MATLAB信號處理（第2版）

《MATLAB信號處理（第2版）》是2023年清華大學出版社出版的圖書，作者是沈再陽。

基本介紹

• 書名：MATLAB信號處理（第2版）
• 作者：沈再陽
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：2023年1月1日
• 定價：118 元
• ISBN：9787302614234

內容簡介

本書以MATLAB R2020a為平台，面向國中級讀者，由淺入深地講解MATLAB在信號處理中的套用知識。本書按邏輯編排，自始至終採用實例描述，內容完整且每章相對獨立，是一本全面講解MATLAB信號處理的工具書。

全書分為3個部分共15章。第1部分介紹MATLAB的基礎知識，涵蓋MATLAB基本語法概念、程式設計方法、圖形繪製技巧等；第2部分介紹數位訊號處理基本理論及其MATLAB實現，涵蓋信號處理基礎、信號變換、IIR濾波器的設計、FIR濾波器設計、其他濾波器、小波在信號處理中的套用等；第3部分為基於MATLAB信號處理的具體套用，涵蓋的內容有基於MATLAB的語音信號處理、通信信號處理、雷達信號處理以及信號處理的工具套用等內容。

本書以實用為目標，深入淺出，實例引導，講解翔實，適合作為理工科高等院校本科生、研究生教學用書，也可作為廣大科研工程技術人員的參考書。

圖書目錄

第一部分 MATLAB 基礎知識

第 1 章 初識 MATLAB.. 3

1.1 工作環境.. 3

1.1.1 操作界面簡介 .. 3

1.1.2 命令行視窗 4

1.1.3 命令歷史記錄視窗. 6

1.1.4 當前資料夾視窗和路徑管理 . 8

1.1.5 搜尋路徑 8

1.1.6 工作區視窗和數組編輯器 10

1.1.7 變數的編輯命令 .. 11

1.1.8 存取數據檔案 12

1.2 幫助系統 13

1.2.1 純文本幫助. 13

1.2.2 幫助導航 . 13

1.2.3 示例幫助 . 14

1.3 本章小結 14

第 2 章 MATLAB基礎 15

2.1 基本概念 15

2.1.1 數據類型概述 15

2.1.2 整數類型 . 16

2.1.3 浮點數類型. 18

2.1.4 常量與變數. 19

2.1.5 標量、向量、矩陣與數組 20

2.1.6 字元型數據. 21

2.1.7 運算符.. 22

2.1.8 複數 24

2.1.9 無窮量和非數值量.. 25

2.2 向量. 25

2.2.1 向量的生成. 26

2.2.2 向量的加減和數乘運算 27

2.2.3 向量的點積和叉積運算 28

14 MATLAB 信號處理（第 2 版）

2.3 數組. 30

2.3.1 數組的創建和操作.. 30

2.3.2 數組的常見運算 .. 33

2.4 矩陣. 37

2.4.1 矩陣生成 . 37

2.4.2 向量的生成. 40

2.4.3 矩陣加減運算 41

2.4.4 矩陣乘法運算 42

2.4.5 矩陣的除法運算 .. 43

2.4.6 矩陣的分解運算 .. 43

2.5 字元串 44

2.5.1 字元串變數與一維字元數組 .. 44

2.5.2 對字元串的多項操作. 45

2.5.3 二維字元數組 46

2.6 符號. 48

2.6.1 符號表達式的生成.. 48

2.6.2 符號矩陣 . 48

2.6.3 常用符號運算 49

2.7 關係運算和邏輯運算.. 50

2.7.1 關係運算 . 50

2.7.2 邏輯運算 . 51

2.7.3 常用函式 . 53

2.8 複數. 54

2.8.1 複數和復矩陣的生成. 55

2.8.2 複數的運算. 56

2.9 數據類型間的轉換56

2.10 本章小結. 58

第 3 章 程式設計.. 59

3.1 MATLAB 編程概述 59

3.1.1 編輯器視窗. 59

3.1.2 編程原則 . 61

3.2 M 檔案和函式 . 62

3.2.1 M 檔案.. 62

3.2.2 匿名函式 . 64

3.2.3 主函式與子函式 .. 65

3.2.4 重載函式 . 66

3.2.5 eval、feval 函式 66

3.2.6 內聯函式 . 68

3.2.7 向量化和預分配 .. 70

目 錄 15

3.2.8 函式參數傳遞 71

3.3 程式控制 73

3.3.1 分支控制語句 74

3.3.2 循環控制語句 75

3.3.3 其他控制語句 78

3.4 程式調試和最佳化. 82

