第-章DSPBlockset

1、第11章 DSP Blockset11.1 DSP處理單元：幀11.2 DSP Blockset模塊(m kui)庫介紹共六十頁11.1 DSP處理單元：幀 11.1.1 基于幀的信號處理 大多數(shù)實時的數(shù)字信號處理系統(tǒng)都采用基于幀的處理方式，以提高系統(tǒng)性能，這里每幀包含相鄰的多個或者一組信號采樣。采用基于幀的處理方式更適合(shh)多數(shù)的數(shù)字信號處理算法，另外也可降低系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集硬件的要求。缺省情況下，Simulink所有信號都是基于采樣的。 共六十頁表11.1 基于(jy)采樣的信號和基于(jy)幀的信號基于采樣的信號基于幀的信號每個時間步處理一個采樣點每個時間步處理含有 N 個采樣點的一

2、幀仿真步長 = 采樣周期 = Ts仿真步長 = 幀周期 = N*Ts采樣頻率 Fs = 1/Ts幀頻率 = Fs/N采樣步長可變幀的大小可變，可以是工作區(qū)中的一個變量共六十頁 之所以采用基于幀的處理主要是考慮到數(shù)字信號處理本身的要求和數(shù)據(jù)通訊的開銷。顯然，基于幀的信號處理應(yīng)當比基于采樣的處理要復(fù)雜得多，但是Simulink利用MATLAB的矩陣功能(gngnng)極大地提高了處理的效率。通過基于幀的處理，減少了塊與塊之間的通訊，從而比使用基于采樣的信號進行仿真快得多。總之，利用基于幀的信號提高了仿真速度。而且，由于同樣的原因，大多數(shù)DSP系統(tǒng)也采用基于幀的處理。除此之外，基于幀的處理提供了在仿

3、真中進行頻域分析的能力。共六十頁 Simulink的所有模塊(m kui)都支持基于幀的處理，使得用戶可以方便地采用基于幀的信號進行算法仿真以及結(jié)合RTW產(chǎn)生實時代碼。 圖11.1說明了從連續(xù)信號經(jīng)過AD采樣得到采樣信號，然后將采樣信號組織成幀，送往Simulink處理的過程。 共六十頁圖11.1 基于(jy)幀的信號處理共六十頁 1. 緩沖和解緩沖 在Simulink中采樣信號和幀信號之間的轉(zhuǎn)換是通過緩沖模塊(m kui)（Buffer）來實現(xiàn)的。Buffer 塊有兩種用途：一是接受采樣輸入并產(chǎn)生一定幀大小的幀輸入；二是接受幀輸入，修改幀的大小，這種情況下必須使用緩沖模塊(m kui)。這兩

4、種情況下都涉及到幀之間的重疊和幀的初始值的設(shè)置問題。當通過采樣產(chǎn)生幀時，緩沖使用輸入標量生成一個列向量，如圖11.2所示。如果需要從一個幀信號產(chǎn)生一個采樣信號，則應(yīng)使用Unbuffer模塊。 共六十頁 Source庫中的許多信號源模塊同樣提供(tgng)基于幀的輸出，當然使用這些模塊作為輸入信號時，就無需使用Buffer塊，只需設(shè)置塊的幀長參數(shù)就可以了。圖11.2 緩沖(hunchng)模塊共六十頁 2. 幀的表示 通常(tngchng)，一幀是通過一個矩陣表示的。在幀矩陣中，每個通道的信號對應(yīng)矩陣中的一列，每個采樣對應(yīng)其中的一行（如圖11.3所示）。在基于幀的處理中，各個模塊沿著輸入的每一列

5、（通道）進行運算。圖11.3中有四個信號通道，每幀有兩個采樣，幀和幀之間沒有重疊。通常(tngchng)每幀的采樣數(shù)是2的冪次，以滿足FFT變換的需要。共六十頁圖11.3 幀矩陣(j zhn)共六十頁 3. 生成基于幀的信號 主要有三種(sn zhn)方法用來生成基于幀的多通道信號。 (1) DSP模塊庫中信號源庫DSP Sources中的塊提供了信號源塊，用于生成基于幀的信號。 (2) 所有的信號都可以通過緩沖塊成為幀。 (3) 將從若干個基于幀的信號源來的信號通過矩陣 拼接成一個幀矩陣，形成一個多路信號。 共六十頁圖11.4 DSP Constant 模塊(m kui)設(shè)置共六十頁 4.

