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2课程概要 SignalProcessingBlockset6.0f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3Simulink工作原理 每个Simulink模块都可以表示成输入信号，输出信号以及内部状态之间的关系，如下图所示： 在某个时刻，Simulink模块的内部状态由两部分组成：连续状态和离散状态，且，此时输出信号，连续状态的导数，离散状态。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。uyxx状态u输入y输出txcxdxdcxxx+=),,(0uxtfy=),,('uxtfxdc=),,(1uxtfxudk=+4SignalProcessingBlockset打开SignalProcessingBlockset的方法是在MATLAB的命令窗口中键入：dsplib5库SignalProcessingSinks：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。SignalProcessingSources：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。MathFunctions：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。6库（续）PlatformSpecificI/O：包含多种模块，用于执行32-bitWindows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。SignalManagement：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）。SignalOperations：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。7采样)()(sanTxnx=离散信号模拟信号采样时间模拟信号源：电磁、音频、声纳和生物医学采样sampling8混叠Msff2香农采样定理：Msff2Msff2≤原始信号和采样信号有相同的频率采样信号混叠入（1/2×原始频率）sampling_15hzsampling_slow9信号格式 离散时间信号可以被处理为：f基于采样的信号（Sample-based）f基于帧的信号（Frame-based） 根据信号源的个数，可以分为：f单通道信号（Single-channel）f多通道信号（Multi-channel）10基于采样的处理和基于帧的处理 基于采样的处理 基于帧的处理处理开销获取采样数据time获取16个采样数据处理开销time等待延迟11为什么要进行基于帧的处理？ 快速的仿真f较低的数据通信开销f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12信号的表示基于帧多通道单通道基于采样374382078011146268Ch1Ch2Ch31stSample2ndSample3rdSample4thSample5thSample6thSample帧矩阵826011stSample2ndSample3rdSample4thSample5thSampleCh1帧矩阵t=1t=4t=3t=2t=520168Ch1Ch2Ch3t=1t=2t=3t=4t=5t=630178621834640178213使用信号源来创建一个基于帧的信号列向量:100×1frame_source14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_buffer15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：fDSPsinewavefGainfVectorScope把模型转换成基于帧的形式，比较两个模型的仿真速度。simple_samplesimple_frameopen('frame_vs_sample.m')16创建一个模型：使用VectorScope模块使用VectorScope来观察基于帧的信号双击VectorScope模块，改变相关参数。右击轴，改变轴和线的属性。17使用SignalSource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18使用HorizontalConcatenation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_cat19使用SpectrumScope模块对信号进行可视化分析 在模型中增加一个spectrumscope模块 使用一个buffer模块把正弦波的帧长度改为64 把仿真的stoptime改为infmultich_spectrum20使用SpectrumScope模块对信号进行可视化分析（续） 双击SpectrumScope，编辑scope的参数； 改变各种参数，观察效果；ScopeProperties:设置输入buffersize、overlap和FFTlength；DisplayProperties:改变显示选项，比如grid、legend和persistence；AxisProperties:设置频率、幅度范围和幅度比例；LineProperties:改变线的显示方式，比如标志、风格和颜色；产生信号21使用定点数据类型 如果安装SimulinkFixedPoint，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。22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 TrendingfDetrendf直方图23示例：相关xyβα+−=)()(dnxnymultipathcorr24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。medianfilter25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VectorScopes来显示频域输入信号；26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27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（没有平均）psd_periodogram28窗函数模块 使用SignalOperations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。29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时域window_effect30参数方法周期图法的分辨率：•1Hz/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parametric31滤波库 SignalProcessingBlockset的滤波库（Filteringlibrary）提供了一系列模块用于分析、设计和实现滤波器。32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：fDigitalFilterDesign模块–用来设计、分析和实现滤波器；fDigitalFilter模块–用来实现预先设计好的滤波器；fFilterRealizationWizard模块–使用Sum,Gain和UnitDelay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。33模拟滤波器设计 使用AnalogFilterDesign模块可以设计和实现Butterworth,ChebyshevtypeI,ChebyshevtypeII,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_analog34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babynoise35多速率滤波器multifilter36小结 SignalProcessingBlockset6.0f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37推荐几个网址@hirain.com38THANKYOU!