75613

ПРОГРАММИРОВАНИЕ КЛЮЧЕВЫХ ОПЕРАЦИЙ ЦОС В MATLAB

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основные арифметические операции в MATLAB: сложение, вычитание, умножение , деление и возведение в степень. Операции умножения, деления и возведения в степень рассчитаны на работу с матрицами, поэтому при поэлементных операциях они записываются

Русский

2015-01-15

51.5 KB

9 чел.

ОС. Лекция 7.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ КЛЮЧЕВЫХ ОПЕРАЦИЙ ЦОС           В MATLAB

Наиболее совершенным средством для реализации цифровой обработки данных в режиме off line является система MATLAB. В среде MATLAB есть также все необходимые программные средства для генерации модельных сигналов и управления аппаратурой.

Основные арифметические операции в MATLAB: сложение, вычитание, умножение , деление и возведение в степень. Операции умножения, деления и возведения в степень рассчитаны на работу с матрицами, поэтому при поэлементных операциях они записываются как .*, ./ и .^ (т.е. перед знаком операции ставится точка).

Основные операторы: присваивания, цикла и условия. Синтаксис основных операций – такой же, как в С/С++. Признак комментария знак % перед строкой.

Большой набор стандартных функций для работы с матрицами, для различных видов цифровой обработки, графического представления результатов.

Модельный синусоидальный сигнал x(k) амплитудой А, с количеством отсчетов N, количеством периодов KP может быть создан с помощью следующего фрагмента программы:

for k=1:N

x(k) = A*sin(2*pi*KP*k/N);

end

Понятие частоты у модельного сигнала отсутствует, длительность периода во времени также не определена. Длительность периода и частота становятся определенными только если задать шаг дискретности измерений во времени dt. В этом случае общее время измерения Tизм = N*dt, период сигнала T = N*dt/KP, частота f = KP/(N*dt).

Для создания массива нормально распределенного шума q с СКО = 1, содержащего N значений служит функция randn:

noise=randn(N)

для генерации «белого» Гауссова шума- функция wgn:

                                                    noise=wgn(N,1,А)

где N,1 – размерность массива шума,

А – мощность шума (Вт), А = 20lgK, К-масштабный коэффициент

Гауссов (нормально распределенный) шум. Плотность вероятности этого шума определяется выражением

где дисперсия шума, m-его среднее значение.

Гауссовы процессы обладают характерным свойством: любой такой процесс полностью определяется своими статистическими характеристиками 1-го и 2-го порядка. Этим объясняется выбор гауссовых процессов в качестве гипотезы при расчетах, содержащих погрешности оценок и требующих вычисления моментов более высоких порядков. Кроме того, согласно центральной предельной теореме, сумма произвольныз случайных процессов стремится к гауссову процессу при возрастании числа слагаемых. Сходимость оказывается настолько быстрой, что если число слагаемых больше 5 или 6, то результирующий процесс очень близок к гауссову.

Белый шум. Белым называют шум, спектральная плотность мощности которого постоянна по всему диапазону частот. Реально белый шум не существует; но если спектральная плотность шума постоянна внутри полосы частот, пропускаемых системой, то такой шум можно считать белым.

Базовые операции цифровой обработки реализуются с помощью следующих функций:

  1.  Линейная свертка (конволюция) выполняется с помощью функции conv, например:

X(n)=conv(x,h);

где x – массив обрабатываемого сигнала, содержащий N значений; h – массив импульсного отклика объекта, например, фильтра, содержащий М значений, M<N, X(n) – результат выполнения свертки, например, массив выходного сигнала фильтра.

2. Корреляция выполняется с помощью функции xcorr, например: W=xcorr(x,y);

где  x, y – числовые массивы x и y, содержащие по N значений сигнала, X – числовой массив функции взаимной корреляции, содержащий 2*N значений.

Автокорреляция выполняется с помощью этой же функции, аргументом являются два одинаковые массива – x или y.

3. Фильтрация и функциональные преобразования выполняются с помощью нескольких функций. Для выполнения частотной фильтрации необходимо вычислить частотную характеристику или импульсный отклик фильтра и частотный спектр сигнала.