3.4.1 程式調試命令 82

3.4.2 常見錯誤類型 83

3.4.3 效率最佳化 . 86

3.4.4 記憶體最佳化 . 87

3.5 本章小結 88

第 4 章 圖形繪製.. 89

4.1 數據圖像繪製簡介89

4.1.1 離散數據可視化 .. 89

4.1.2 連續函式可視化 .. 91

4.2 二維繪圖 93

4.2.1 二維圖形繪製 93

4.2.2 二維圖形的修飾 .. 95

4.2.3 子圖繪製法101

4.2.4 二維繪圖的經典套用103

4.3 三維繪圖..107

4.3.1 三維繪圖函式 ..107

4.3.2 隱藏線的顯示和關閉110

4.3.3 三維繪圖的實際套用111

4.4 特殊圖形繪製 112

4.4.1 繪製特殊二維圖形.112

4.4.2 繪製特殊三維圖形.113

4.5 本章小結..116

第二部分 信號處理理論

第 5 章 信號處理基礎.. 119

5.1 離散時間信號的概念.119

5.1.1 序列的定義119

5.1.2 採樣定理 120

5.2 典型離散時間序列 ..122

5.2.1 單位衝激序列 ..122

5.2.2 單位階躍序列 ..123

5.2.3 矩形序列 124

16 MATLAB 信號處理（第 2 版）

5.2.4 正弦序列 125

5.2.5 實指數序列126

5.2.6 復指數序列127

5.2.7 周期序列 128

5.3 信號基本運算 128

5.3.1 序列相加與相乘 .128

5.3.2 序列值累加與乘積.130

5.3.3 序列翻轉與移位 .130

5.3.4 連續信號的尺度變換132

5.3.5 連續信號的奇偶分解133

5.3.6 信號的積分和微分.134

5.3.7 卷積運算 136

5.4 信號波形的產生136

5.4.1 隨機信號函式 ..136

5.4.2 方波函式 137

5.4.3 非周期方波函式 .137

5.4.4 三角波函式138

5.4.5 非周期三角波函式.139

5.4.6 sinc 函式.140

5.4.7 diric 函式 140

5.4.8 高斯調製正弦脈衝信號函式 .141

5.4.9 衝激串函式142

5.4.10 線性調頻函式 143

5.4.11 高斯單脈衝函式145

5.5 線性連續時間系統的時域分析..146

5.5.1 零狀態與零輸入的求解分析 .146

5.5.2 數值求解 147

5.5.3 衝激回響和階躍回響分析..148

5.5.4 卷積求解 150

5.6 離散時間系統 151

5.6.1 離散時間系統概述.151

5.6.2 離散時間系統回響.152

5.6.3 離散時間系統的衝激回響和階躍回響..153

5.6.4 離散時間信號的卷積和運算 .154

5.6.5 離散時間系統模型.156

5.6.6 離散系統模型變換.157

5.7 本章小結..166

第 6 章 信號變換 167

6.1 Z 變換概述..167

目 錄 17

6.1.1 Z 變換的定義167

6.1.2 Z 變換的收斂域 ..168

6.1.3 Z 逆變換 .169

6.1.4 Z 變換的性質171

6.2 離散系統中的 Z 域描述.174

6.2.1 離散系統函式頻域分析 ..175

6.2.2 離散系統函式零點分析 ..177

6.2.3 離散系統差分函式求解 ..179

6.3 傅立葉變換概述182

6.3.1 傅立葉級數和傅立葉變換..182

6.3.2 周期序列的離散傅立葉級數 .183

6.3.3 離散傅立葉變換 .183

6.3.4 離散傅立葉變換的性質 ..186

6.4 頻率域採樣 .187

6.4.1 頻率回響的混疊失真187

6.4.2 頻譜泄漏 188

6.4.3 柵欄效應 188

6.4.4 頻率解析度188

6.5 快速傅立葉變換190

6.5.1 直接計算 DFT的問題及改進途徑..190

6.5.2 基 2 時分的 FFT算法191

6.5.3 基 2 頻分的 FFT算法192

6.5.4 快速傅立葉變換函式 193

6.6 離散餘弦變換 199

6.6.1 一維離散餘弦變換.199

6.6.2 二維離散餘弦變換.199

6.6.3 離散餘弦變換函式.200

6.7 Chirp Z 變換 201

6.8 本章小結..204

第 7 章 IIR 濾波器設計 205

7.1 數字濾波器概述205

