MATLAB信号处理（第2版）

本书以MATLAB R2020a为平台，面向初中级读者，由浅入深地讲解MATLAB在信号处理中的应用知识。本书按逻辑编排，自始至终采用实例描述，内容完整且每章相对独立，是一本全面讲解MATLAB信号处理的工具书。

全书分为3个部分共15章。第1部分介绍MATLAB的基础知识，涵盖MATLAB基本语法概念、程序设计方法、图形绘制技巧等；第2部分介绍数字信号处理基本理论及其MATLAB实现，涵盖信号处理基础、信号变换、IIR滤波器的设计、FIR滤波器设计、其他滤波器、小波在信号处理中的应用等；第3部分为基于MATLAB信号处理的具体应用，涵盖的内容有基于MATLAB的语音信号处理、通信信号处理、雷达信号处理以及信号处理的工具应用等内容。

本书以实用为目标，深入浅出，实例引导，讲解翔实，适合作为理工科高等院校本科生、研究生教学用书，也可作为广大科研工程技术人员的参考书。

沈再阳 毕业于清华大学，研究生学历，就职于核工业集团公司。精通MATLAB/Simulink系统仿真软件，熟练应用MATLAB进行图像处理、信号处理等。在国内外期刊发表论文多篇，申请并获得授权专利多项，参与的项目获得省部级、集团三等奖等奖项。

配套资源

微课视频 提供讲解MATLAB基础应用的微课视频，帮助读者快速入门。

程序代码 提供书中实例的程序代码，这些代码均已通过调试，帮助读者快速动手实践。

课件素材 提供大部分章节的课件素材，便于普通高校教师作为授课的讲义素材。

测试题库 提供MATLAB数学建模、科学计算方面的练习题库，便于读者巩固知识。

数字信号处理是随着信息学科和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科，它的重要性在各个领域的应用中日益增加。简言之，数字信号处理是把信号转换成用数字或符号表示的序列，通过计算机或信号处理设备，用数字的数值计算方法处理，以达到提取有用信息便于实际应用的目的。

MATLAB 是一个功能强大的数学软件，是用于算法开发、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，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。

目前，MATLAB 已成为图像处理、信号处理、通信原理、自动控制等专业的重要基础课程的首选实验平台，而对于学生而言最有效的学习途径是结合某一专业课程的学习掌握该软件的使用与编程。

1．本书特点

由浅入深，循序渐进：本书以初中级读者为对象，内容安排上考虑MATLAB 进行仿真和运算分析时的基础知识和实践操作，从基础开始，由浅入深地帮助读者掌握MATLAB的分析方法。

步骤详尽，内容新颖：本书结合作者多年MATLAB 使用经验及实际应用案例，将MATLAB 软件的使用方法与技巧详细地讲解给读者，使读者在阅读时能够快速掌握书中所讲内容。

实例典型，轻松易学：学习实际工程应用案例的具体操作是掌握MATLAB 最好的方式。本书通过综合应用案例，透彻翔实地讲解了MATLAB 在各领域的应用。

2．本书内容

本书以初中级读者为对象，结合多年MATLAB 使用经验与实际工程应用案例，将MATLAB 的使用方法与技巧详细地讲解给读者。本书在讲解过程中步骤详尽、内容新颖，讲解过程辅以相应的图示，使读者在阅读时一目了然，从而快速掌握书中所讲内容。

本书就数字信号处理的基本理论、算法及MATLAB 实现进行系统地论述。全书共分为 3 部分共15 章，

具体内容安排如下：

第一部分为MATLAB 基础知识，介绍MATLAB 的基本语法概念、程序设计方法、图形绘制技巧等内容，让读者对MATLAB 有一个概要性的认识。各章安排如下：

第1章 初识MATLAB

第2章 MATLAB基础

第3章 程序设计

第4章 图形绘制

第二部分为信号处理理论，介绍数字信号处理基本理论和方法及其MATLAB 实现，向读者展示了MATLAB 在处理数字信号方面的应用方法及技巧。各章安排如下：

第5章 信号处理基础

第6章 信号变换

第7章 IIR 滤波器设计

第8章 FIR 滤波器设计

第9章 其他滤波器

第10章 随机信号处理

第11章 小波信号分析

第三部分为信号处理实践，介绍MATLAB 在语音信号处理、通信信号处理、雷达信号处理中的应用，让读者进一步领略MATLAB的强大功能和广泛的应用范围。本部分还介绍了MATLAB中的信号处理工具。