3.1. Частотный спектр Х(n) сигнала х(t)      вычисляется с помощью функции быстрого преобразования Фурье fast fourie transform (БПФ, fft):

Х(n) =fft(x,N);

  1.  Импульсный отклик вычисляется с помощью обратного преобразования Фурье (ОБПФ, ifft) частотной характеристики фильтра, например:

h(t)=ifft(H(n))

  1.  Частотная характеристика фильтра в дискретизированном виде (в виде числового массива) вычисляется по аналогии с частотной характеристикой в непрерывной форме, например, для линейного фильтра:

          где i – номер элемента числового массива частотной характеристики,

               NC -   полоса пропускания фильтра по уровню 0,7 амплитуды

               выражена в количестве отчетов спектра БПФ, пропускаемых

               фильтром.

Фильтр может быть реализован с помощью следующего программного кода:

                                           for i=1:N

                                                 H(i)=1/(1+j*i/NC);

                                          end

  1.  Для того, чтобы вычислить выходной сигнал фильтра, нужно выполнить операцию свертки массива частотного спектра X(n) входного сигнала с частотной характеристикой фильтра H(n) с помощью функции обратного преобразования Фурье:

                                                    Z(n)= Х(n).*H(n)  

z(t)=ifft(X(n).*H(n));

         или операции свертки массива входного сигнала с импульсным

         откликом фильтра, например:

                                                  z(t) = conv(x(t),h(t)).

Приведенные две формы вычисления выходного сигнала фильтра основаны на теореме Планшереля [Ж.Макс Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т.1. М.:Мир, 1983, 305С.]. Теорема Планшереля утверждает, что преобразование Фурье свертки двух функций, равно произведению изображений (в частотной области (В.С.)) функций, составляющих свертку, и наоборот. Т.е. справедливо соотношение:

                                          x(t)*h(t)         X(n)H(n)

Здесь знак * обозначает операцию свертки. На языке функций MATLAB соотношение, основанное на теореме Планшереля, запишется так :

fft(conv(x(t),h(t)) =  X(n).*H(n)

Здесь знак * обозначает операцию умножения, а операция свертки записывается с помощью функции conv.

3.5.   Для реализации оптимального фильтра Колмогорова-Винера требуется вычисление энергетического спектра (плотности мощности) сигнала и шума. Для этого предусмотрена функция conj умножения массива комплексных чисел на массив комплексно сопряженных чисел, например:

S=X(n).*conj(X(n))/N;

где X(n) – массив частотного спектра, полученный с помощью функции fft (БПФ);

N – количество элементов массива частотного спектра сигнала или шума;

S – массив частотного спектра мощности сигнала или шума.

  1.  Для реализации фильтров Баттерворта, Чебышева и др. предусмотрены также более простые средства. Например, фильтр Баттерворта может быть реализован с помощью следующего программного кода:

                     n=4;%порядок фильтра

                     [b a]=butter(n, 0.5);%0.5-относительная частота среза

                      y=filter(b,a,x);

Ниже приведена программа фильтрации сигналов с помощью низкочастотного фильтра.

%Низкочастотный фильтр

A=20; %амплитуда сигнала

Q=5; %амплитуда шума

KP1=12;% - количество периодов первого сигнала

N=1024;%количество точек расчета

NC=12; %NC - полоса пропускания фильтра по уровню 0,7 %амплитуды,выраженная в количестве отчетов спектра БПФ, %пропускаемых фильтром

% остальные отсчеты (в частотном спектре!) будут %ослабляться по амплитуде            

for k=1:N % генерация сигнала и шума

s(k) = A*sin(2*pi*KP1*k/N);

q(k)=Q*(randn(N)); %шум

x(k)=s(k)+q(k); % суммирование сигнала и шума

end

Y=fft(x,N)/N; %БПФ сигнала с шумом

for i=1:N    

H(i)=1/((1+j*i/NC)); %передаточная функция простого фильтра

%в частотной области

end

i=1:400;

i=1:N;

X1=fft(x,N); %частотный спектр сигнала с шумом

Z=ifft(X1.*H);   %свертка зашумленного сигнала с частотной хар-кой фильтра

 

Построение и оформление графиков в MATLAB.

 i=1:N;

y=A*sin(6.28*KP*i/N); %создание N значений KP периодов модельного sin %сигнала,

figure %создание окна графического вывода

%plot(i,y(1:50));%вывод графика y, кол-во точек – 50.

