基于Matlab的信号处理系统与分析

【摘要】Matlab信号处理系统的广泛应用，为传统信号处理方式带来了很大的改变。本文首先介绍了Matlab以及在信号处理方面的特点，在此基础上，按照信号处理的流程，从信号产生、处理两个方面，分析了Matlab在滤波、频域变换和图像显示三个环节的实际应用，这不仅有利于通过Matlab进行信号处理的系统的改造升级，还实现数字信号处理的简便可靠。

【关键词】Matlab;信号处理;滤波

众所周知，信号作为信息的基本载体，是信息最基本的一种物理表现，信号处理主要指通过采集、变换、估计和识别等加工方式获取有用的信息。

随着信息时代的到来，信号处理的方法变得越来越丰富，已经变成了一门单独的学科被广泛的加以研究。其中，Matlab软件处理平台的出现，能够在信号处理的检测、变换、滤波、识别等各个过程中发挥出色的作用，成为一个值得深入研究的新领域。

1.Matlab简介及其特点

Matlab又名“矩阵实验室”，它作为一种广受科学家和工程技术人员喜爱的研究工具，凭借其强大的运算功能、数据可视化以及丰富的专业箱等优势，已经在图像处理、通讯、建模等领域得到了广泛的应用。Matlab最早是用于数学的一种商业性软件，目前已经成为一种高层次研究人才所必须掌握的技能，可以方便的利用这种标准性软件来解决各种科学计算问题。Matlab软件平台的两大组件为Matlab和Simulink，每个组件都有各自的功能和特点，总体来说，Matlab软件用于数字信号的处理具有灵活性程度高、精度和稳定性较好、便于开发和升级、功能强大等优点，在解决相同问题时候，Matlab的性能要远远超过用其它编程语言所编制的计算机程序。

2.Matlab的信号处理系统分析

Matlab信号处理的工具箱提供了丰富而简单的设计，可以实现IIR和FIR滤波器，使原本程序设计简化成函数进行调用。 Matlab的信号处理系统，通常是按照信号的处理流程为主线进行设计，信号在进入系统之后，先要对对其是否含有噪声状况进行甄别，如果有噪声则要进行相应的滤波后，才能进入信号频谱分析阶段，最后则通过仿真步骤进行波形显示。

2.1 信号产生过程中的Matlab分析

信号产生有两种类方式：第一种是通过Matlab的数据采集工具箱，实现了软件与采集硬件之间的数据通信。由于Matlab具备了实用的程序接口和发布平台，Matlab已经能够与外部的数据和程序进行交互，不仅扩充了软件强大的数值计算与图形显示功能，还能避开在进行信息好处理中效率低的缺点。所以，信号通过各种标准接口进入信号处理系统之后，先将各种数据信息封存于系统的开放性存储空间之内，然后调用一定的命令或函数将其转换为矩阵形式，以满足后续的信号分析。整个过程中，系统使用者只需依据图形用户界面的提示进行相关数据的采集操作，完成对数据采样的开始、暂停、停止控制，这是信号输入的一种重要来源;第二种方式为，在信号处理系统的程序设计阶段，Matlab就能够提供一些波形产生函数，比如正弦波、方波、三角波等，可以根据用户的需求的波形和参数，直接产生相应的数字信号，比如常见的数字电子琴就是通过这样的方式实现。

2.2 信号处理过程中的Matlab分析

Matlab丰富的可定制模块库，如按功能划分的子库有Discrete（离散模块）、Signals&Systems（信号和系统模块）等，能够对信号进行采集、滤波、输出进行仿真与测试，为信号的处理带来了极大便利。从Matlab信号处理的组件来看，信号处理被可以又分为信号的滤波、频谱分析两个步骤，具体表现为以下几个方面：

2.2.1 Matlab的滤波器

数字滤波器可以利用一定的算法对信号进行处理，从而得到一组新的数字信号。这是信息处理至关重要的一个环节，比如在人体心电图信号处理过程中，必须要通过低通滤波排除相应的干扰之后，才能获得判断心脏有用的信息。

鉴于此，Matlab工具箱提供滤波器设计的每一步骤的函数，包含原型函数、转变函数和直接涉及函数等，Matlab信号处理工具箱的一个重要功能为，通过滤波器来消除输入信号中的无用信号和噪声干扰，也可以实现模拟滤波器到数字滤波器的转变。比如以带通滤波器的设计为例进行分析，在Matlab系统中，带通滤波器的仿真设计思路如下：

（1）利用cheblord函数来确定滤波器的阶数和截至频率;

（2）通过[num den]=cheby1（N Wn）和[num den]=cheby2（N Wn）来完成滤波器的设计;

（3）调用impinvar函数实现脉冲序列不变的模拟信号到数字信号的转变过程。

2.2.2 Matlab的频域变换

因为Matlab具备将一个信号变换到频域，这也是进行Matlab仿真信号处理的一个重要环节，通过快速傅氏变换为信号处理的频谱分析提供了一种算法，可以计算各个采样点的幅度值、相位、频率等，在傅里叶变化中如果频谱的动态范围较广，则需要进一步进行对数变换，以获取可视化频谱图，这可以为下一步的波形显示提供数值依据，具有精确、快速、实时处理等多种优点。其中，采样频率对波形的影响最显著，通过定义好采样间隔的时和采样频率来控制波形，能够使得到的图形更加光滑，以防止因为间隔过大而出现的明显的波动，尤其是在斜率较大的地方，将会影响后续信号的分析。

2.2.3 Matlab的图像显示

对于信号处理来说，Matlab中的 Simulink组件能实现信号处理的动态建模、仿真和综合分析，在Simulink进行仿真计算之后，点击示波器按钮，调用相关的绘图函数，则会得到经过信号处理以后的波形图像，它能够很好的还原原始信号的真实情况，这一环节主要是采用面向对象的开发方式，这就使得这种环境运行之下的信号处理，不需要编程大量的程序，使用者只需依据自己的需求轻点鼠标，就能呈现出复杂的信息处理全过程，为信号处理提供了一种快捷、方便、高效的途径，已经被广泛应用于语音识别、图像处理、雷达探测等多个领域。

值得注意的是，信号处理是一个复杂的过程，当采样频率变化或者系统运行不够稳定时，都会给最后的结果带来较大的误差，还需要进一步改善Matlab信号处理系统的性能，保证信号处理过程的可靠性、有效性。

3.结束语

综上所述，Matlab信号处理系统的出现，既能够实现传统分析仪器的功能，又可以大大减少信号处理的成本，是一个非常优秀的信号处理辅助工具。尽管如此，Matlab信号处理系统依旧具有一定的缺陷，比如还需要一定的编程来完成相应信号的处理过程，对使用者的专业素质也要求较高等，这就需要在日后，加大对Matlab信号处理系统的研究工作，在提高本软件的适用性的同时，也要拓展系统的通用性，使得它能够更好的为科学研究和工程建设服务。

参考文献

[1]姜衍猛.基于MATLAB的数据采集与分析系统的研究及设计[D].山东大学，2012.

[2]刘勤让，罗小武.基于MATLAB的信号处理仿真[J].信息工程大学学报，2000（01）.

[3]罗大鹏，叶敦范，王勇.基于Matlab的信号处理系统[J].现代电子技术，2004（19）.

[4]任竞颖.基于MATLAB的信号处理实验系统的开发[D].电子科技大学，2011.

作者简介：于洋（1992—），男，山东枣庄人，大学本科，现就读于山东科技大学，研究方向：数字信号处理。