6、觀察基于幀的信號 用戶可以使用DSP blockset提供的專門(zhunmn)的顯示模塊來觀察基于幀的信號。這些模塊中最常用的是Matrix Viewer（矩陣瀏覽器）和Vector Scope（向量示波器）。Matrix Viewer將輸入矩陣的行和列作為坐標軸，使用不同顏色表示矩陣元素的值，還可以根據(jù)需要自己建立一個顏色表。Vector Scope 顯示輸入的每一列（通道），按照指定幀的數(shù)目每次顯示整個數(shù)據(jù)。Vector Scope 可以顯示時域或頻域信號。圖11.5是基于幀的三個正弦信號（三個通道）分別用Matrix Viewer和 Vector Scope顯示的結(jié)果。此外還有內(nèi)置FF

7、T變換的Spectrum Scope用來直接顯示時域信號的頻譜。 共六十頁圖11.5 Matrix Viewer & Vector Scope共六十頁 5. 使用基于幀的信號 當一個信號線表示基于幀的信號時，Simulink用雙線來繪制?；趲男盘柼幚砜梢?ky)使用Simulink中對輸入的每個元素進行處理的塊，但是不能使用Simulink中對向量處理的模塊（例如Unit Delay和Mux）。實際上這些模塊中許多模塊在DSP Blockset中都有一個與之對應(yīng)，專門用來做基于幀的信號處理的版本。例如，在DSP Blockset中等價于Unit Delay的模塊是Integer Delay

8、模塊，與Mux等價的模塊是 Matrix Concatenation模塊。圖11.6所示的框圖是對隨機信號延遲30個步長后進行卷積處理。下面給出一個具有回響功能的聲學例子，讀者不妨一試。共六十頁圖11.6 基于(jy)幀的信號處理共六十頁 【例11.1】 試建立一個圓形劇場的聲學模型，假設(shè)有70%的信號被反射回來。 解：使用DSP SourcesFrom Wave File模塊加載一個聲音文件(*.wav)，采樣頻率為8000 Hz。圓形劇場的回聲效果(xiogu)導致70%的信號在2s之后反射回來，這里用一個增益為0.7的Gain模塊表示。其中使用一個Integer Delay模塊產(chǎn)生280

9、00的采樣延遲。最后使用一個DSP SinksTo Wave Device 模塊聽一下效果(xiogu)?；芈曄到y(tǒng)模型如圖11.7所示。注意，To Wave Device 模塊只能在PC平臺上使用。共六十頁圖11.7 回聲(hushng)系統(tǒng)模型共六十頁 11.1.2 設(shè)置Simulink進行DSP仿真(fn zhn) 對于一般系統(tǒng)而言，Simulink的默認設(shè)置認為信號是連續(xù)的，而且使用連續(xù)變步長求解器對系統(tǒng)進行求解。如果系統(tǒng)中包含連續(xù)信號和離散信號，應(yīng)當使用此配置。但是對于純離散的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設(shè)計、仿真與分析而言，需要對Simulink重新配置，使其能夠適用于數(shù)字信號處理。共六十頁

10、用戶可以使用M文件dspstartup來配置Simulink，使之適用于數(shù)字信號處理。設(shè)置的內(nèi)容包括：使用固定步長求解器、在采樣之間信號沒有定義（避免兩個不同采樣率信號之間的操作）、結(jié)束時間設(shè)為無窮大、仿真時間和數(shù)據(jù)不保存到工作區(qū)以節(jié)省內(nèi)存等等。此外，用戶還可以根據(jù)需要修改dspstartup.m文件以加入定制的設(shè)置。圖11.8為設(shè)置好的DSP仿真參數(shù)頁面。 如果經(jīng)常需要進行(jnxng)DSP仿真，用戶可以在startup.m文件中加入dspstartup命令，MATLAB在啟動后自動運行startup，這樣就無需每次仿真都運行dspstartup命令了。共六十頁圖11.8 設(shè)置Simuli

