Технология обучения в процессе компьютерного моделирования на основе созданных авторами программ или графического интерфейса пользователя MATLAB расширяет теоретические знания и позволяет понять многие важные проблемы и аспекты практического применения методов и алгоритмов ЦОС.

На прилагаемом CD хранятся обучающие программы и таблицы исходных данных.

 

 

Содержание

 

Часть I. Знакомство с MATLAB 13

 

Глава 1. Знакомство с MATLAB. Основные объекты языка MATLAB 15

1.1. Краткая теоретическая справка 15

1.1.1. Режим прямых вычислений 16

1.1.2. Базовые объекты языка MATLAB 16

1.1.3. Рабочая область памяти Workspace 25

1.1.4. Сохранение данных на диске 26

1.2. Содержание лабораторной работы 26

1.3. Задание на лабораторную работу 26

1.4. Задание на самостоятельную работу 31

1.5. Отчет и контрольные вопросы 32

1.6. Литература 33

 

Глава 2. Операции с матрицами 34

2.1. Краткая теоретическая справка 34

2.1.1. Функции генерации типовых матриц 36

2.1.2. Преобразование матриц 36

2.1.3. Поэлементные операции с матрицами 37

2.1.4. Операции с матрицами в задачах линейной алгебры 38

2.1.4.1. Арифметические операции с матрицами 38

2.1.4.2. Транспонирование и эрмитово сопряжение матриц 39

2.1.4.3. Обращение матриц 41

2.1.4.4. Матричное деление 41

2.1.5. Норма матрицы и вектора 42

2.1.6. Операции с матрицами в задачах математической статистики 43

2.2. Содержание лабораторной работы 44

2.3. Задание на лабораторную работу 45

2.4. Задание на самостоятельную работу 48

2.5. Отчет и контрольные вопросы 48

2.6. Литература 49

 

Глава 3. Типы массивов 50

3.1. Краткая теоретическая справка 50

3.1.1. Матрицы числового и логического типов 51

3.1.2. Матрицы символьного типа 51

3.1.3. Структуры (массивы записей) 53

3.1.4. Массивы ячеек 55

3.1.5. Определение типа массива 56

3.2. Содержание лабораторной работы 56

3.3. Задание на лабораторную работу 56

3.4. Задание на самостоятельную работу 58

3.5. Отчет и контрольные вопросы 59

3.6. Литература 59

 

Глава 4. Средства графики 60

4.1. Краткая теоретическая справка 60

4.1.1. Двумерные графики 61

4.1.2. Управление свойствами двумерных графиков 61

4.1.3. Трехмерные графики 64

4.1.4. Управление свойствами трехмерных графиков 65

4.2. Содержание лабораторной работы 66

4.3. Задание на лабораторную работу 66

4.4. Задание на самостоятельную работу 69

4.5. Отчет и контрольные вопросы 70

4.6. Литература 71

 

Глава 5. Режим программирования: script-файлы и function-файлы 72

5.1. Краткая теоретическая справка 72

5.1.1. Script-файлы 72

5.1.2. Function-файлы 73

5.1.3. Оформление и вывод листинга M-файлов 74

5.1.4. Ввод/вывод данных 75

5.1.5. Пауза и досрочное прерывание программы 76

5.1.6. Создание и хранение M-файлов 77

5.2. Содержание лабораторной работы 78

5.3. Задание на лабораторную работу 78

5.4. Задание на самостоятельную работу 80

5.5. Отчет и контрольные вопросы 81

5.6. Литература 82

 

Глава 6. Режим программирования: организация разветвлений и циклов 83

6.1. Краткая теоретическая справка 83

6.1.1. Операторы организации разветвлений 83

6.1.2. Операторы организации циклов 85

6.2. Содержание лабораторной работы 88

6.3. Задание на лабораторную работу 88

6.4. Задание на самостоятельную работу 90

6.5. Отчет и контрольные вопросы 91

6.6. Литература 91

 

Часть II. Моделирование цифровой обработки сигналов в MATLAB 93

 

