第一章 控制系统的一般概念 $1 绪论

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1 Matlab 与信号处理 周治国

2 信号与图像处理研究所

3 个人简介

4 本科教学 数字信号处理 (48 学时 ) 控制理论基础 (48 学时 ) 实时嵌入式系统及应用 (48 学时 ) 数字图像采集与跟踪系统 实验选修课 Matlab 与信号处理 研究生教学 : 嵌入式系统与应用 (54 学时 ) 教学工作

5 研究方向 实时半实物仿真 智能无人航行器信息感知与导航 行业 : 电力 船舶 理论 : 分布式信号处理

6 课程的性质 本课程是电子信息类专业的一门专业教育选修课程, 它学习利用 MATLAB 进行信号处理的方法 原理及实现 本课程的主要任务是 : (1) 学习掌握 MATLAB 的基础知识和编程方法 ; (2) 系统学习运用 MATLAB 进行信号处理计算机仿真的基本原理 方法与实现过程 ; (3) 通过实践训练学生利用 MATLAB 解决信号处理实际工程问题的能力 此外, 在教学过程中还必须有意识地培养学生独立分析和解决问题的能力, 并把教书育人寓于教学全过程, 使学生既具有严谨的科学态度和实事求是的工作作风, 又具有勇于开拓创新的精神

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11 考核与成绩评定

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13 课程助教 助教 : 余思雨 中关村 4# 教学楼 318 邮箱 : @bit.edu.cn 微信 :

14 参考教材 精通 MATLAB 信号处理 MATLAB 信号处理 Matlab GUI 设计入门与实践 MATLAB GUI 程序设计 数字信号处理 MATLAB 版 数字信号处理实验指导书 MATLAB 版 数字信号处理教程 MATLAB 版 数字信号处理教程 MATLAB 释义与实现

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20 第一部分 MATLAB 基础第 1 章 MATLAB 概述 1.1MATLAB 软件介绍 1.1.1MATLAB 语言 1.1.2MATLAB 绘图功能 1.1.3MATLAB 数学函数库 1.1.4MATLAB 应用程序接口 1.2MATLAB 工作环境 命令行窗口 帮助系统窗口 工作空间窗口 1.2.4M 文件编辑窗口 图形窗口 当前文件夹 搜索路径 1.3MATLAB 中的函数类型 匿名函数 1.3.2M 文件主函数 子函数 嵌套函数 私有函数 重载函数 1.4 查询帮助命令 1.4.1help 命令 1.4.2lookfor 命令 模糊寻找 1.5MATLAB 程序流程控制结构 顺序结构 选择结构 循环结构 程序流程控制语句及其他常用命令本章小结 第 2 章 GUI 设计预备知识 2.1 数组与矩阵 数组的创建与操作 常见的数组运算 矩阵的表示 寻访矩阵 矩阵的拼接 矩阵的运算 矩阵的乘方 矩阵的行列式 2.2MATLAB 基本数值类型 整数类型数据运算 变量与常量 数值 表达式 空数组 逻辑运算 关系运算 2.3 字符串 创建字符串 基本字符串操作 字符串操作函数 2.4 元胞数组 元胞数组的创建 元胞数组的基本操作 元胞数组的操作函数 2.5 结构 结构的创建 结构的基本操作 结构操作函数本章小结 [2] 第 3 章二维绘图 3.1 基本的二维绘图 3.2figure 函数与 subplot 函数 3.3 二维图形的标注与修饰 3.4 特殊二维图形的绘制本章小结第 4 章三维图形绘制 4.1 创建三维图形 三维图形概述 三维曲线图 三维曲面图 4.2 特殊三维图形 三维柱状图 散点图 火柴杆图 等高线图 瀑布图 简易绘图函数 4.3 三维图形显示与控制 颜色控制 坐标控制 视角控制 4.4 绘制动画图形 4.5 四维图形可视化 用颜色描述第四维 其他函数本章小结 第 5 章图像处理的基础知识 5.1 数字图像概述 什么是数字图像 图像的分类 5.2 图像文件的读写 图像文件的查询 图像文件的读取 图像文件的存储 5.3 图像处理的基本函数 5.3.1imshow 函数 5.3.2image 函数和 imagesc 函数 5.3.3colorbar 函数 5.3.4montage 函数 5.3.5warp 函数 5.3.6subimage 函数 5.3.7zoom 命令 5.3.8impixel 函数 5.4 图像类型的转换 通过抖动算法转换图像类型的函数 dither 将灰度图像转换为索引图像的函数 gray2ind 将灰度图像转换为索引图像的函数 grayslice 将其他图像转换为二值图像的函数 im2bw 将索引图像转换为灰度图像的函数 ind2gray 将索引图像转换为 RGB 图像的函数 ind2rgb 将数据矩阵转换为灰度图像的函数 mat2gray 将 RGB 图像转换为灰度图像的函数 rgb2gray 将 RGB 图像转换为索引图像的函数 rgb2ind 5.5 文件读取 I/O 操作 数据基本操作 底层文件基本 I/O 操作 5.6 文件的读写 二进制文件的读写 记事本数据的读写 电子表格数据的读写 声音文件的读写 视频文件的读写本章小结