7.1.1 濾波器的原理 ..205

7.1.2 濾波器的分類 ..206

7.1.3 數字濾波器表達方式207

7.1.4 濾波函式 207

7.2 IIR 濾波器結構 .212

7.2.1 直接型.212

7.2.2 級聯型.215

7.2.3 並聯型.220

18 MATLAB 信號處理（第 2 版）

7.3 模擬濾波器原型設計.225

7.3.1 巴特沃斯濾波器 .226

7.3.2 切比雪夫Ⅰ型濾波器 234

7.3.3 切比雪夫 II 型濾波器 ..238

7.3.4 橢圓濾波器243

7.4 模擬濾波器頻率變換.246

7.4.1 低通到低通246

7.4.2 低通到高通249

7.4.3 低通到帶通251

7.4.4 低通到帶阻253

7.5 IIR 濾波器的頻率變換 ..255

7.5.1 頻率移位變換 ..255

7.5.2 實低通到實低通 .258

7.5.3 實低通到實高通 .259

7.5.4 低通到帶通260

7.5.5 低通到帶阻262

7.5.6 低通到多帶265

7.5.7 低通到多點268

7.5.8 復帶通到復帶通 .271

7.6 模擬濾波器的離散化.272

7.6.1 衝激回響不變法 .272

7.6.2 雙線性變換法 ..276

7.7 頻率回響函式 282

7.8 本章小結..285

第 8 章 FIR濾波器設計 . 286

8.1 FIR 濾波器的結構286

8.1.1 直接型結構286

8.1.2 級聯型結構287

8.1.3 頻率採樣型結構 .288

8.1.4 快速卷積型結構 .293

8.2 線性相位 FIR 濾波器的特性 ..293

8.2.1 相位條件 293

8.2.2 線性相位 FIR 濾波器頻率回響的特點 .294

8.2.3 線性相位 FIR 濾波器的零點特性302

8.3 窗函式法設計 FIR 濾波器 304

8.3.1 窗函式的基本原理.304

8.3.2 矩形窗.305

8.3.3 三角窗.307

8.3.4 漢寧窗.308

目 錄 19

8.3.5 海明窗.310

8.3.6 布萊克曼窗313

8.3.7 巴特窗.315

8.3.8 凱塞窗.317

8.3.9 窗函式設計法 ..318

8.3.10 濾波器設計函式320

8.4 頻率採樣的 FIR 濾波器設計 ..327

8.4.1 設計方法 327

8.4.2 誤差設計 328

8.5 FIR 濾波器的最優設計..331

8.5.1 均方誤差最小化準則 331

8.5.2 最大誤差最小化準則 331

8.5.3 切比雪夫最佳一致逼近 ..331

8.5.4 約束最小二乘法 .334

8.6 FIR 濾波器設計函式 ..335

8.6.1 firpm 函式 ..335

8.6.2 firpmord 函式 336

8.6.3 cfirpm 函式 337

8.6.4 firls 函式 .339

8.6.5 fircls 函式 ..340

8.6.6 fircls1 函式.341

8.6.7 sgolay 函式.342

8.7 本章小結..343

第 9 章 其他濾波器.. 344

9.1 維納濾波器 .344

9.1.1 理論基礎 344

9.1.2 MATLAB 實現..345

9.2 卡爾曼濾波器 348

9.2.1 理論基礎 348

9.2.2 MATLAB 實現..349

9.3 自適應濾波器 350

9.3.1 理論基礎 351

9.3.2 MATLAB 實現..351

9.4 格型濾波器 .353

9.4.1 全零點格型濾波器.354

9.4.2 全極點格型濾波器.356

9.4.3 零極點的格型結構.356

9.5 線性預測濾波器358

9.5.1 AR 模型..358

20 MATLAB 信號處理（第 2 版）

9.5.2 MA 模型 .363

9.5.3 ARMA 模型365

9.6 本章小結..368

第 10 章 隨機信號處理 369

10.1 隨機信號處理基礎 369

10.1.1 時域統計描述.369

10.1.2 平穩隨機序列及其數字特徵371

10.1.3 平穩隨機序列的功率譜 .372

10.1.4 隨機信號處理函式 ..373

10.2 非參數估計法..378

10.2.1 周期圖法 ..378

10.2.2 修正周期圖法.380

10.2.3 Welch 法382

10.2.4 多窗法386