Глава 7. Дискретные сигналы

95

7.1. Краткая теоретическая справка 95

7.1.1. Детерминированные дискретные сигналы 96

7.1.2. Случайные дискретные сигналы 97

7.2. Содержание лабораторной работы 101

7.3. Задание на лабораторную работу 101

7.4. Типовой script-файл для выполнения лабораторной работы 107

7.5. Задание на самостоятельную работу 115

7.6. Отчет и контрольные вопросы 118

7.7. Литература 119

 

Глава 8. Линейные дискретные системы 120

8.1. Краткая теоретическая справка 120

8.1.1. Описание ЛДС во временной области 121

8.1.2. Описание ЛДС в z-области 123

8.1.3. Описание ЛДС в частотной области 125

8.1.4. Структуры звеньев 2-го порядка 127

8.2. Содержание лабораторной работы 130

8.3. Задание на лабораторную работу 130

8.4. Типовой script-файл для выполнения лабораторной работы 134

8.4.1. Используемые внешние функции 140

8.5. Задание на самостоятельную работу 140

8.6. Отчет и контрольные вопросы 141

8.7. Литература 142

 

Глава 9. Дискретное преобразование Фурье (часть 1) 143

9.1. Краткая теоретическая справка 143

9.1.1. Дискретное преобразование Фурье 143

9.1.2. Выделение дискретных гармоник полезного сигнала 145

9.1.3. Восстановление спектральной плотности 146

9.1.4. Восстановление аналогового сигнала 147

9.2. Содержание лабораторной работы 148

9.3. Задание на лабораторную работу 148

9.4. Типовой script-файл для выполнения лабораторной работы 153

9.4.1. Используемые внешние функции 162

9.5. Задание на самостоятельную работу 163

9.6. Отчет и контрольные вопросы 164

9.7. Литература 165

 

Глава 10. Дискретное преобразование Фурье (часть 2) 166

10.1. Краткая теоретическая справка 166

10.1.1. Растекание спектра 166

10.1.2. Улучшение различения дискретных гармоник с близко расположенными частотами 167

10.1.3. Вычисление линейных и круговых сверток с помощью ДПФ 167

10.1.4. Вычисление секционированных сверток с помощью ДПФ 169

10.2. Содержание лабораторной работы 169

10.3. Задание на лабораторную работу 169

10.4. Типовой script-файл для выполнения лабораторной работы 175

10.4.1. Используемые внешние функции 184

10.5. Задание на самостоятельную работу 185

10.6. Отчет и контрольные вопросы 186

10.7. Литература 186

 

Глава 11. Синтез КИХ-фильтров методом окон 187

11.1. Краткая теоретическая справка 187

11.1.1. Свойства КИХ-фильтров 188

11.1.2. Задание требований к АЧХ 189

11.1.3. Структуры КИХ-фильтров 193

11.1.4. Процедура синтеза КИХ-фильтров методом окон 195

11.1.5. Синтез КИХ-фильтров методом окон в MATLAB 196

11.2. Содержание лабораторной работы 197

11.3. Задание на лабораторную работу 198

11.4. Типовой script-файл для выполнения лабораторной работы 202

11.4.1. Синтез и анализ КИХ-фильтра ФНЧ 202

11.4.2. Синтез и анализ КИХ-фильтра ФВЧ 205

11.4.3. Синтез и анализ КИХ-фильтра ПФ 208

11.4.4. Синтез и анализ КИХ-фильтра РФ 210

11.4.5. Используемые внешние функции 213

11.5. Задание на самостоятельную работу 216

11.6. Отчет и контрольные вопросы 217

11.7. Литература 218

 

Глава 12. Синтез КИХ-фильтров методом наилучшей равномерной (чебышевской) аппроксимации 219

12.1. Краткая теоретическая справка 219

12.1.1. Процедура синтеза КИХ-фильтров методом чебышевской аппроксимации 219

12.1.2. Синтез КИХ-фильтров методом чебышевской аппроксимации в MATLAB 222

12.1.3. Описание требований к характеристике затухания в виде объекта fdesign 223

