行求取复杂的函数，这就能大大提高计算的效率。MATLAB的软件应用就能大大提高计算的准确率。将MATLAB在数字信号处理当中的应用，就要能充分注重保障其处理程序的规范性，这样才能保障信号处理的整体质量。MATLAB软件应用中，对数字信号处理调用M文件得到USB接口传输到上位机数据，把通道数据放入各自数组当中，为减少此次程序干扰信号，就进行设置阈值电压判断机制，结合采样数据换算电压幅值有助后续数字信号处理工作正常开展。

　　对于MATLAB软件的应用过程当中，软件的界面设计是通过几个重要部分组成的，其中的控制按钮控件以及参数设计编辑框等，都要能结合实际的应用进行完善设计，发挥其积极作用。对滤波器的设计也要注重方法的科学掌握，调用MATLAB信号处理工具箱函数，通过窗函数法对滤波器加以确定，从MATLAB中来产生窗函数，主要就有矩形窗以及三角窗和汉宁窗等等。例如海宁窗的调用格式就是w=hanning（n），根据长度n产生一个汉宁窗w。

　　4结语

　　综上所述，对数字信号处理的效率提高，就要选择高效的应用软件，MATLAB软件的应用就能发挥积极作用，其与高级语言程序相比有着比较突出的优势，能进行快捷方柏霓设计严格线性相位系统，能有效节省编程时间，大大提高编程的效率。通过此次对MATLAB软件应用的情况研究，就能为数字信号处理的效率提高提供相应参考。

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    作者：赵海君