基于MATLAB的信号消噪处理程序设计.docx
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基于MATLAB的信号消噪处理程序设计
课程设计说明书
题目：
基于MATLAB的信号消噪处理程序设计
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摘要
采用先进的科学计算软件MATLAB对含噪信号进行分解,并通过软件重构出消噪后的信号,计算机仿真结果表明,利用MATLAB语言可以方便的得到信号含噪前后的频谱,并有效的波除噪声。
滤波在信号的发送、传输、接受时都是重要的环节，数字滤波在滤波中占有重要的地位，在现代电子系统设计中得到广泛应用,具有一定的工程实践价值。
关键词：
噪声、频谱分析、消燥
目录
摘要I
目录1
第一章MATLAB简介2
第二章MATLAB在信号处理中的应用2
第三章含噪信号处理的MATLAB实现3
第一节理论原理3
第二节信号频谱分析4
第三节数字滤波5
第四章MATLAB程序及仿真5
第一节MATLAB波形图5
第二节试验程序7
第五章设计总结9
参考文献：
10
第一章MATLAB简介
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。
除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。
MATLAB包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包（Toolbox）.工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。
开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外,所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。
Matlab是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，运用它来进行信号的处理相当便捷，文章介绍了在Matlab环境中对信号进行处理的方法，并对信号进行时域和频域的分析。
另外，利用MATLAB环境采用双线性变换法设计数字滤波器滤除高频成分。
给出了用双线性变换法设计IIR数字滤波器的方法,并通过用MATLAB语言来实现。
双线性法可以使系统经变换后仍保持原有特性,而且这种方法是S域和Z域的单值一一对应,克服了频率交叠产生的混叠效应;最后使用MATLAB语言实现了满足要求的低通IIR滤波器。
第二章MATLAB在信号处理中的应用
MATLAB是MathWork公司于1982年推出的一套数值计算和可视化软件。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境下,为众多学科科学、工程计算机教学研究提供了一种便捷、高效的编程工具,同时,MATLAB针对不同的学科,推出了不同的工具箱,从而大大地扩展了其应用范围。
推邮的工具箱主要有信号处理工具箱、控制系统工具箱、神经网络工具箱、图像处理工具箱、鲁棒控制工具箱等等。
Matlab是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，运用它来进行语音信号的采集相当便捷，文章介绍了在Matlab环境中如何驱动声卡采集语音信号和语音信号采集后的文档处理方法，并对所采集的语音信号进行时域和频域的分析。
另外，利用MATLAB环境采用双线性变换法设计数字滤波器滤除高频成分。
给出了用双线性变换法设计IIR数字滤波器的方法,并通过用MATLAB语言来实现。
双线性法可以使系统经变换后仍保持原有特性,而且这种方法是S域和Z域的单值一一对应,克服了频率交叠产生的混叠效应;最后使用MATLAB语言实现了满足要求的低通IIR滤波器。
第三章含噪信号处理的MATLAB实现
第一节理论原理
利用MATLAB对信号进行分析和处理，利用MATLAB软件平台对信号进行频谱分析；并对信号加入干扰噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，设计合适的滤波器滤除噪声，恢复原信号。
信号的“短时谱”对于非平稳信号,它是非周期的,频谱随时间连续变化,因此由傅里叶变换得到的频谱无法获知其在各个时刻的频谱特性。
如果利用加窗的方法从语音流中取出其中一个短断,再进行傅里叶变换,就可以得到该信号的幅度谱。
信号频谱分析的实际上是研究如何将信号分解为正交函数集的各分量的叠加,在此我们讨论的正交函数集是最常用的三角函数集,并从信号分量的组成情况去考察信号的特性。
正弦波、方波、三角波和白噪声信号是实际工程测试中常见的典型信号，这些信号时域、频域之间的关系很明确，并且都具有一定的特性，通过对这些典型信号的频谱进行分析，对掌握信号的特性，熟悉信号的分析方法大有益处，并且这些典型信号也可以作为实际工程信号分析时的参照资料。
第二节信号频谱分析
信号频谱分析的实际上是研究如何将信号分解为正交函数集的各分量的叠加,在此我们讨论的正交函数集是最常用的三角函数集,并从信号分量的组成情况去考察信号的特性。
正弦波、方波、三角波和白噪声信号是实际工程测试中常见的典型信号，这些信号时域、频域之间的关系很明确，并且都具有一定的特性，通过对这些典型信号的频谱进行分析，对掌握信号的特性，熟悉信号的分析方法大有益处，并且这些典型信号也可以作为实际工程信号分析时的参照资料。
信号的频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。
对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，其工作方式有模拟式和数字式二种。
