Simulink與信號處理

前言

　　在我上大學的時候，數(shù)字信號處理還是很新的東西。大學四年級下學期，系里開了一門“數(shù)字濾波器”選修課。當時班里年長一點的同學說，數(shù)字信號處理是電子工程的未來，所以我就“隨大流”選學了那門課。后來，我有機會去“數(shù)字濾波器”課程所用教材的編著者鄒理和教授所在的西安交通大學信號與系統(tǒng)教研室進修，接觸了更多這方面的知識。1986年，我用當時國內(nèi)極為難得的，美國德州儀器（Texas Instruments）公司的第一臺數(shù)字信號處理器產(chǎn)品——TMS32010，一個8位的數(shù)字信號處理器實現(xiàn)了一個用于雷達信號處理的自適應濾波器，于是開始對數(shù)字信號處理產(chǎn)生興趣，并對如何開發(fā)和研究數(shù)字信號處理系統(tǒng)有了一些想法。1988年我在南京航空航天大學任教，那時學校教務處和主管青年教師的校領導很有遠見，鼓勵青年教師從事科學研究。因此我在多年實踐的基礎上提出了用圖形框圖進行數(shù)字信號處理系統(tǒng)設計和開發(fā)的設想，并從學校得到了4000元人民幣的科研經(jīng)費。當時的4 000元差不多是我40個月的工資，作為啟動基金還是一個不小的數(shù)字。由于我那時在計算機圖形學，圖形用戶接口的編程方法以及高級程序設計等方面的知識幾乎是空白，課題進展極為困難，后來因為赴美留學，對這一課題的探索只得告一段落。攻讀博士學位期間，在幾位著名教授，如我的導師Richard J.Vaccaro、steven M.Kay和快速傅里葉變換（FFT）計算機實現(xiàn)的發(fā)明者之一的James W.Cooley等指導下，研究方向轉(zhuǎn)向信號處理的理論方面，也沒能有機會繼續(xù)進行用圖形框圖進行信號處理系統(tǒng)的模擬與設計的研究。

內(nèi)容概要

本書是學習和使用Simulink對信號處理系統(tǒng)進行模擬和仿真的參考書籍，是筆者對多年來在MathWorks工作期間與公司軟件開發(fā)人員及眾多用戶交流、切磋獲得的經(jīng)驗、體會的總結(jié)和提煉。全書共8章，介紹了Simulink的基本知識和Simulink的擴展之一——信號處理模塊集，并按照一般信號處理系統(tǒng)的組成方式和信號流程介紹如何用Simulink建立系統(tǒng)模型——包括信號的產(chǎn)生，信號的濾波，信號的統(tǒng)計參數(shù)與信號估計，以及如何在Simulink系統(tǒng)模型中實現(xiàn)復雜的數(shù)字信號處理算法。    這本書的重要特點是在討論信號處理系統(tǒng)建模時采用了大量實例。全書共提供了近100個Simulink模型文件，是學習Simulink軟件，掌握模塊特點和應用場合，進而建立復雜信號處理系統(tǒng)模型的寶貴參考資料。這本書的另一個重要特點是涉及面廣，取材新穎、實用。并且特別介紹了Simulink近幾年引入的幾個重要元素，如傳統(tǒng)代碼工具和內(nèi)嵌式MATLAB等。    本書可以作為電氣工程、自動控制及其他專業(yè)老師、學生，及相關(guān)工程技術(shù)人員的參考用書。

作者簡介

丁亦農(nóng)，MathWorks信號處理和通信應用的首席工程師。在2007年加盟MathWorks之前，他曾在德州儀器，思科系統(tǒng)公司和三星移動企業(yè)半導體和通信系統(tǒng)公司研究部門擔任研究人員/地區(qū)經(jīng)理。在美國，他有超過20個信號處理和無線通信等領域的國際專利。他于1991年在美國羅德島大學學習控制理論時，開始使用MATLAB。丁亦農(nóng)擁有電氣工程領域的博士，碩士和本科學位。在來美國追求他的研究生學習前，他曾任南京航空航天大學講師。