12.1.4. Синтез КИХ-фильтров в виде объектов dfilt на основе объектов fdesign 225

12.2. Содержание лабораторной работы 226

12.3. Задание на лабораторную работу 226

12.4. Типовой script-файл для выполнения лабораторной работы 232

12.4.1. Синтез и анализ КИХ-фильтра ФНЧ 232

12.4.2. Синтез и анализ КИХ-фильтра ФВЧ 235

12.4.3. Синтез и анализ КИХ-фильтра ПФ 239

12.4.4. Синтез и анализ КИХ-фильтра РФ 242

12.4.5. Используемые внешние функции 245

12.5. Задание на самостоятельную работу 246

12.6. Отчет и контрольные вопросы 247

12.7. Литература 248

 

Глава 13. Синтез БИХ-фильтров методом билинейного Z-преобразования 249

13.1. Краткая теоретическая справка 249

13.1.1. Задание требований к характеристике затухания 249

13.1.2. Структуры БИХ-фильтров 250

13.1.3. Процедура синтеза БИХ-фильтров методом билинейного Z-преобразования 252

13.1.4. Синтез аналоговых фильтров в MATLAB 253

13.1.5. Синтез БИХ-фильтров методом билинейного Z-преобразования в MATLAB 253

13.1.6. Синтез БИХ-фильтров в виде объектов dfilt на основе объектов fdesign 255

13.1.7. Расстановка звеньев и масштабирование в каскадных структурах БИХ-фильтров 256

13.2. Содержание лабораторной работы 256

13.3. Задание на лабораторную работу 256

13.4. Типовой script-файл для выполнения лабораторной работы 261

13.4.1. Синтез и анализ БИХ-фильтра ФНЧ 261

13.4.2. Синтез и анализ БИХ-фильтра ФВЧ 266

13.4.3. Синтез и анализ БИХ-фильтра ПФ 270

13.4.4. Синтез и анализ БИХ-фильтра РФ 274

13.4.5. Используемые внешние функции 278

13.5. Задание на самостоятельную работу 279

13.6. Отчет и контрольные вопросы 280

13.7. Литература 280

 

Глава 14. Синтез цифровых фильтров средствами GUI FDATool и FilterBuilder 281

14.1. Краткая теоретическая справка 281

14.1.1. Синтез цифровых фильтров в GUI FDATool 281

14.1.2. Экспорт из GUI FDATool в Workspace 283

14.1.3. Синтез цифровых фильтров в FilterBuilder GUI 284

14.2. Содержание лабораторной работы 287

14.3. Задание на лабораторную работу 287

14.4. Задание на самостоятельную работу 297

14.5. Отчет и контрольные вопросы 298

14.6. Литература 298

 

Глава 15. Цифровые фильтры с фиксированной точкой 299

15.1. Краткая теоретическая справка 299

15.1.1. Эффекты квантования в структуре ЦФ с ФТ 300

15.1.2. Моделирование структуры исходного ЦФ в GUI FDATool 301

15.1.3. Моделирование структуры ЦФ с ФТ в GUI FDATool 301

15.1.3.1. Установка свойств ЦФ с ФТ на вкладке Coefficients 303

15.1.3.2. Установка свойств ЦФ с ФТ на вкладке Input/Output 305

15.1.3.3. Установка свойств ЦФ с ФТ на вкладке Filter Internals 309

15.1.4. Моделирование структуры ЦФ с ФТ в FilterBuilder GUI 313

15.2. Содержание лабораторной работы 316

15.3. Задание на лабораторную работу 317

15.4. Задание на самостоятельную работу 322

15.5. Отчет и контрольные вопросы 322

15.6. Литература 323

 

Глава 16. Спектральный анализ: непараметрические методы 324

16.1. Краткая теоретическая справка 324

16.1.1. Метод периодограмм 325

16.1.2. Основные показатели качества оценок СПМ 328

16.1.3. Метод периодограмм Даньелла 330

16.1.4. Метод периодограмм Бартлетта 332

16.1.5. Метод периодограмм Уэлча 333

16.1.6. Метод Блэкмана—Тьюки 334

16.1.7. Моделирование случайной последовательности с требуемой АКФ 337

16.1.8. Основные параметры окон 339

16.1.9. Спектрограмма 339

16.2. Содержание лабораторной работы 340

16.3. Задание на лабораторную работу 340

16.4. Типовой script-файл для выполнения лабораторной работы 346

16.5. Задание на самостоятельную работу 355

16.6. Отчет и контрольные вопросы 356

16.7. Литература 357

 