10.2.5 基於經典譜估計的系統辨識388

10.3 參數估計法 ..391

10.3.1 Yule-Walker 法..391

10.3.2 Burg 法 ..393

10.3.3 協方差和修正協方差法 .396

10.4 子空間法397

10.5 本章小結399

第 11 章 小波信號分析 400

11.1 小波分析概述..400

11.1.1 小波變換與傅立葉變換的比較 ..400

11.1.2 多分辨分析 .402

11.1.3 小波變換 ..403

11.1.4 小波包分析 .406

11.1.5 幾種常用的小波 407

11.2 信號的重構 ..409

11.2.1 idwt 函式 ..409

11.2.2 wavedec 函式 ..410

11.2.3 upcoef 函式..411

11.2.4 upwlev 函式 .412

11.2.5 wrcoef 函式 ..413

11.2.6 wprec 函式414

11.2.7 wprcoef 函式 ..414

11.3 提升小波變換用於信號處理.415

11.4 信號去噪422

11.4.1 信號閾值去噪.422

目 錄 21

11.4.2 常用的去噪函式 423

11.5 小波變換在信號處理中的套用 427

11.5.1 分離信號的不同成分..428

11.5.2 識別信號的頻率區間與發展趨勢..431

11.5.3 圖像信號的局部壓縮..432

11.5.4 數字水印套用.434

11.6 本章小結436

第三部分 信號處理實踐

第 12 章 語音信號處理 439

12.1 語音信號產生的過程439

12.2 語音信號產生的數學模型 .440

12.2.1 激勵模型 ..440

12.2.2 聲道模型 ..441

12.2.3 輻射模型 ..442

12.2.4 數位化和預處理 442

12.3 語音信號分析和濾波處理 .445

12.3.1 語音信號的採集 445

12.3.2 語音信號的讀入與打開.445

12.3.3 語音信號分析.446

12.3.4 含噪語音信號的合成..447

12.3.5 濾波器的設計.449

12.4 語音信號處理中的小波變換.456

12.4.1 語音信號增強.457

12.4.2 語音信號壓縮.458

12.5 本章小結459

第 13 章 通信信號處理 460

13.1 幅度調製460

13.1.1 DSB-AM 調製.460

13.1.2 普通 AM 調製 .461

13.1.3 SSB-AM 調製 .462

13.1.4 殘留邊帶幅度調製 ..464

13.2 角度調製464

13.3 數字調製466

13.3.1 FSK 調製 ..466

13.3.2 PSK 調製 ..467

13.3.3 QAM 調製.468

13.4 自適應均衡 ..470

22 MATLAB 信號處理（第 2 版）

13.4.1 遞推最小二乘算法 ..470

13.4.2 盲均衡算法 .472

13.5 本章小結475

第 14 章 雷達信號處理 476

14.1 雷達基本原理概述476

14.2 雷達的用途 ..476

14.2.1 雙/多基地雷達477

14.2.2 相控陣雷達 .477

14.2.3 寬頻/超寬頻雷達 ..477

14.2.4 合成孔徑雷達.477

14.2.5 毫米波雷達 .478

14.2.6 雷射雷達 ..478

14.3 線性調頻脈衝壓縮雷達仿真.478

14.3.1 匹配濾波器 .478

14.3.2 線性調頻信號.479

14.3.3 相位編碼信號.481

14.3.4 噪聲和雜波的產生 ..482

14.3.5 雜波建模 ..485

14.4 動目標的顯示與檢測489

14.5 本章小結494

第 15 章 信號處理工具 495

15.1 SPTool工具 ..495

15.1.1 主視窗495

15.1.2 導入數據 ..496

15.1.3 信號瀏覽器 .497

15.1.4 濾波瀏覽器 .497

15.1.5 頻譜瀏覽器 .499

15.2 濾波器設計器..499

15.2.1 IIR 濾波器的設計 .501

15.2.2 FIR 濾波器的設計 502

15.3 信號分析工具..503

15.3.1 選擇要分析的信號 ..503

15.3.2 預處理信號 .504

15.3.3 探查信號 ..504

15.4 本章小結506

參考文獻 .. 507