書籍目錄

第1章  Simulink簡介1  1.1  什么是Simulink1  1.2  Simulink的工作原理3    1.2.1  動態(tài)系統(tǒng)的模擬3    1.2.2  動態(tài)系統(tǒng)的仿真7    1.2.3  Simulink求解器9第2章  Simulink的基本知識11  2.1  Simulink的基本操作11    2.1.1  啟動Simulink11    2.1.2  打開系統(tǒng)模型12    2.1.3  輸入Simulink命令12    2.1.4  保存系統(tǒng)模型14    2.1.5  打印模型框圖15    2.1.6  常用鼠標和鍵盤操作16  2.2  用Simulink建立系統(tǒng)模型16    2.2.1  系統(tǒng)框圖17    2.2.2  模塊的選擇18    2.2.3  模塊的連接18    2.2.4  設置模塊參數(shù)和添加評注19    2.2.5  建立子系統(tǒng)22    2.2.6  條件執(zhí)行子系統(tǒng)23    2.2.7  使用回調(diào)子程序25    2.2.8  模型參照26    2.2.9  Simulink模型工作區(qū)26  2.3  Simulink的模塊27    2.3.1  Simulink的基本模塊27    2.3.2  常用模塊子集28    2.3.3  連續(xù)時間模塊子集32    2.3.4  非連續(xù)時間模塊子集33    2.3.5  離散模塊子集35    2.3.6  邏輯與位操作模塊子集37    2.3.7  查表模塊子集38    2.3.8  數(shù)學運算模塊子集44    2.3.9  端口與子系統(tǒng)模塊子集46    2.3.10  信號特征模塊子集49    2.3.11  信號路徑模塊子集52    2.3.12  匯集模塊子集55    2.3.13  源模塊子集55    2.3.14  用戶自定義函數(shù)模塊子集56  2.4  用Simulink進行系統(tǒng)仿真57    2.4.1  Simulink求解器的選擇58    2.4.2  仿真性能及精度的改善63第3章  Simulink的擴展——信號處理模塊集65  3.1  幾個重要概念65    3.1.1  信號65    3.1.2  信號的采樣時間65    3.1.3  樣本信號65    3.1.4  幀信號68  3.2  信號處理模塊集的特征71    3.2.1  幀操作71    3.2.2  矩陣操作72    3.2.3  數(shù)據(jù)類型支持72    3.2.4  復雜的信號處理操作73    3.2.5  實時代碼生成73  3.3  采樣速率與幀頻率73    3.3.1  采樣速率與幀頻率的檢測73    3.3.2  幀信號Simulink模型中的采樣率75  3.4  模塊延遲(Delay)與反應時間(Latency)75    3.4.1  模塊延時的類型76    3.4.2  模塊反應時間76第4章  信號的產(chǎn)生81  4.1  離散時間信號81    4.1.1  有關(guān)時間與頻率的技術(shù)術(shù)語及定義81    4.1.2  進行離散時間系統(tǒng)仿真時Simulink的設置82    4.1.3  Simulink的其他設置83  4.2  連續(xù)時間信號85  4.3  信號的產(chǎn)生85    4.3.1  用常數(shù)模塊產(chǎn)生信號85    4.3.2  用信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生信號86    4.3.3  用來自工作區(qū)信號模塊產(chǎn)生信號88    4.3.4  隨機信號的產(chǎn)生89第5章  信號的濾波91  5.1  濾波器結(jié)構(gòu)及濾波器的特征指標91  5.2  濾波器設計子模塊庫94    5.2.1  模擬濾波器的設計95    5.2.2  數(shù)字濾波器的設計96    5.2.3  使用離散傅里葉變換進行數(shù)字濾波97  5.3  自適應濾波器的實現(xiàn)99  5.4  多采樣率濾波器的設計實例102    5.4.1  CIC濾波器的設計104    5.4.2  CIC濾波器的分析與量化106    5.4.3  補償FIR濾波器的設計109    5.4.4  補償FIR濾波器的量化與分析110    5.4.5  編程可調(diào)FIR濾波器的設計113  5.5  用MATLAB濾波器工具箱GUI進行濾波器設計114第6章  信號的統(tǒng)計參數(shù)與信號估計121  6.1  信號統(tǒng)計參數(shù)的估計與顯示121    6.1.1  基本工作模式(Basic Operations)122    6.1.2  流水工作模式(Running Operations)122    6.1.3  增容工作模式124  6.2  線性預測125    6.2.1  自相關(guān)函數(shù)與線性預測系數(shù)的關(guān)系125    6.2.2  萊文森—德賓(Levinson-Durbin)迭代126  6.3  自回歸過程的參數(shù)估計129    6.3.1  自回歸過程參數(shù)的估計方法130    6.3.2  自回歸參數(shù)的估計模塊132  6.4  自回歸過程的功率譜密度估計134第7章  復雜數(shù)字信號處理算法的實現(xiàn)137  7.1  在Simulink中使用自定義模塊137    7.1.1  Fcn和MATLAB Fcn模塊137    7.1.2  Embedded MATLAB Function模塊139  7.2  關(guān)于S-函數(shù)(S-Function)142    7.2.1  S-函數(shù)的特征與類型142    7.2.2  S-函數(shù)的工作原理143    7.2.3  S-函數(shù)的實現(xiàn)與使用144  7.3  在Simulink中使用C程序146  7.4  再談內(nèi)嵌式MATLAB148    7.4.1  內(nèi)嵌式MATLAB的特征148    7.4.2  內(nèi)嵌式MATLAB的主要命令149    7.4.3  內(nèi)嵌式MATLAB的編程實例150第8章  信號處理系統(tǒng)的建模與仿真實例153  8.1  在多輸入多輸出(MIMO)通信接收機中采用逐個干擾相消153    8.1.1  背景知識153    8.1.2  逐個干擾相消的工作原理154    8.1.3  MIMO-OFDM系統(tǒng)模型概述156    8.1.4  信道子系統(tǒng)158    8.1.5  最小均方誤差檢測子系統(tǒng)162    8.1.6  干擾相消與檢測子系統(tǒng)163    8.1.7  系統(tǒng)模擬與仿真163  8.2  濾波器滑變(Morphing) 在音頻信號處理中的應用164    8.2.1  數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)164    8.2.2  阿瑪?shù)牧_滑變167    8.2.3  濾波器滑變系統(tǒng)模型概述170    8.2.4  濾波器滑變系統(tǒng)模型的子系統(tǒng)172索引175參考文獻178