21 第二部分基于 GUI 的常见设计技术第 6 章句柄图形对象 6.1 图形对象及其句柄 属性的设置与查询 对象的默认属性值 对象的属性查找 图形对象的复制 图形对象的删除 6.2 图形对象属性 根对象 图形窗口对象 坐标轴对象 曲线对象 文字对象 曲面对象 块对象 图像对象 方对象 光对象本章小结第 7 章 GUI 控件及 uimenu 菜单 7.1GUIDE 界面 7.2 控件及属性 按钮 滑块 单选按钮 复选框 静态文本 可编辑文本框 弹出式菜单 列表框 切换按钮 面板 按钮组 轴 7.3 控件对象示例 7.4 基于 MATLAB 的日历设计 7.5uimenu 菜单及设计 建立用户菜单 菜单对象常用属性 上下文菜单的建立本章小结 第 8 章 MATLABGUI 基础设计 8.1GUI 设计原则和步骤 8.2GUI 的设计工具 布局编辑器 对象浏览器 属性查看器 对齐对象 8.2.5Tab 顺序编辑器 菜单编辑器 8.2.7M 文件编辑器 8.3 对话框设计 8.3.1Windows 公共对话框 8.3.2MATLAB 专用对话框 8.4 回调函数 8.5GUI 界面设计实例 8.5.1GUI 界面程序设计实例 8.5.2GUI 实现图像处理实例 8.6GUI 的数据传递方式 全局变量 运用 GUI 本身的 varargin{} 和 varargout{} 传递参数 8.6.3UserData 数据与 handles 数据 8.6.4Application 数据 跨空间计算 evalin 和赋值 assignin 将数据保存到文件, 需要时读取本章小结 第三部分高级 GUI 设计技术及应用第 9 章 MATLAB 与 Excel 文件的数据交换 9.1Excel 文件数据导入 MATLAB 工作空间 9.2 调用 xlsfinfo 函数获取文件信息 9.3 调用 xlsread 函数读取数据 9.4 调用 xlswrite 函数把数据写入 Excel 文件 9.5 基于 GUI 的学生成绩管理系统设计 系统的设计与完成 导入成绩 统计数据 绘制该课程成绩曲线图 系统应用演示本章小结第 10 章基于 GUI 的离散控制系统设计 10.1 控制系统工具箱介绍 10.2 控制系统理论基础 10.3 离散控制系统设计与完成 绘制 Bode 图界面 绘制 Nyquist 曲线 绘制 Nichols 曲线 绘制根轨迹 离散系统稳定性判断 阶跃响应 脉冲响应本章小结第 11 章 GUI 实现滤波器设计 11.1IIR 数字滤波器 IIR 滤波器设计思想 IIR 滤波器设计编程实现 11.2FIR 数字滤波器 FIR 滤波器设计思想 FIR 滤波器设计编程实现 11.3 基于 GUI 的数字滤波器设计与实现 滤波器设计 界面设计 滤波器设计 回调函数 AutoChoose.m 程序的编写 运行和结果显示本章小结 第 12 章智能算法的 GUI 设计 12.1 神经网络结构及 BP 神经网络 神经元与网络结构 生物神经元 人工神经元 BP 神经网络及其原理 基于 MATLAB 的 BP 神经网络工具箱函数 BP 神经网络在函数逼近中的应用 GUI 实现 BP 神经网络的设计 12.2 遗传算法 GUI 设计 12.3 蚁群算法 GUI 设计本章小结第 13 章 GUI 设计在图像处理方面的应用 13.1 基于 GUI 的图像压缩处理技术 13.2GUI 在图像处理中的应用 图像几何运算的 GUI 设计 图像增强的 GUI 设计 图像分割的 GUI 设计 图像边缘检测的 GUI 设计 13.3GUI 菜单选项设计实现图像的处理 文件操作菜单项 图像编辑菜单项 图像分析菜单项 图像调整菜单项 图像平滑菜单项 图像锐化菜单项 图像高级处理菜单项 小波变换菜单项本章小结

