Top Banner
1 Signal Processing Toolbox Обработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов Пакет инструментов Signal Processing Toolbox предоставляет алгоритмы промышленного стандарта для аналоговой и цифровой обработки сигналов (digital signal processing (DSP)). При помощи пакета можно визуализировать сигналы во временной и частотной области, осуществлять быстрое преобразование Фурье (Fast Fourier transform (FFT)) для спектрального анализа, проектировать фильтры с конечной импульсной характеристикой (Finite Impulse Response (FIR)) и бесконечной импульсной характеристикой (Infinite Impulse Response (IIR)), выполнять свертку, модуляцию, передискретизацию и другие методы обработки сигналов. Алгоритмы из комплекта инструментов можно использовать для разработки собственных алгоритмов для аудио- и речевой обработки, инструментария и узкополосной беспроводной передачи данных. Signal Processing Toolbox включен в MATLAB and Simulink Student Version. Ключевые возможности Сигналы и модели линейных систем Преобразования сигналов, включая быстрое преобразование Фурье (FFT), дискретное преобразование Фурье (Discrete Fourier Transform (DFT)) и оконное преобразование Фурье (short-time Fourier transform (STFT)) Функции для генерации импульса и волны, включая синус, квадрат, пилообразный сигнал и гауссовский импульс Метрики передачи, импульсные метрики и функции оценки уровня для двухуровневых волн Статистические методы измерения сигнала и функции, реализующие метод скользящего окна Алгоритмы оценки спектральной плотности мощности, включая периодограмму, алгоритмы Уэлча (Welch) и Юл-Уолкера (Yule-Walker) Методы проектирования цифровых FIR и IIR, анализа и внедрения Методы проектирования аналоговых фильтров, включая Баттерфорта (Butterworth), Чебышева (Chebyshev) и Бесселя (Bessel) Линейное предсказание и параметрическое моделирование временного ряда
10

Signal Processing Toolbox - matlab.ru · 1 Signal Processing Toolbox Обработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов Пакет инструментов

Apr 01, 2018

Download

Documents

trinhquynh
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Signal Processing Toolbox - matlab.ru · 1 Signal Processing Toolbox Обработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов Пакет инструментов

1

Signal Processing ToolboxОбработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов

Пакет инструментов Signal Processing Toolbox предоставляет алгоритмы промышленного стандарта для аналоговой и цифровой обработки сигналов (digital signal processing (DSP)). При помощи пакета можно визуализировать сигналы во временной и частотной области, осуществлять быстрое преобразование Фурье (Fast Fourier transform (FFT)) для спектрального анализа, проектировать фильтры с конечной импульсной характеристикой (Finite Impulse Response (FIR)) и бесконечной импульсной характеристикой (Infinite Impulse Response (IIR)), выполнять свертку, модуляцию, передискретизацию и другие методы обработки сигналов. Алгоритмы из комплекта инструментов можно использовать для разработки собственных алгоритмов для аудио- и речевой обработки, инструментария и узкополосной беспроводной передачи данных.

Signal Processing Toolbox включен в MATLAB and Simulink Student Version.

Ключевые возможности

• Сигналыимоделилинейныхсистем

• Преобразованиясигналов,включаябыстроепреобразованиеФурье(FFT),дискретноепреобразование Фурье (Discrete Fourier Transform (DFT)) и оконное преобразование Фурье (short-time Fourier transform (STFT))

• Функциидлягенерацииимпульсаиволны,включаясинус,квадрат,пилообразныйсигналигауссовский импульс

• Метрикипередачи,импульсныеметрикиифункцииоценкиуровнядлядвухуровневыхволн

• Статистическиеметодыизмерениясигналаифункции,реализующиеметодскользящегоокна

• Алгоритмыоценкиспектральнойплотностимощности,включаяпериодограмму,алгоритмыУэлча (Welch) и Юл-Уолкера (Yule-Walker)

• МетодыпроектированияцифровыхFIRиIIR,анализаивнедрения

• Методыпроектированияаналоговыхфильтров,включаяБаттерфорта(Butterworth),Чебышева(Chebyshev)иБесселя(Bessel)

• Линейноепредсказаниеипараметрическоемоделированиевременногоряда

Page 2: Signal Processing Toolbox - matlab.ru · 1 Signal Processing Toolbox Обработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов Пакет инструментов

2

Инструменты для анализа и визуализации для проверки числовой точности и работы. Примеры графиков из Signal Processing Toolbox (по часовой стрелке от верхнего левого): периодограмма осциллятора с число-вым управлением; восстановленный сигнал кардиограммы при помощи преобразования Уолша-Хэдэмарда (Walsh-Hadamard), показан вместе с оригинальным сигналом кардиограммы; амплитудный отклик FIR-фильтра низких частот (ФНЧ), с наложением маски; импульсный отклик Гауссовского фильтра-формирователя импульсов для различных полос пропускания.