%plot(i,y) ;% вывод графика y (все N точек)

%plot (i,2*y(1:N),’r-’);%отображение графика y линией красного цвета

%semilogx(i,abs(y(1:200))),grid; %то же, что и plot, но в логарифмическом

%  масштабе по Х

%loglog(i,abs(y(1:200))); %  в логарифмическом масштабе по Х и Y

grid on; %отображение линий координатной сетки

%title(‘сигнал до фильтра’);%заголовок графика

xlabel(‘номер отсчета’); % подпись по оси Х

ylabel(‘амплитуда’); % подпись по оси Y

legend(‘до фильтра’);%подпись легенды

axis tight; %диапазон Х и Y по осям точно соответствует Xmax и Ymax %(автомасштабирование)

hold on; % «удержание» окна вывода для следующего графика

hold off; %отмена «удержания»

close all; %закрытие всех открытых окон графического вывода

PAGE  5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82130. КАК ЗИМУЮТ ЗВЕРИ И ПТИЦЫ 56 KB
  Оборудование: видеофильм Как зимуют звери и птицы картина Зимний пейзаж музыка Сказочная волшебная зимняярисунки птиц фотоальбом Животные Украины опорные схемы проектор компьютер маски животных карточки для самостоятельной работы учащихся карта Двуречанского района выставка книг.
82131. Літературна вітальня, присвячена творчості Максима Рильського для учнів 7–8-х класів 74.5 KB
  У глибині сцени вміщено портрет М.Т.Рильського на панно із зображенням грон винограду та троянд, під ним цифри 1895 –1965. По центру сцени підставка, на якій лежить рушник, відкрита книга М.Рильського, підсвічник із запаленими свічками.
82132. Це мова моя, це мова моєї країни! 53.5 KB
  Щоб почистити нашу першу криницю потрібно дібрати якнайбільше 1 спільнокореневих слів з коренем добр доброта доброчинність доброякісний 2 синонімів до слова доброта людяність. Бліцо-питування на швидкість кожній команді Сукупність слів її словниковий склад називається Слова близькі за лексичним значенням...
82133. Екологічна казка на новий лад «Золота рибка» 36 KB
  Ведучий. Пливуть хмаринками роки, В історії ідуть роки. Та казка завжди серед нас Нагадує про себе повсякчас. Ведуча. Коли і хто її складав, А потім нам розповідав – Не скажемо тепер ми вам, Ніхто про це не знає сам. Ведучий. Казка – вигадка, проте, Щось в ній, браття, не пусте.
82134. ПОДОРОЖ ДО ЗООПАРКУ 56 KB
  Будують клітки для звірів та інші споруди зоопарку оздоблюють територію. Працівники радіовузла: Кореспонденти ведуть репортаж з місця подій редактор готує передачі в яких виступають: науковий співробітник медпрацівник бригадир будівельників директор зоопарку; транслюється концерт за заявками...
82135. До перлин зоряного неба! 51 KB
  Мета: ознайомити учнів з історією освоєння космічного простору; розкрити роль вітчизняної науки та українських вчених у створенні теоретичних основ космонавтики; показати визначальну роль астрономії у формуванні наукового світогляду людини, співробітництво України з іншими країнами...
82136. Пересопницьке Євангеліє – скарб минулого, святиня сьогодення 183.5 KB
  Мета: формувати в учнів повагу і бережливе ставлення до творчих надбань українського народу, розкрити значення Пересопницького Євангелія як визначної рукописної пам’ятки староукраїнської літературної мови і мистецтва, національної реліквії та державної святині; показати важливість Православ’я...
82137. Підведення підсумків осінніх спостережень, з’ясування змін, що відбуваються в живій та неживій природі, прихід Зими 412 KB
  Мета. Дати поняття про зміни, які відбуваються в природі восени та на початку зими; розширити знання учнів про характерні ознаки зими серед рослин, тварин; розвивати спостережливість, творчу уяву, мислення; виховувати дбайливе ставлення до природи, любов до прекрасного.
82138. Історична сторінка 299.5 KB
  Скільки часу потрібно Пятачку Вінні Пуха під дубом чекати Щоб Вінні Пух 49 метрів зміг здолати І дупла дуба яке міститься на цій висоті дістатися Та справжні чи ні бджоли які в ньому проживають дізнатися. Скільки стовпчиків потрібно Джері підготувати Щоб зводячи паркан всі ями використати.