各章安排如下：

第12章 语音信号处理

第13章 通信信号处理

第14章 雷达信号处理

第15章 信号处理工具

3．读者对象

本书适合于MATLAB 初学者和期望提高应用MATLAB 进行信号处理能力的读者，具体说明如下：

初学MATLAB 的技术人员

广大从事信号处理的科研工作人员

大中专院校的教师和在校生

相关培训机构的教师和学员

参加工作实习的“菜鸟”

MATLAB爱好者

4．读者服务

读者可以通过“算法仿真”微信公众号与作者联系，沟通图书使用方法，获取更多相关学习资源。公众号会不定期分享各类MATLAB 知识，帮助读者学习。

5．本书作者

本书由沈再阳编著，虽然作者在本书的编写过程中力求叙述准确、完善，但由于水平有限，书中有欠妥之处在所难免，希望读者和同仁能够及时指出，共同促进本书质量的提高。最后希望本书能为读者的学习和工作提供帮助！

编 者

2023年3月

第一部分 MATLAB基础知识

第1章 初识MATLAB3

1.1 工作环境

1.1.1 操作界面简介

1.1.2 命令行窗口

1.1.3 命令历史记录窗口

1.1.4 当前文件夹窗口和路径管理

1.1.5 搜索路径

1.1.6 工作区窗口和数组编辑器

1.1.7 变量的编辑命令

1.1.8 存取数据文件

1.2 帮助系统

1.2.1 纯文本帮助

1.2.2 帮助导航

1.2.3 示例帮助

1.3 本章小结

第2章 MATLAB基础

2.1 基本概念

2.1.1 数据类型概述

2.1.2 整数类型

2.1.3 浮点数类型

2.1.4 常量与变量

2.1.5 标量、向量、矩阵与数组

2.1.6 字符型数据

2.1.7 运算符

2.1.8 复数

2.1.9 无穷量和非数值量

2.2 向量

2.2.1 向量的生成

2.2.2 向量的加减和数乘运算

2.2.3 向量的点积和叉积运算

2.3 数组

2.3.1 数组的创建和操作

2.3.2 数组的常见运算

2.4 矩阵

2.4.1 矩阵生成

2.4.2 向量的生成

2.4.3 矩阵加减运算

2.4.4 矩阵乘法运算

2.4.5 矩阵的除法运算

2.4.6 矩阵的分解运算

2.5 字符串

2.5.1 字符串变量与一维字符数组

2.5.2 对字符串的多项操作

2.5.3 二维字符数组

2.6 符号

2.6.1 符号表达式的生成

2.6.2 符号矩阵

2.6.3 常用符号运算

2.7 关系运算和逻辑运算

2.7.1 关系运算

2.7.2 逻辑运算

2.7.3 常用函数

2.8 复数

2.8.1 复数和复矩阵的生成

2.8.2 复数的运算

2.9 数据类型间的转换

2.10 本章小结

第3章 程序设计

3.1 MATLAB编程概述

3.1.1 编辑器窗口

3.1.2 编程原则

3.2 M文件和函数

3.2.1 M文件

3.2.2 匿名函数

3.2.3 主函数与子函数

3.2.4 重载函数

3.2.5 eval、feval函数

3.2.6 内联函数

3.2.7 向量化和预分配

3.2.8 函数参数传递

3.3 程序控制

3.3.1 分支控制语句

3.3.2 循环控制语句

3.3.3 其他控制语句

3.4 程序调试和优化

3.4.1 程序调试命令

3.4.2 常见错误类型

3.4.3 效率优化

3.4.4 内存优化

3.5 本章小结

第4章 图形绘制

4.1 数据图像绘制简介

4.1.1 离散数据可视化

4.1.2 连续函数可视化

4.2 二维绘图

4.2.1 二维图形绘制

4.2.2 二维图形的修饰

4.2.3 子图绘制法

4.2.4 二维绘图的经典应用

4.3 三维绘图

4.3.1 三维绘图函数

4.3.2 隐藏线的显示和关闭

4.3.3 三维绘图的实际应用

4.4 特殊图形绘制

4.4.1 绘制特殊二维图形

4.4.2 绘制特殊三维图形

4.5 本章小结

第二部分 信号处理理论

第5章 信号处理基础

5.1 离散时间信号的概念

5.1.1 序列的定义

5.1.2 采样定理

5.2 典型离散时间序列

5.2.1 单位冲激序列

5.2.2 单位阶跃序列

5.2.3 矩形序列

5.2.4 正弦序列

5.2.5 实指数序列

5.2.6 复指数序列

5.2.7 周期序列

5.3 信号基本运算

5.3.1 序列相加与相乘

5.3.2 序列值累加与乘积

5.3.3 序列翻转与移位

5.3.4 连续信号的尺度变换

5.3.5 连续信号的奇偶分解

5.3.6 信号的积分和微分

5.3.7 卷积运算

5.4 信号波形的产生

5.4.1 随机信号函数

5.4.2 方波函数

5.4.3 非周期方波函数

