详解MATLAB 数字信号处理.pdf

MATLAB 仿真与应用系列丛书 详解 MATLAB 数字 信号处理 张德丰 编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书首先介绍 MATLAB 的发展史及影响、MATLAB 的基本运算等，使读者对 MATLAB 有一个概略的了解。然后系统论述数字信号处理的基本概念、工作原理及在工程中的算法。精选科学和工程计算中常用的多个算法，全部采用了 MATLAB 语言编程实现，并结合实例对算法程序进行验证和分析。其中详细讲解了信号的分析基础、系统模型及数据采集分析、信号的变换、模拟滤波器、IIR 滤波器设计、FIR 滤波器、MATLAB 的其他滤波器、随机信号及参数建模、信号在小波分析与处理中的应用等，最后举例介绍 MATLAB 在数字信号中的具体应用。本书可作为通信、电子等相关专业高年级本科生和研究生的学习用书，也可供从事数字信号处理的工程设计人员参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 详解 MATLAB 数字信号处理张德丰编著.北京：电子工业出版社，2010.6（MATLAB 仿真与应用系列丛书）ISBN 978-7-121-10994-2 I.详.张.数字信号信号处理计算机辅助计算软件包，MATLAB.TN911.72 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2010）第 100235 号 责任编辑：陈韦凯 特约编辑：李玉昌 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871092 1/16 印张：23 字数：588 千字 印 次：2010 年 6 月第 1 次印刷 印 数：4000 册 定价：45.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。前 言 MATLAB 最初主要用于矩阵数值的计算，随着它的版本的不断升级，其功能越来越强大，应用范围也越来越广阔。如今，MATLAB 已经发展成为国际上非常流行的科学与工程计算语言之一，它使用方便、输入简捷、运算高效、内容丰富，是高等院校理工科教学和科研中常用且必不可少的工具之一，掌握 MATLAB 已经成为相关专业本科生、研究生和教师的必备技能。MATLAB 是一种工程计算的高级语言。美国的 MathWorks 公司自 1984 年推出它的 DOS版本后，又推出了它的 Windows 版本，并且不断推出更新的版本，使得 MATLAB 的涵盖领域越来越广，到目前为止，已经有仿真工具 Simulink 及其他如自动控制、信号处理、图像处理、神经网络、模式识别、小波分析、数理统计、生物信息等 30 多个工具箱。由于其灵活的编程方法和极高的编程效率，加上其在用户界面和功能上的不断扩展，自推出以来，日益受到广大高校师生和科研人员的青睐。本书是作者结合数字信号处理理论和 MATLAB 操作技术，提供给读者的一本实践性很强的工具书。本书介绍数字信号处理基本原理的同时，非常重视信号处理的实现问题，对所有例子都给出了具体实现的 MATLAB 程序。把理论与仿真实验结合在一起，既突出了理论的物理概念，又使读者能在实践中掌握数字信号处理的基本概念、基本方法和基本应用，达到学以致用的目的，起到事半功倍的效果。本书共分为 11 章。