章節(jié)摘錄

　　Simulink是一個與MATLAB融為一體，對動態(tài)系統(tǒng)進行模擬、仿真和分析的應用軟件。這樣的動態(tài)系統(tǒng)可以是線性的、也可以是非線性的，可以是連續(xù)的、離散的，或者是兩者混合的系統(tǒng)。用simulink還可以對多速率系統(tǒng)進行有效的模擬、仿真和分析?！　imulink是基于模型的系統(tǒng)設計方法的平臺和工具　　在建立系統(tǒng)模型的基礎上進行系統(tǒng)設計是一個以系統(tǒng)模型為中心、以實現(xiàn)系統(tǒng)的要求和指標為目的進行系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)、測試及驗證的過程。在這一過程中，通過建模把通常以文字表達的對系統(tǒng)的要求、指標及規(guī)范轉(zhuǎn)化成為一個可執(zhí)行的系統(tǒng)模型。這一模型所代表的不僅僅是一個理想化、線性化的系統(tǒng)，而是在考慮并反映了實際系統(tǒng)及運行中可能存在的非線性、系統(tǒng)內(nèi)部噪聲、系統(tǒng)外部干擾等種種現(xiàn)象后得到的一個對系統(tǒng)的描述。使用simulink等于是把用戶的計算機變成了一個模擬和分析各種類型系統(tǒng)的實驗室?！　imulink的圖形用戶接口（GUI，Graphical User Interface）使用戶能像用紙和筆構(gòu)畫系統(tǒng)方框圖那樣用Sireulink提供的系統(tǒng)基本模塊建立系統(tǒng)模型。Simulink提供的系統(tǒng)基本模塊庫包括各類信號源，信號終端（顯示、示波器等），各類線性和非線性器件、連線、接插件等。如果Simulink提供的模塊不能滿足需要，用戶可以建立自定義模塊。Simulink提供的交互式圖形環(huán)境極大地簡化了建模過程，用戶沒有必要再像使用其他工具語言或程序那樣去建立描述系統(tǒng)的微分或差分方程式了。

編輯推薦

　　這本書的一個重要特征是在討論Simulink的工作原理、Simulink的基本模塊庫以及用Simulink建立信號處理系統(tǒng)模型時采用了大量實例，提供了近100個Simulink模型文件。這些建模實例建立在MATLAB/Simulink的R2009a的版本之上，并逐個進行了測試。它們是學習Simulink軟件，掌握模塊特征和應用場合，進而建立復雜信號處理系統(tǒng)模型的重要參考資料。本書的另一個重要特征是涉及面廣，取材新穎、實用。本書介紹了Simulink近幾年引入的幾個重要元素，如第7章中介紹的傳統(tǒng)代碼工具和內(nèi)嵌式MATLAB。使用傳統(tǒng)代碼工具已經(jīng)成為在用Simulink建立系統(tǒng)模型時采用C代碼的主要手段；而內(nèi)嵌式MATLAB的引入，為用Simulink進行系統(tǒng)建模，模擬，仿真及系統(tǒng)實現(xiàn)提供了不可或缺的，與Simulink圖形編程、圖形表達互補的文字編程功能。

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