5.4.4 三角波函数

5.4.5 非周期三角波函数

5.4.6 sinc函数

5.4.7 diric函数

5.4.8 高斯调制正弦脉冲信号函数

5.4.9 冲激串函数

5.4.10 线性调频函数

5.4.11 高斯单脉冲函数

5.5 线性连续时间系统的时域分析

5.5.1 零状态与零输入的求解分析

5.5.2 数值求解

5.5.3 冲激响应和阶跃响应分析

5.5.4 卷积求解

5.6 离散时间系统

5.6.1 离散时间系统概述

5.6.2 离散时间系统响应

5.6.3 离散时间系统的冲激响应和阶跃响应

5.6.4 离散时间信号的卷积和运算

5.6.5 离散时间系统模型

5.6.6 离散系统模型变换

5.7 本章小结

第6章 信号变换

6.1 Z变换概述

6.1.1 Z变换的定义

6.1.2 Z变换的收敛域

6.1.3 Z逆变换

6.1.4 Z变换的性质

6.2 离散系统中的Z域描述

6.2.1 离散系统函数频域分析

6.2.2 离散系统函数零点分析

6.2.3 离散系统差分函数求解

6.3 傅里叶变换概述

6.3.1 傅里叶级数和傅里叶变换

6.3.2 周期序列的离散傅里叶级数

6.3.3 离散傅里叶变换

6.3.4 离散傅里叶变换的性质

6.4 频率域采样

6.4.1 频率响应的混叠失真

6.4.2 频谱泄漏

6.4.3 栅栏效应

6.4.4 频率分辨率

6.5 快速傅里叶变换

6.5.1 直接计算DFT的问题及改进途径

6.5.2 基2时分的FFT算法

6.5.3 基2频分的FFT算法

6.5.4 快速傅里叶变换函数

6.6 离散余弦变换

6.6.1 一维离散余弦变换

6.6.2 二维离散余弦变换

6.6.3 离散余弦变换函数

6.7 Chirp Z变换

6.8 本章小结

第7章 IIR滤波器设计205

7.1 数字滤波器概述205

7.1.1 滤波器的原理205

7.1.2 滤波器的分类206

7.1.3 数字滤波器表达方式207

7.1.4 滤波函数207

7.2 IIR滤波器结构212

7.2.1 直接型212

7.2.2 级联型215

7.2.3 并联型220

7.3 模拟滤波器原型设计225

7.3.1 巴特沃斯滤波器226

7.3.2 切比雪夫Ⅰ型滤波器234

7.3.3 切比雪夫II型滤波器238

7.3.4 椭圆滤波器243

7.4 模拟滤波器频率变换246

7.4.1 低通到低通246

7.4.2 低通到高通249

7.4.3 低通到带通251

7.4.4 低通到带阻253

7.5 IIR滤波器的频率变换255

7.5.1 频率移位变换255

7.5.2 实低通到实低通258

7.5.3 实低通到实高通259

7.5.4 低通到带通260

7.5.5 低通到带阻262

7.5.6 低通到多带265

7.5.7 低通到多点268

7.5.8 复带通到复带通271

7.6 模拟滤波器的离散化272

7.6.1 冲激响应不变法272

7.6.2 双线性变换法276

7.7 频率响应函数282

7.8 本章小结285

第8章 FIR滤波器设计286

8.1 FIR滤波器的结构286

8.1.1 直接型结构286

8.1.2 级联型结构287

8.1.3 频率采样型结构288

8.1.4 快速卷积型结构293

8.2 线性相位FIR滤波器的特性293

8.2.1 相位条件293

8.2.2 线性相位FIR滤波器频率响应的特点294

8.2.3 线性相位FIR滤波器的零点特性302

8.3 窗函数法设计FIR滤波器304

8.3.1 窗函数的基本原理304

8.3.2 矩形窗305

8.3.3 三角窗307

8.3.4 汉宁窗308

8.3.5 海明窗310

8.3.6 布莱克曼窗313

8.3.7 巴特窗315

8.3.8 凯塞窗317

8.3.9 窗函数设计法318

8.3.10 滤波器设计函数320

8.4 频率采样的FIR滤波器设计327

8.4.1 设计方法327

8.4.2 误差设计328

8.5 FIR滤波器的最优设计331

8.5.1 均方误差最小化准则331

8.5.2 最大误差最小化准则331

8.5.3 切比雪夫最佳一致逼近331

8.5.4 约束最小二乘法334

8.6 FIR滤波器设计函数335

8.6.1 firpm函数335

8.6.2 firpmord函数336

8.6.3 cfirpm函数337

8.6.4 firls函数339

8.6.5 fircls函数340

8.6.6 fircls1函数341

8.6.7 sgolay函数342

8.7 本章小结343

第9章 其他滤波器344