模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础，实现信号的时-频关系转换分析。
傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。
信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x（t）变换为频域信号X（f），从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。
时域信号x（t）的傅氏变换为：
式中X（f）为信号的频域表示，x（t）为信号的时域表示，f为频率。
频谱是构成信号的各频率分量的集合，它完整地表示了信号的频率结构，即信号由哪些谐波组成，各谐波分量的幅值大小及初始相位，从而揭示了信号的频率信息。
对周期信号来说，信号的谱线只会出现在0,f1,f2,....fn,等离散频率点上，这种频谱称为离散谱。
第三节数字滤波
数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一，数字滤波与模拟滤波相比，具有精度和稳定性高、系统函数容易改变、灵活性高、不存在阻抗匹配问题、便于大规模集成、可实现多维滤波等优点。
数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号波形（或频谱）进行加工处理，或者说利用数字方法按预定的要求对信号进行变换。
把输入序列x（n）变换成一定的输出序列y（n）从而达到改变信号频谱的目的。
从广义讲，数字滤波是由计算机程序来实现的，是具有某种算法的数字处理过程。
若输入信号为x（t），其频谱为X（ω），并且已知其频宽为±ωm。
在满足采样定理的条件下进行A/D转换，则采样信号的频谱应为：
其中采样频率ωs≥2ωm。
显然这是一个以ωs为周期的谱图，当通过数字滤波器后，其频谱应为：
由模拟低通滤波器设计巴特沃斯低通滤波器：
l）确定数字低通滤波器的技术指标通带截止频率wP，通带衰减αP，阻带截止频率ws，阻带衰减αs。
2）将数字低通滤波器的技术指标转换为模拟低通滤波器的技术指标。
只转换边界频率wP，ws，αP，αs指标不作变化,边界频率的转换关系为脉冲响应不变法。
3）按照模拟低通滤波器的技术指标设计模拟低通滤波器。
4）将模拟滤波器系统函数Ha（s）,从s平面转换到z平面，得到数字滤波器的系统函数H（z），转换关系为脉冲响应不变法:
z=est。
第四章MATLAB程序及仿真
第一节MATLAB波形图
图1（原信号产生波形）
图2（加入干扰噪声后波形）
图3（消除噪声后波形）
第二节试验程序
%symst
t=linspace（0,6,512）
f=sin（t*pi）+cos（t*pi）;
figure
（1）;
subplot（2,1,1）;
plot（t,f）;
gridon;
fw1=fft（f）;
fw=abs（fw1）;
subplot（2,1,2）;
plot（fw（1:
32））;
gridon;
figure
（2）;
randn（'state',0）
m=randn（1,512）;
y=f+0.2*m;
subplot（2,1,1）;
plot（t,y）;
gridon;
fw2=fft（y）;
fx=abs（fw2）;
subplot（2,1,2）;
plot（fx（1:
32））;
gridon;
figure（3）;
[N,wc]=buttord（0.01,0.20,3,65）;
[b,a]=butter（N,wc）;
y1=filter（b,a,y）;
subplot（2,1,1）;
plot（t,y1）;
gridon;
fw3=fft（y1）;
fy=abs（fw3）;
subplot（2,1,2）;
plot（fy（1:
32））;
gridon;
第五章设计总结
这次课程设计，给我留下了很深的印象。
虽然只是短暂的一周，但在这期间，却让我受益匪浅。
应用MATLAB实现信号处理,简单高效,仿真效果好,特别适合信号与系统及数字信号处理的辅助教学,MATLAB在教学方面十分重要。
刚开始没有针对性，不知道自己到底该干些什么，查些什么资料，找到了资料却不知道该哪些方面。
后来，在老师的指导和同组同学的帮助下，逐渐融入了角色。
慢慢地，我能够从图书馆里查找各种资料，虽然过程很艰难，但毕竟是做出来了，感觉很高兴。
这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。
只有牢固掌握了所学的知识，才能有清晰的思路，知道每一步该怎样走。
才能顺利的解决每一个问题。
就以这次课程设计为例吧。
刚拿到题目的时候，大致看一下要求，根据平时所学的知识，脑海中就立刻会想到应该用到的的基本知识和理论，然后再去图书馆去查这些资料，很快地初步方案以及大概的程序框图就出来了。
但是，这样快的速度是要以我们对知识的熟练掌握为前提的。
所以，这次课程设计在让我认识了知识的重要性之外，更让我明白了自己理论知识和实践知识的欠缺，让我坚定了以后努力学习知识的决心。
一周的课程设计虽然结束了，但是在这期间所学的知识和老师的指导却让我难以忘记。
参考文献：
1、刁彦华.基于MATLAB的信号消噪处理研究[J].河北职业技术学院学报.2002年2月
2、陈怀深.MATLAB及电子信息课程中的应用.北京电子工业出版社.2008年1月
3、陈后金，胡建.信号与系统.高等教育出版社.2009：
P95-P201.
4、陈后金，薛建.数字信号处理.高等教育出版社.2010：
P116-P153
5、贺兴华.MATLAB7X图像处理.人民邮电出版社.2006
6、章毓晋.图像工程（上册）.北京清华大学出版社.1999
7、张洁.双边带幅度调制及其MATLAB仿真.科技经济市场出版社.2006.9
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