基于MATLAB的信号消噪处理和程序设计.docx

郑州轻工业学院课程设计说明书题目：基于matlab的信号消噪处理和程序设计 姓 名： 院 （系）： 电子信息工程学院 专业班级： 电子信息工程13-01 学 号： 指导教师： 成 绩： 时间：2016年6月13日至 2016年6月17日郑州轻工业学院课 程 设 计 任 务 书题目 基于matlab的信号消噪处理和程序设计 专业、班级 电子信息工程13级 1班 学号 35 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容：构造一个信号，在matlab软件平台画出时域波形和频谱图；并对所构造的信号加入干扰噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，利用matlab对含噪的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化。基本要求：1、设构造信号为2、利用matlab的randn函数给原始信号加入高斯随机噪声3、掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法。 4、利用matlab对含噪信号进行滤波5、掌握 matlab 的程序设计方法。 主要参考资料：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.2002,2完 成 期 限：2016.6.132016.6.17指导教师签名： 课程负责人签名： 2016年 6月 12日基于matlab的信号消噪处理和程序设计摘 要信号在采集和传输过程中，由于外界干扰和本身仪器的影响，难免会有噪声夹杂在其中，而噪声是影响目标信号检测与识别性能的一个重要因素，特别是在一些高精度数据的分析中哪怕是很微弱的噪声都会对信号分析结果产生重要的影响。所以在信号分析过程中，首先要做的就是对信号进行去噪处理。本文通过利用matlab软件对含噪信号进行分析和滤波，重构出消噪后的信号,从而实现信号消噪。关键词：matlab 信号消噪 滤波目 录1 matlab语言介绍11.1 matlab简介11.2 matlab的具体应用与工具箱11.2.1具体应用11.2.2常用工具箱22 程序流程设计及其原理32.1程序设计流程32.2实验原理32.2.1数字滤波32.2.2巴特沃思滤波器33 matlab程序设计及仿真波形图4总结8参考文献9i1 matlab语言介绍1.1 matlab简介matlab是美国mathworks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括matlab和simulink两大部分。matlab应用非常之广泛！尽管matlab主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具箱（toolbox）它也适合不同领域的应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。另外还有一个配套软件包simulink，提供了一个可视化开发环境，常用于系统模拟、动态/嵌入式系统开发等方面。matlab由一系列工具组成。这些工具方便用户使用matlab的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括matlab桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着matlab的商业化以及软件本身的不断升级，matlab的用户界面也越来越精致，更加接近windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的matlab提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。1.2matlab的具体应用与工具箱1.2.1具体应用matlab 产品族可以用来进行以下各种工作：数值分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与仿真 数字图像处理技术数字信号处理技术通讯系统设计与仿真 财务与金融工程管理与调度优化计算（运筹学）matlab 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用matlab 函数集）扩展了matlab 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。1.2.2常用工具箱matlab包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包。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 main toolboxmatlab主工具箱control system toolbox控制系统工具箱communication toolbox通讯工具箱financial toolbox财政金融工具箱system identification toolbox系统辨识工具箱fuzzy logic toolbox模糊逻辑工具箱higher-order spectral analysis toolbox高阶谱分析工具箱image processing toolbox图象处理工具箱computer vision system toolbox-计算机视觉工具箱lmi control toolbox线性矩阵不等式工具箱model predictive control toolbox模型预测控制工具箱-analysis and synthesis toolbox分析工具箱neural network toolbox神经网络工具箱optimization toolbox优化工具箱partial differential toolbox偏微分方程工具箱robust control toolbox鲁棒控制工具箱signal processing toolbox信号处理工具箱spline toolbox样条工具箱statistics toolbox统计工具箱symbolic math toolbox符号数学工具箱simulink toolbox动态仿真工具箱2.程序流程设计及其原理2.1程序设计流程首先创造一个含噪信号f(t)，利用randn函数产生随机数，并将这些随机数作为噪声加到原始信号上。利用matlab仿真出信号的频谱，利用butter函数设计一个巴特沃斯滤波器，对含噪信号进行滤波，仿真出滤波前后的频谱后可以看出高频成分消失信号与开始的基本相同，滤波器成功滤出了干扰信号。在利用matlab对信号进行分析和处理。2.2实验原理2.2.1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。2.2.2巴特沃思滤波器巴特沃思滤波器以巴特沃思函数来近似滤波器的系统函数。巴特沃斯滤波器是根据幅频特性在通频带内具有最平坦特性定义的滤波器。由模拟低通滤波器设计巴特沃斯低通滤波器（1）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p;阻带截止频率ws;阻带衰减s。（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，p，s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。3.matlab程序设计及仿真波形图（1）创造一个含噪信号，其matlab实现如下: clear randn(state1)ws=1000;t=0:1/ws:0.4;x=sin(2*pi*10*t)+cos(2*pi*100*t)+0.2*randn(size(t); subplot(2,3,1),plot(t,x,b1);xlabel(time(seconds);ylabel(time waveform);title(含噪声信号);其波形如下图3-1所示：图 3-1 含噪声信号波形（2）该信号的频谱matlab实现如下：x=fft(x);wn=ws/2;w=linspace(0,wn,200);xa=abs(x(1:200);subplot(2,3,2),plot(w,xa,g1);xlabel(frequency(hz);title(信号幅频图)；其波形如下图3-2所示：图 3-2 信号幅频图（3）消噪处理的matlab实现：b,a=butter(10,30/wn);subplot(2,3,4);h,wl=freqz(b,a,512);plot(wl*100/2*pi,abs(h);axis(0,50,0,2);xlabel(frequency(hz);ylabel(mag of fourier transform);title(低通滤波器幅频特性)；其波形如下图3-3所示图 3-3 低通滤波器幅频特性图（4）消噪后信号频谱的matlab实现：grid on;y=filter(b,a,x);subplot(2,3,5);plot(t,x,b1,t,y,r); xlabel(time(seconds);ylabel(time waveform);title(滤波后的信号)；消噪后的信号的波形如下图3-4：图 3-4 消噪后的信号波形y=fft(y);wn=ws/2;w=linspace(0,wn,200); ya=abs(y(1:200); ii=find(w150); subplot(2,3,6);plot(w(ii),ya(ii),m1);grid on;xlabel(frequency(hz);title(滤波后信号的频谱);波形图如图3-5所示：图 3-5 滤波后信号的频谱总结经过几天的努力，顺利完成了这次的课程设计。虽然时间很急，但我还是在这次设计中学到了很多东西，我发现运用matlab实现信号处理非常方便，高效，能很方便的实现自己的实验要求。不仅巩固的自己以前的知识，还学到了很多有用的知识，了解了自己在哪些方面有所欠缺。这次课程设计也让我了解到了实践和理论缺一不可。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.2002,2. 2 陈怀琛.matlab 及电子信息课程中的应用.北京电子工业出版社.2008,12. 3 陈后金,胡健.信号与系统.高等教育出版社.2009：p195p201. 4 陈后金，薛健.数字信号处理.高等教育出版社.2010：p116p153. 5 贺兴华.matlab7.x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 陈后金.信号与系统m.北京：高等教育出版社.2007.07. 8 张洁.双边带幅度调制及其 mat