Формирование, визуализация и анализ сигналов

При помощи Signal Processing Toolbox можно формировать и анализировать дискретные сигналы в MATLAB®. Вы можете:

• создаватьвекторыдискретныхсигналов;

• формироватьстандартныеформыволнприпомощивстроенныхвкомплектинструментовфункций;

• импортироватьсигналыизфайлов;

• получатьсигналыотприборов,мультимедийныхустройствидругихаппаратныхсредств.

Формирование волн

Продукт позволяет генерировать непрерывные и дискретные сигналы при помощи функций формирования сигналов из комплекта инструментов. Пакет инструментов поддерживает наиболее часто используемые формы волн:

• периодическиеформыволн,такиекаксинусоидальные,квадратные,пилообразныеипрямоугольныесигналы;

• апериодическиеформыволн,такиекаксигналслинейнойчастотноймодуляциейигауссов-скиеимпульсныесигналы;

• общиепоследовательности,такиекакединичныйимпульс,единичныйнаклон.

Page 3: Signal Processing Toolbox - matlab.ru · 1 Signal Processing Toolbox Обработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов Пакет инструментов

3

Визуализация и анализ волн

Можновизуализироватьсигналывовременнойобластиприпомощипостроенияграфиковзависимостей от времени, причем вектор времени создается в MATLAB. Также имеется возможность использовать стволовые графики, лестничные графики и другие графики из MATLAB для получения различных представлений характеристик сигнала. Кроме того, можно выполнять преобразование сигналов во временной области в частотную область при помощи функций, вычисляющих DFT и STFT.

Визуализация периодических, апериодических волн и волн с изменяющейся частотой.

Интерактивная обработка сигнала

Signal Processing Tool (SPTool) — интерактивный инструмент, который позволяет решать основ-ные задачи анализа сигналов. Из интерфейса SPTool можно запускать другие инструменты, включаяSignalBrowser,FilterDesignandAnalysisTool(FDATool)иSpectrumViewer.Припомо-щи этих инструментов можно:

• импортироватьивизуализироватьодноканальныеилимногоканальныесигналывовремен-нойобласти;

• определятьхарактеристикисигнала,такиекакнаклониамплитудноезначение;

• проигрыватьаудиосигналыназвуковойплатеПК;

• проектироватьилиимпортироватьFIR-иIIR-фильтрыразличнойдлиныитиповотклика;

• просматриватьхарактеристикиразработанногоилиимпортированногофильтра,включаяамплитуду,фазу,импульсныйоткликиоткликнаединичноеступенчатоевоздействие;

• применятьфильтрквыбранномусигналу;

• выполнятьграфическийанализсигналоввчастотнойобластиприпомощиразличныхметодов спектральной оценки.

Page 4: Signal Processing Toolbox - matlab.ru · 1 Signal Processing Toolbox Обработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов Пакет инструментов

4

Визуализация речевого сигнала во временной области при помощи интерфейса Signal Browser в Signal Processing Tool (SPTool).

Выполнение спектрального анализа в MATLAB

Спектральныйанализявляетсяключевымдляпониманияхарактеристиксигналаиможетбыть применен ко всем типам сигналов, включая радиолокационные сигналы, аудиосигналы, сейсмические данные, данные с финансовой биржи и биомедицинские сигналы. Signal Processing Toolbox предоставляет функции MATLAB для оценки плотности спектральной мощности, среднеквадратичного спектра, псевдоспектра и средней мощности сигналов.