11、nk進行(jnxng)DSP仿真共六十頁11.2 DSP Blockset模塊(m kui)庫介紹 DSP Blockset庫提供了極為豐富的DSP模塊資源，它們封裝了幾乎所有基本的數(shù)字信號處理操作和算法，其中的許多模塊在信號處理工具箱中都有對應(yīng)的函數(shù)。用戶可以利用這些模塊方便地完成自己的數(shù)字信號處理系統(tǒng)仿真和分析。圖11.9列出了展開(zhn ki)后的DSP Blockset模塊庫。這一節(jié)將分別介紹各個子庫并給出一些簡單的例子。 共六十頁圖11.9 DSP Blockset模塊(m kui)庫 共六十頁 11.2.1 信號(xnho)的操作和管理 一般的信號操作如加窗和補零可以通過Sign

12、al Operations模塊庫完成。這個庫中還包含Variable Interge Delay模塊，這里延遲的大小是通過第二個輸入信號指定的。表11.2列出了各個Signal Operations 庫中各個模塊及其功能描述。共六十頁表11.2 Signal Operations 庫模塊名稱模塊功能描述Convolution計算兩個輸入的卷積Downsample抽取操作Upsamole插值操作Interger Delay延遲操作Pad補值操作Zero Pad補零操作Repeat重復(fù)操作，重復(fù)輸入采樣N次Sample and Hold當收到一個觸發(fā)信號后，對輸入信號采樣并保持直到收到下一個觸發(fā)信

13、號Unwrap展開信號的相位Variable Fractional Delay按照一個變量的值延遲每個通道的信號，該變量可以是分數(shù)Variable Integer Delay按照一個變量的值延遲每個通道的信號，該變量是整數(shù)Window Function加窗操作，可以選擇不同的窗類型共六十頁 信號可以通過在 Signal Management 下的四個庫進行一些(yxi)管理操作，它包括緩沖、索引、信號屬性、切換與計數(shù)四個部分，如表11.3所示。共六十頁表11.3 Signal Management庫子庫名稱模塊名稱模塊功能描述BuffersBuffer緩沖Unbuffer解緩沖Delay li

14、ne重新緩沖信號，每次更新一個采樣QueueFIFO（先入先出）寄存器Stack實現(xiàn)一個棧，或者先入后出寄存器Triggered Dealy line帶有使能端的Delay lineIndexingFlip按行或者按列倒置矩陣或者向量Selector從矩陣或者向量中選擇元素Multiport Selector從矩陣或者向量中選擇多組元素Variable Selector按照輸入變量選擇元素Submatrix從一個矩陣中選擇一個子矩陣共六十頁Signal AttributesCheck Signal Attributes檢查信號的屬性是否符合設(shè)置Contiguous Copy將非連續(xù)存儲的信號轉(zhuǎn)

15、換為連續(xù)存儲的信號Convert 1-D to 2-D將一維信號轉(zhuǎn)換為二維信號Convert 2-D to 1-D將二維信號轉(zhuǎn)換為一維信號Frame Status Conversion設(shè)置輸出幀的狀態(tài)Inherit Complexity根據(jù)參考信號改變輸入信號的表示形式（復(fù)數(shù)或?qū)崝?shù)形式）Switch and CountersCounter脈沖計數(shù)器Edger Detector邊緣檢測器，當信號變?yōu)?，或者從0變?yōu)槠渌禃r，輸出1Event-Count Comparator統(tǒng)計非零輸入的個數(shù)，當大于設(shè)置的數(shù)目時，輸出變?yōu)?Multiphase Clock產(chǎn)生相位依次移動的時鐘信號陣列N-Samp