9.1 维纳滤波器344

9.1.1 理论基础344

9.1.2 MATLAB实现345

9.2 卡尔曼滤波器348

9.2.1 理论基础348

9.2.2 MATLAB实现349

9.3 自适应滤波器350

9.3.1 理论基础351

9.3.2 MATLAB实现351

9.4 格型滤波器353

9.4.1 全零点格型滤波器354

9.4.2 全极点格型滤波器356

9.4.3 零极点的格型结构356

9.5 线性预测滤波器358

9.5.1 AR模型358

9.5.2 MA模型363

9.5.3 ARMA模型365

9.6 本章小结368

第10章 随机信号处理369

10.1 随机信号处理基础369

10.1.1 时域统计描述369

10.1.2 平稳随机序列及其数字特征371

10.1.3 平稳随机序列的功率谱372

10.1.4 随机信号处理函数373

10.2 非参数估计法378

10.2.1 周期图法378

10.2.2 修正周期图法380

10.2.3 Welch法382

10.2.4 多窗法386

10.2.5 基于经典谱估计的系统辨识388

10.3 参数估计法391

10.3.1 Yule-Walker法391

10.3.2 Burg法393

10.3.3 协方差和修正协方差法396

10.4 子空间法397

10.5 本章小结399

第11章 小波信号分析400

11.1 小波分析概述400

11.1.1 小波变换与傅里叶变换的比较400

11.1.2 多分辨分析402

11.1.3 小波变换403

11.1.4 小波包分析406

11.1.5 几种常用的小波407

11.2 信号的重构409

11.2.1 idwt函数409

11.2.2 wavedec函数410

11.2.3 upcoef函数411

11.2.4 upwlev函数412

11.2.5 wrcoef函数413

11.2.6 wprec函数414

11.2.7 wprcoef 函数414

11.3 提升小波变换用于信号处理415

11.4 信号去噪422

11.4.1 信号阈值去噪422

11.4.2 常用的去噪函数423

11.5 小波变换在信号处理中的应用427

11.5.1 分离信号的不同成分428

11.5.2 识别信号的频率区间与发展趋势431

11.5.3 图像信号的局部压缩432

11.5.4 数字水印应用434

11.6 本章小结436

第三部分 信号处理实践

第12章 语音信号处理439

12.1 语音信号产生的过程439

12.2 语音信号产生的数学模型440

12.2.1 激励模型440

12.2.2 声道模型441

12.2.3 辐射模型442

12.2.4 数字化和预处理442

12.3 语音信号分析和滤波处理445

12.3.1 语音信号的采集445

12.3.2 语音信号的读入与打开445

12.3.3 语音信号分析446

12.3.4 含噪语音信号的合成447

12.3.5 滤波器的设计449

12.4 语音信号处理中的小波变换456

12.4.1 语音信号增强457

12.4.2 语音信号压缩458

12.5 本章小结459

第13章 通信信号处理460

13.1 幅度调制460

13.1.1 DSB-AM调制460

13.1.2 普通AM调制461

13.1.3 SSB-AM调制462

13.1.4 残留边带幅度调制464

13.2 角度调制464

13.3 数字调制466

13.3.1 FSK调制466

13.3.2 PSK调制467

13.3.3 QAM调制468

13.4 自适应均衡470

13.4.1 递推最小二乘算法470

13.4.2 盲均衡算法472

13.5 本章小结475

第14章 雷达信号处理476

14.1 雷达基本原理概述476

14.2 雷达的用途476

14.2.1 双/多基地雷达477

14.2.2 相控阵雷达477

14.2.3 宽带/超宽带雷达477

14.2.4 合成孔径雷达477

14.2.5 毫米波雷达478

14.2.6 激光雷达478

14.3 线性调频脉冲压缩雷达仿真478

14.3.1 匹配滤波器478

14.3.2 线性调频信号479

14.3.3 相位编码信号481

14.3.4 噪声和杂波的产生482

14.3.5 杂波建模485

14.4 动目标的显示与检测489

14.5 本章小结494

第15章 信号处理工具495

15.1 SPTool工具495

15.2 滤波器设计器499

15.3 信号分析工具503

15.4 本章小结506

参考文献507