Алгоритмы для спектрального анализа в MATLAB

В алгоритмы спектральной оценки включаются:

• алгоритмы,основанныенаметодахFFT,такиекакпериодограмма,методУэлча(Welch)иметодпостепенногосужения(multitaper);

• параметрическиеметоды,такиекакметодБурга(Burg)иЮл-Уолкера(Yule-Walker);

• методы,основанныенасобственныхзначениях,такиекаксобственныйвекторимногократ-ная классификация сигналов (multiple signal classification (MUSIC))

Визуализация в частотной области

Функции спектрального анализа из комплекта инструментов позволяют выполнять расчет и просмотр сигналов, представленных:

• вчастотно-временномвидеприиспользованиифункцийспектрограмм;

• ввидеплотностиспектральноймощности;

• ввидесреднеквадратическогоспектра.

Page 5: Signal Processing Toolbox - matlab.ru · 1 Signal Processing Toolbox Обработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов Пакет инструментов

5

Визуализация спектра сигнала при помощи методов спектрального анализа из MATLAB. Примеры графиков из Signal Processing Toolbox (по часовой стрелке от верхнего левого угла): спектрограмма чистого и зашумленного аудиосигнала; среднеквадратический спектр сигнала на входе и на выходе A/D конвертера с нелинейностью на выходе; и плотность спектральной мощности зашумленного косинусного сигнала 200 Гц, с доверительным интервалом 95%.

Разработка цифровых FIR- и IIR-фильтров

Signal Processing Toolbox предоставляет возможности для разработки, анализа и реализации цифровых FIR- и IIR-фильтров в MATLAB.

Отклики фильтров и методы разработки

При помощи комплекта инструментов можно рассматривать множество типов отклика и применять множество методов разработки, включая:

• откликифильтровнизкихчастот,высокихчастот,полосовыхфильтров,фильтров Гильберта (Hilbert), дифференциатора, фильтров формирователей импульса и произ-вольных фильтров;

• методыПаркса-Маклеллана(Parks-McClellan)иокноКайзера(Kaiser)дляразработкиFIR-фильтров;

• фильтрыБаттерфорта(Butterworth),Чебышевапервогоивтороготипаиэллиптическиефильтры для разработки IIR-фильтров.

Page 6: Signal Processing Toolbox - matlab.ru · 1 Signal Processing Toolbox Обработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов Пакет инструментов

6

MATLAB-код и соответствующие графики для FIR- (сверху справа) и IIR- (снизу справа) фильтров с использованием алгоритмов из Signal Processing Toolbox.

Анализ фильтров

Можноанализироватьпроектфильтра,одновременнорассматриваяразличныехарактеристи-ки в Filter Visualization Tool (FVTool), такие как:

• амплитудныйотклик,фазовыйоткликиобщуюзадержкувчастотнойобласти;

• импульсныйоткликиоткликнаединичноеступенчатоевоздействиевовременнойобласти;

• информациюонуляхиполюсах;

FVTool также помогает выполнять оценку работы фильтра, предоставляя информацию о порядке фильтра, устойчивости и фазовой линейности. После завершения проектировки фильтра можно реализовать его при помощи FIR- и IIR-структур.

Page 7: Signal Processing Toolbox - matlab.ru · 1 Signal Processing Toolbox Обработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов Пакет инструментов

7

Анализ FIR фильтра низких частот, спроектированного с использованием метода окна Кайзера (Kaiser). Примеры графиков из Signal Processing Toolbox (по часовой стрелке от верхнего левого угла): амплитуд-ный и фазовый отклики, импульсный отклик, график расположения нулей и полюсов, информация о порядке и устойчивости фильтра.

Интерактивный анализ и разработка фильтра

Signal Processing Toolbox предоставляет FDATool, FVTool и Filterbuilder для интерактивной разработки и анализа фильтра. Эти инструменты позволяют пользователю:

• исследоватьFIR-иIIR-методыразработкивсоответствиистребованиямикфильтру;

• анализироватьфильтры,рассматриваяхарактеристикифильтра,включаяамплитудныйотклик, фазовый отклик, групповую задержку, график нулей и полюсов, импульсный откликиоткликнаединичноеступенчатоевоздействие;

• получатьинформациюофильтре,такуюкакпорядокфильтра,устойчивостьилинейностьфазы;

• импортироватьранееспроектированныефильтрыикоэффициентыфильтра,сохраненныев рабочем пространстве MATLAB, и экспортировать коэффициенты фильтра.