第 1 章是 MATLAB 概述，介绍 MATLAB 的发展史及影响，MATLAB 的基本运算等，使读者对 MATLAB 有一个概略的了解；第 2 章介绍信号的分析基础，如时间信号及采样定理、连续时间信号在 MATLAB 中的运算、离散时间信号在 MATLAB 中的运算等；第 3 章介绍系统模型及数据采集分析，包括系统数学模型、数据采集过程等内容；第 4 章介绍信号的变换，涉及 Z 变换、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换等内容；第 5 章介绍模拟滤波器，包括模拟滤波器的基本概念、模拟滤波器的原型设计等内容；第 6 章介绍 IIR 滤波器设计，包括 IIR 滤波结构、常用模拟低通滤波器特性等；第 7 章介绍 FIR 滤波器，包括 FIR 滤波器的结构、线性相位 FIR数字滤波器的特性等内容；第 8 章介绍 MATLAB 的其他滤波器，如自适应滤波器、格型滤波器、线性预测滤波器；第 9 章介绍随机信号及参数建模，包括随机信号基本处理、随机信号的相关函数和协方差等内容；第 10 章是小波分析在信号处理中的应用，包括信号的小波变换、信号重构、信号分析等内容；第 11 章总结介绍 MATLAB 在数字信号中的应用。本书结构紧凑，仿真示例丰富，同时力求图文并茂，文字流畅，使之成为学习和使用MATLAB 进行数字信号处理仿真研究的有价值的参考书之一。当然，在编写的过程中，错误或疏漏之处在所难免，敬请各位读者批评指正。本书可作为高等工科院校通信、电子信息、计算机、信息工程、自动控制等相关专业的本科及研究生教材，也可供从事信号处理相关工作的科技工作者参考。本书主要由张德丰负责编写。参与图书编写及源程序校对、调试等工作的还有雷小平、周燕、周灵、崔如春、李娅、栾颖、刘志为和周品等。为便于读者学习，本书免费提供程序的源代码，读者可通过登录华信教育资源网（）查找本书下载。编著者 2010 年 3 月 V目 录 第 1 章 MATLAB 概述 1 1.1 MATLAB 简介 1 1.1.1 MATLAB 的发展史及影响 1 1.1.2 MATLAB 的功能特点2 1.1.3 MATLAB R2009a 的新特点3 1.2 MATLAB 的用户界面4 1.2.1 MATLAB 命令窗口4 1.2.2 MATLAB 命令历史窗口 5 1.2.3 MATLAB 工作内存浏览器窗口5 1.2.4 MATLAB 的当前目录窗口 6 1.2.5 MATLAB 的 M 编辑窗口8 1.3 变量及赋值9 1.3.1 标识符与数据格式 9 1.3.2 矩阵及其元素的赋值9 1.4 MATLAB 的矩阵运算15 1.4.1 矩阵的加减法15 1.4.2 矩阵的乘除16 1.4.3 MATLAB 索引或引用17 1.4.4 数组操作和矩阵操作19 1.4.5 布尔数组操作19 1.5 M 文件的类型 21 1.5.1 数据文件21 1.5.2 M 文件21 1.6 MATLAB 程序结构流24 1.6.1 顺序结构流24 1.6.2 选择结构流25 1.6.3 循环结构流28 1.7 MATLAB 的数据结构30 1.8 MATLAB 的帮助系统35 1.8.1 联机帮助系统介绍 35 1.8.2 命令帮助系统介绍 36 第 2 章 信号分析基础39 2.1 时间信号及采样定理39 2.1.1 时间信号39 2.1.2 采样定理41 2.2 信号的产生44 2.3 连续时间信号在 MATLAB 中的运算52 VI2.3.1 信号的时移、反折和尺度变换52 2.3.2 连续时间信号的微分与积分运算53 2.3.3 信号的相加与相乘运算54 2.3.4 信号的奇偶分解 55 2.4 连续时间 LTI 系统的时域分析57 2.4.1 连续时间系统零输入响应和零状态响应的符号求解分析57 2.4.2 连续时间系统零状态响应的数值求解分析58 2.4.3 连续时间系统冲激响应和阶跃响应分析60 2.4.4 利用卷积积分法求系统的零状态响应61 2.5 离散时间信号在 MATLAB 中的运算63 2.5.1 离散时间信号的基本运算63 2.5.2 离散时间系统的响应64 2.5.3 离散时间系统的单位取样响应65 2.5.4 离散时间信号的卷积和运算68 2.6 信号抽样及抽样定理70 2.6.1 信号抽样分析70 2.6.2 抽样定理分析72 2.6.3 