Глава 17. Спектральный анализ: параметрические методы 358

17.1. Краткая теоретическая справка 358

17.1.1. АРСС-, АР- и СС-модели 359

17.1.2. Метод Юла—Уолкера (автокорреляционный) оценки параметров АР-модели 361

17.1.3. Методы оценки параметров АР-модели 364

17.1.4. Методы оценки СПМ 366

17.1.5. Оценка порядка АР-модели 367

17.1.6. Сравнение оценок СПМ с истинной СПМ 368

17.2. Содержание лабораторной работы 368

17.3. Задание на лабораторную работу 369

17.4. Типовой script-файл для выполнения лабораторной работы 373

17.5. Задание на самостоятельную работу 380

17.6. Отчет и контрольные вопросы 381

17.7. Литература 382

 

Глава 18. Спектральный анализ средствами GUI SPTool 383

18.1. Краткая теоретическая справка 383

18.1.1. Обращение к GUI SPTool 383

18.1.2. Сигналы: группа Signals 384

18.1.3. Моделирование системы цифровой фильтрации: группа Filters 387

18.1.4. Спектральный анализ: группа Spectra 389

18.1.5. Экспорт данных из GUI SPTool 391

18.2. Содержание лабораторной работы 392

18.3. Задание на лабораторную работу 392

18.4. Задание на самостоятельную работу 397

18.5. Отчет и контрольные вопросы 399

18.6. Литература 400

 

Глава 19. Многоскоростные системы ЦОС 401

19.1. Краткая теоретическая справка 401

19.1.1. Система однократной интерполяции 402

19.1.2. Система однократной децимации 406

19.1.3. Система однократной передискретизации 409

19.1.4. Полифазные структуры многоскоростных систем 410

19.2. Содержание лабораторной работы 415

19.3. Задание на лабораторную работу 415

19.4. Типовой script-файл для выполнения лабораторной работы 421

19.5. Задание на самостоятельную работу 431

19.6. Отчет и контрольные вопросы 433

19.7. Литература 434

 

Глава 20. Моделирование полифазных структур многоскоростных систем средствами GUI FDATool и FilterBuilder 435

20.1. Краткая теоретическая справка 435

20.1.1. Моделирование полифазных структур в GUI FDATool 435

20.1.2. Моделирование полифазных структур в FilterBuilder GUI 440

20.1.3. Моделирование многоскоростных систем с полифазными структурами 441

20.2. Содержание лабораторной работы 441

20.3. Задание на лабораторную работу 441

20.4. Типовой script-файл для выполнения лабораторной работы 448

20.4.1. Система однократной интерполяции с полифазной структурой 449

20.4.2. Система однократной децимации с полифазной структурой 450

20.4.3. Система однократной передискретизации с полифазной структурой при повышении частоты дискретизации 452

20.4.4. Система однократной передискретизации с полифазной структурой при понижении частоты дискретизации 454

20.5. Задание на самостоятельную работу 456

20.6. Отчет и контрольные вопросы 456

20.7. Литература 457

 

Глава 21. Адаптивные фильтры 458

21.1. Краткая теоретическая справка 458

21.1.1. Фильтр Винера 460

21.1.2. Алгоритм LMS 463

21.1.3. Алгоритм RLS 467

21.1.4. Применение адаптивных фильтров 472

21.1.4.1. Идентификация систем 472

21.1.4.2. Оценка импульсной характеристики неизвестной системы 474

21.1.4.3. Очистка сигнала от шума 475

21.1.4.4. Выравнивание частотной характеристики неизвестной системы 477

21.2.4.5. Оценка параметров линейного предсказания сигнала 481

21.2. Содержание лабораторной работы 483

21.3. Задание на лабораторную работу 483

21.4. Типовой script-файл для выполнения лабораторной работы 491

21.5. Задание на самостоятельную работу 501

21.6. Отчет и контрольные вопросы 503

21.7. Литература 504

Список сокращений на английском языке 505

Список сокращений на русском языке 506

Предметный указатель 508