16、le Enable經(jīng)過N個采樣后輸出從0變?yōu)?N-Sample Switch經(jīng)過N個采樣后輸出從下端口輸入變?yōu)樯隙丝谳斎牍擦?信號的速率轉(zhuǎn)換可以通過Signal Operations中的Upsample和Downsample模塊來進行。Upsample通過在新的數(shù)據(jù)點上補零來實現(xiàn)，Downsample通過間隔去除部分采樣點來降低采樣速率。如圖11.10所示，用一個(y )probe模塊來探測信號的采樣速率，原始采樣信號為1000 Hz，經(jīng)過二抽取后變?yōu)?00 Hz，經(jīng)過插值后變?yōu)?000 Hz。 共六十頁圖11.10 改變信號(xnho)的速率共六十頁 11.2.2 信號變換 使用基于幀的

17、信號的一個好處就是能夠進行各種變換處理，這意味著可以得到關(guān)于信號特性(txng)的更多信息。Simulink DSP Blockset 提供了時域至頻域，頻域至時域（逆變換）和時域至時域的轉(zhuǎn)換模塊。需要注意的是，這些變換模塊只能用于基于幀的輸入的場合。表11.4列出了Transform 庫中的模塊及其功能描述。共六十頁表11.4 Transform 庫模塊名稱模塊功能描述DCT計算每個通道的離散余弦變換FFT計算每個通道的快速傅立葉變換IDCT計算每個通道的離散余弦反變換IFFT計算每個通道的離散傅立葉反變換Analytic Signal計算每個通道的分析信號Complex Cepstrum計

18、算每個通道的復(fù)倒譜Real Cepstrum計算每個通道的實倒譜Magnitude FFT計算每個通道輸入的幅度譜或者幅平方譜共六十頁 【例11.2】 計算信號的頻率響應(yīng)。 解：有兩種簡單的方法可以用來計算信號的頻率響應(yīng)。一種(y zhn)是對輸入信號做FFT變換，然后在一個Vector Scope中觀察變換的結(jié)果，這時Vector Scope的輸入域應(yīng)設(shè)置為Frequency。在Vector Scope模塊前需要插入一個 Complex to Magnitude 模塊，因為向量示波器期待的是一個實型輸入。另外一個方法是將信號直接接到一個FFT示波器上，這個示波器先進行FFT變換和求平方，然后

19、再顯示。計算信號的頻率響應(yīng)的框圖如圖11.11所示。輸入信號是兩個頻率分別為50 Hz和100 Hz的正弦信號：共六十頁各個模塊的參數(shù)設(shè)置如下：(1) Sine wave 模塊：Frequency(Hz)設(shè)置為50 100。(2) Gain 模塊：Gain設(shè)置為0.5。(3) Complex to Magnitude 模塊：Output設(shè)置為Magnitude。(4) Vector Scope：Input domain設(shè)置為Frequency。 其它(qt)使用缺省設(shè)置。共六十頁圖11.11 計算信號(xnho)的頻率響應(yīng)共六十頁 11.2.3 濾波器設(shè)計與頻率分析 有關(guān)(yugun)濾波器設(shè)

20、計和分析的內(nèi)容非常豐富，在此僅對Simulink DSP Blocksetfiltering庫中的模塊進行簡單的介紹，然后利用Simulink所提供的工具設(shè)計一個最簡單的低通濾波器。 1. 設(shè)計一個濾波器 DSP Blockset庫中有豐富的濾波器設(shè)計模塊，可以設(shè)計數(shù)字FIR和IIR濾波器、模擬IIR濾波器。對于濾波器設(shè)計，應(yīng)給出濾波器階數(shù)和截止頻率。實際上濾波器設(shè)計模塊是通過信號處理工具箱(Signal Processing Toolbox )進行濾波器設(shè)計的，然后返回一系列濾波器系數(shù)。 共六十頁 Simulink 4.0為用戶提供(tgng)了兩個非常好用的模塊用于模擬濾波器和數(shù)字濾波器的