信号重建分析73 第 3 章 系统模型及数据采集分析77 3.1 系统数学模型77 3.2 系统的状态变量分析85 3.2.1 状态方程与系统函数之间的转换85 3.2.2 状态方程的变换域符号求解分析88 3.2.3 状态方程的时域符号求解分析92 3.2.4 系统方程的数值求解分析93 3.3 数据采集过程95 3.3.1 创建一个设备对象 95 3.3.2 获取或输出数据 97 3.4 函数参考100 3.4.1 创建设备对象100 3.4.2 获取并设置属性 101 3.4.3 处理数据104 3.4.4 获取信息和帮助 105 3.4.5 综合应用109 第 4 章 信号的变换114 4.1 Z 变换114 4.1.1 Z 变换定义114 4.1.2 Z 变换的性质114 4.1.3 Z 反变换 115 4.1.4 Z 变换的 MATLAB 实现116 VII4.2 离散傅里叶变换118 4.2.1 周期序列和傅里叶级数118 4.2.2 离散傅里叶变换介绍118 4.2.3 离散傅里叶变换的性质120 4.2.4 离散傅里叶变换参数对频率分辨率的影响127 4.3 快速傅里叶变换129 4.3.1 快速傅里叶变换（FFT）的性质 129 4.3.2 快速傅里叶变换及其应用138 4.3.3 运用快速傅里叶变换进行简单滤波 141 4.4 离散余弦变换143 4.5 Chirp Z 变换145 4.6 离散希尔伯特变换147 第 5 章 模拟滤波器150 5.1 模拟滤波器的基本概念 150 5.2 模拟滤波器的原型设计 152 5.2.1 巴特沃思滤波器 152 5.2.2 切比雪夫滤波器 154 5.2.3 贝塞尔滤波器158 5.2.4 椭圆滤波器160 5.3 频率变换161 5.4 模拟滤波器离散化分析 166 5.4.1 冲激响应不变法分析166 5.4.2 双线性变换法分析 168 5.5 模拟滤波器的最小阶数选择169 5.5.1 巴特沃思模拟滤波器阶数选择函数 169 5.5.2 切比雪夫型模拟滤波器阶数选择函数170 5.5.3 切比雪夫型模拟滤波器阶数选择函数171 5.6 模拟滤波器的性能测试 172 5.7 模拟滤波器的设计176 5.7.1 模拟滤波器设计步骤176 5.7.2 模拟滤波器设计函数177 第 6 章 IIR 滤波器设计185 6.1 IIR 滤波器结构185 6.1.1 直接型185 6.1.2 级联结构与并联结构187 6.2 常用模拟低通滤波器特性196 6.2.1 振幅平方函数196 6.2.2 模拟滤波器原型 196 6.3 从模拟滤波器设计 IIR 滤波器 206 6.3.1 脉冲响应不变法 206 VIII6.3.2 双线性变换法209 6.4 IIR 滤波器的设计方法212 6.4.1 经典设计法212 6.4.2 直接设计法215 6.5 高通滤波器的设计217 6.5.1 模拟低通数字高通变换217 6.5.2 数字低通数字高通变换219 第 7 章 FIR 滤波器220 7.1 FIR 滤波器的结构220 7.1.1 直接型结构220 7.1.2 级联型结构220 7.1.3 频率抽样型结构 221 7.1.4 快速卷积型结构 225 7.2 线性相位 FIR 数字滤波器的特性225 7.2.1 线性相位 FIR 滤波器幅度特性226 7.2.2 线性相位 FIR 滤波器零点特性231 7.3 基本窗函数法的 FIR 滤波器设计232 7.3.1 窗函数的原理232 7.3.2 矩形窗234 7.3.3 汉宁窗235 7.3.4 海明窗236 7.3.5 布莱克曼窗238 7.3.6 凯赛窗239 7.4 频率取样的 FIR 滤波器设计 242 7.4.1 约束条件242 7.4.2 设计误差242 7.5 最优的 FIR 滤波器设计247 7.5.1 一般最优滤波器 247 7.5.2 加权最优滤波器 249 7.5