Page 8: Signal Processing Toolbox - matlab.ru · 1 Signal Processing Toolbox Обработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов Пакет инструментов

8

В окне Filter Design and Analysis Tool (FDATool) показывается амплитудный отклик, порядок фильтра и информация об устойчивости для FIR-фильтра низких частот.

Разработка аналоговых фильтров

Signal Processing Toolbox предоставляет функции для проектирования и анализа аналоговых фильтров.Поддерживаютсяследующиетипыаналоговыхфильтров:фильтрБаттерфорта,Чебышева,Бесселяиэллиптическийфильтр.Вкомплектеинструментовтакжесодержатсяфункции дискретизации для аналого-цифрового преобразования фильтра.

Разработка алгоритмов обработки сигналов

Signal Processing Toolbox предоставляет следующий инструментарий для проектирования алгоритмов обработки сигналов:

• преобразованиесигналов,включаядискретноекосинусноепреобразование(Discrete Cosine Transform (DCT)), Гильберта (Hilbert), Гоерцеля (Goertzel) и Уолша-Хэдэмарда (Walsh-Hadamard);

• операциидлядецимации,интерполяцииипередискретизации;

• функциистатистическойобработкисигналовдлявычисленияавтокорреляции,ковариации,взаимнойкорреляцииивзаимнойковариациисигналов;

• функциилинейногопредсказанияипараметрическогомоделирования.

Эти инструменты могут применяться для исследования различных алгоритмов и выполнения различныхзадачобработкисигналов.Можновыполнять:

• интерполяцию,децимациюилипередискретизациюсигналов;

• модуляциюидемодуляциюсигналов;

• сглаживаниесигналовсиспользованиемфункцииокна;

• кодированиесигналадляалгоритмовсжатия.

Page 9: Signal Processing Toolbox - matlab.ru · 1 Signal Processing Toolbox Обработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов Пакет инструментов

9

Типичные методы обработки сигналов, реализованные при помощи функций комплекта инструментов. Примеры (по часовой стрелке от верхнего левого угла): передискретизация аудиосигнала из частоты дискретизации DAT 48 кГц в частоту дискретизации CD 44.1 кГц, четырехкратная интерполяция сигнала, модуляция сигналов сообщения при помощи двухполосной модуляции (double sideband modulation) и кодировка скаляров с плавающей запятой в диапазоне [–1, 1] в целые числа uint8.

Создание и применение функций, реализующих метод скользящего окна

Функции скользящего окна применяются в спектральном анализе и при разработке фильтров. Функция скользящего окна подавляет эффекты явления Гиббса, которые появляются при усечении бесконечного ряда. В комплект инструментов включены функции для создания и применения нескольких типов функций скользящего окна, включая прямоугольный, Хэмминга (Hamming),Хэнна(Hann),Кайзера(Kaiser),иГаусса(Gaussian).

ИнтерактивныйинструментWindowDesignandAnalysisTool(WinTool)позволяетпользова-телюпроектироватьианализироватьспектральныеокна.Можно:

• отображатьпредставлениявовременнойобластиичастотнойобластидлявыбранныхокон;

• экспортироватьоконныевектораилиоконныеобъектыврабочеепространствоMATLAB,MAT-файлилитекстовыйфайл;

• просматриватьтиповыеизмеренияокна,такиекаккоэффициентутечки,относительноеослабление уровня боковых лепестков диаграммы направленности и широту главного лепестка;

• визуализировать,добавлятьаннотацииипечататьграфикивчастотнойивременнойобласти.

Page 10: Signal Processing Toolbox - matlab.ru · 1 Signal Processing Toolbox Обработка сигналов, анализ и разработка алгоритмов Пакет инструментов

10

Дополнительная информация и контакты

Информация о продуктах sl-matlab.ru/products

Пробная версия sl-matlab.ru/trial

Запрос цены sl-matlab.ru/price

Техническая поддержка sl-matlab.ru/support

Сообществопользователей matlab.exponenta.ru

Тренинги sl-matlab.ru/training

Контакты sl-matlab.ruE-mail: [email protected] Тел.: +7 (495) 232-00-23, доб. 0609Адрес:115114Москва,Дербеневскаянаб.,д.7,стр.8

Window Design and Analysis Tool (WinTool) с графиками окна Хэминга (Hamming), Хэнна (Hann) и Кайзера (Kaiser) во временной и частотной области.