21、設(shè)計。Analog Filter Design模塊用于模擬濾波器的設(shè)計，只需在模塊對話框中選擇要設(shè)計的濾波器類型和方法及其它階數(shù)等信息就可以了。Digital Filter Design模塊用于數(shù)字濾波器的設(shè)計，雙擊該模塊可以看見如圖11.12所示的圖形化的設(shè)計界面，通過它用戶可以方便地進行各種常用數(shù)字濾波器的設(shè)計和分析，設(shè)計完后可以直接作為濾波器的實現(xiàn)模塊在仿真中使用 共六十頁圖11.12 濾波器設(shè)計(shj)工具：FDATool共六十頁 【例11.3】 設(shè)計一個濾波器濾除正弦信號中的噪聲(zoshng)，還原正弦信號。正弦信號為sin100t，噪聲信號是均值為0、方差為1的高斯白噪聲。信號

22、采樣頻率為2000 Hz。 解：(1) 首先用Digital Filter Design模塊設(shè)計Butterworth帶通濾波器。各個選項參數(shù)的設(shè)置如圖11.12所示。然后單擊Design Filter按鈕，完成濾波器的設(shè)計。 (2) 按照圖11.13選擇和連接好其余各個模塊。各個模塊的設(shè)置如下：共六十頁 Samples per fame設(shè)置為256。 Sine Wave 模塊：Frequency設(shè)置為100，Sample Time設(shè)置為1/2000，Samples per fame設(shè)置為256。 Vector Scope模塊：為缺省設(shè)置。運行(ynxng)仿真，產(chǎn)生的結(jié)果如圖11.13所示。

23、從圖中可以看出，正弦信號被清楚地還原了出來。共六十頁圖11.13 帶通濾波器結(jié)果(ji gu)輸出共六十頁 2. 實現(xiàn)一個濾波器 通過一個給定的傳遞函數(shù)表達的濾波器，可以只采用延遲和增益(zngy)模塊來實現(xiàn)。這個實現(xiàn)不是唯一的，而且對于FIR和IIR濾波器有不同的實現(xiàn)方法。濾波器系數(shù)可以直接在濾波器實現(xiàn)塊中輸入，或者使用Signal Processing Toolbox中的函數(shù)butter、fir1等產(chǎn)生。注意，設(shè)計這些濾波器時，截止頻率往往是通過歸一化頻率來表示的。 共六十頁 11.2.4 功率譜估計 非參數(shù)估計方法和參數(shù)估計方法。非參數(shù)估計方法直接使用信號(xnho)進行功率譜估計；參數(shù)

24、估計方法試圖建立一個等效系統(tǒng)并估計出系數(shù)。DSP BlocksetEstimationParametric Estimation 庫給出了幾種AR模型參數(shù)估計方法；DSP BlocksetEstimationPower Spectrum Estimation庫則給出了利用Parametric Estimation 庫中的參數(shù)估計模塊進行功率譜估計的模塊，以及兩種利用非參數(shù)估計方法估計信號(xnho)功率譜的模塊。 共六十頁表11.5 Statistics 庫模塊名稱模塊功能描述Autocorrelation LPC自相關(guān)線性預(yù)測Yule-Walker AR Estimator利用Yule-Wa

25、lker方法估計AR模型參數(shù)，它使用Levinson-Durbin遞推算法解Yule-Walker方程Burg AR Estimator利用Burg方法估計AR模型參數(shù)Covariance AR Estimator利用協(xié)方差方法估計AR模型參數(shù)Modified Covariance AR Estimator利用改進的協(xié)方差法估計AR模型參數(shù)共六十頁Burg Method利用Burg方法估計信號功率譜，它用到了Burg AR Estimator塊Covariance Method利用協(xié)方差方法估計AR模型參數(shù)，它用到了Covariance AR Estimator塊Modified Covari

26、ance Method利用改進的協(xié)方差方法估計AR模型參數(shù)，它用到了Modified Covariance AR Estimator塊Yule-Walker Method利用Yule-Walker方法估計信號功率譜，它用到了Yule-Walker AR Estimator塊Magnitude FFT利用直接法（周期圖法）估計信號功率譜Short-Time FFT利用短時傅立葉變換估計信號功率譜共六十頁 【例11.4】 讓一段零均值功率為的白噪聲通過一AR模型： 得到輸出 ，再加上一個頻率為350 Hz的實正弦信號 ，然后利用Power Spectrum Estimation庫中的各種( zhn

27、)方法估計上述信號的功率譜。共六十頁圖11.14 功率(gngl)譜估計共六十頁 11.2.5 統(tǒng)計 Statistics 庫提供了一些常用統(tǒng)計操作模塊，如求最小值、最大值、平均值、方差等。大部分模塊都支持兩種模式：基本模式和運行期模式?；灸Ｊ降慕y(tǒng)計對象(duxing)是當前仿真周期內(nèi)的輸入，與之前的輸入無關(guān)，這個輸入可以是基于采樣的也可以是基于幀的，當然對輸入還涉及到過去的輸入。 共六十頁表11.6 Statistics 庫模塊名稱模塊功能描述Maximum求最大值，有基本模式和運行期模式兩種模式Minimum求最小值，有基本模式和運行期模式兩種模式Median求中間值，有基本模式和運行期

28、模式兩種模式Sort排序，使用快速排序算法, 只有基本模式Mean求均值，有基本模式和運行期模式兩種模式Variance求方差，有基本模式和運行期模式兩種模式共六十頁Standard Deviation求標準方差，有基本模式和運行期模式兩種模式RMS求均方根，有基本模式和運行期模式兩種模式Correlation求相關(guān), 只有基本模式Autocorrelation求自相關(guān), 只有基本模式Histogram統(tǒng)計直方圖，有基本模式和運行期模式兩種模式Detrend去除信號中的趨勢項共六十頁 【例11.5】 統(tǒng)計一個高斯分布的隨機信號的方差、均值并繪制其直方圖。 解：Simulink框圖(kungt)

29、如圖11.15所示。所需的各個模塊及其參數(shù)設(shè)置如下： (1)Random Source模塊：Source type設(shè)置為Gaussian，Samples per frame設(shè)置為100。 (2) Histgram模塊：Minimum value of input設(shè)置為-10，Maximum value of input設(shè)置為10，bin設(shè)置為21。共六十頁圖11.15 信號(xnho)統(tǒng)計共六十頁 11.2.6 矩陣操作與線性方程求解 數(shù)字信號處理中經(jīng)常會遇到多通道信號，DSP Blockset 包含了一個 Math FunctionsMatrices and LinearAlegbra庫實現(xiàn)

30、對多通道信號（矩陣信號）的處理。常用的操作包括對行或列求和或求積、矩陣乘積和對角線提取(tq)等，這些操作包含在Matrix Operations庫中， 前面介紹的 Matrix Concatenation模塊也在這個庫中。另外，Matrix Factorizations 庫實現(xiàn)了許多MATLAB 矩陣分解算法供仿真使用；Matrix Inverses庫封裝了幾種求矩陣逆的算法；Linear System Solvers庫包含求解AX=B類型的線性方程組的若干方法。表11.711.9列出了包含的模塊及其功能描述。 共六十頁表11.7 Matrix Factorizations 庫模 塊 名 稱

31、算 法 描 述LU FactorizationLU矩陣分解Cholesky FactorizationCholesky矩陣分解LDL FactorizationLDL 矩陣分解QR FactorizationQR矩陣分解Singular Value DecompositionSVD矩陣分解共六十頁表11.8 Matrix Inverses 庫模 塊 名 稱算 法 描 述LU Inverse利用LU分解算法求矩陣的逆Cholesky Inverse利用Cholesky分解算法求矩陣的逆LDL Inverse利用LDL分解算法求矩陣的逆Pseudoinverse利用SVD分解算法求矩陣的偽逆共六十頁表11.9 Linear System Solvers庫模 塊 名 稱算 法 描 述LU Solver利用LU分解算法解線性方程組，A陣必須為方陣，B必須與A有相同的行數(shù)SVD Solver利用SVD分解算法解線性方程組，如果A不是方陣，則所得解為最