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31 第 1 章数字信号处理的发展及应用 数字信号处理的兴起 数字信号处理的任务 数字信号处理的应用 信号处理的主要任务 数字信号处理 信号采样和复原实例 本书概貌的说明 对 数字信号处理 内涵的理解 关于 MATLAB 语言 本书的组成 6 复习思考题 7 习题 8 第 2 章时域中的离散信号和系统 模拟信号与其采样序列的关系 基本序列及序列的基本运算 序列的表示方法 常用的典型序列 序列的运算和变换 序列的周期延拓 奇偶分解和卷积 周期延拓 奇偶分解 复数域的分解 序列的卷积 时域离散系统 线性系统 线性时不变离散系统 LTI 离散系统的数学描述 线性常系数差分方程 用 MATLAB 的递推解法 脉冲响应 用时间序列表征的系统特性 脉冲响应的特性 用解析卷积方法求系统输出 用向量? 矩阵乘法进行卷积计算 用脉冲响应判断系统的因果性 用脉冲响应判断系统的稳定性 用脉冲响应分类数字滤波器 序列运算的 MATLAB 函数列表 29 复习思考题 30 习题 30

32 第 3 章离散序列的两种傅里叶变换 序列信号的周期性和频率 序列信号的周期性 序列信号的频率 有限带宽序列 离散时间傅里叶变换 (DTFT) 离散时间傅里叶变换 (DTFT) 的定义 DTFT 的性质 DTFT 的解析计算示例 DTFT 的数值计算示例 用 MATLAB 计算 DTFT MATLAB 计算举例 系统频率特性及其计算 周期序列的频谱 离散傅里叶级数 从一个计算实例出发 周期序列的傅里叶级数 用 MATLAB 计算离散傅里叶级数 离散傅里叶变换 (DFT) 离散傅里叶变换 (DFT) 的定义 用 MATLAB 计算 DFT 和 IDFT 两种离散傅里叶变换 (DFT 与 DTFT) 的关系 离散傅里叶变换 (DFT) 的特性 隐含周期性 循环移位性质 循环折叠性质 循环卷积特性 57 复习思考题 60 习题 61 第 4 章信号频谱的高效计算 各种傅里叶变换及其相互关系 傅里叶变换的主要类型 DFT 与其他变换的直接关系 快速傅里叶变换 (FFT) 时域抽取 (DIT) 基二 FFT 算法 用 MATLAB 程序描述 FFT 算法 基四和其他基的 FFT 算法 其他 FFT 算法 用 FFT 计算离散时间序列的频谱 有限长离散时间序列的频谱计算 用补零方法由 FFT 求 DTFT 无限长序列的频谱计算 连续信号采样中的频谱变换 时域采样定理 ( 奈奎斯特定理 ) 由离散序列重构模拟信号 连续信号的频谱计算 非周期连续信号的频谱计算 连续周期信号的频谱计算 从频谱计算序列信号 (IDFT) 频率域采样定理 从频谱计算离散时间序列 从频谱计算连续时间信号 用 FFT 计算能量 小结 97 复习思考题 97 习题 98

33 第 5 章变换域中的离散时间系统 z 变换 z 变换的定义与收敛性 z 变换的重要特性和定理 z 变换的计算实例 z 反变换和差分方程的解 用留数定理求 z 反变换 用部分分式法求 z 反变换 幂级数法 ( 长除法 ) 求 z 反变换 用 z 变换解差分方程 z 域中对系统的描述 系统函数 ( 传递函数 ) 正幂系统函数和零极增益形式 零极点分布与系统的因果性和稳定性 z 平面上的谱分析 理想滤波器 数字滤波器的基本概念 理想的因果低通滤波器的频率特性 线性相位条件对脉冲响应对称性的要求 考虑因果性和对称性对理想滤波器的影响 低阶数字滤波器 一阶数字滤波器 二阶数字滤波器 梳状滤波器的零极点分布 全通滤波器 127 复习思考题 128 习题 128 第 6 章数字滤波器结构 概述 滤波器的信号流图结构及解法 信号流图 信号流图方程的计算机解法 信号流图与数字系统的网络结构图 FIR 基本网络结构 概述 直接形式 级联形式 线性相位形式 频率样本结构 IIR 基本网络结构 直接形式 级联形式 并联形式 格型滤波器及其信号流图解法 各种结构形式的转换和比较 各种结构形式的转换 从计算的复杂性做比较 从减小系数量化影响做比较 148 复习思考题 148 习题 149

34 第 7 章 FIR 滤波器设计 数字滤波器设计的基本要求 数字滤波器的设计基本步骤 数字滤波器的主要指标 为什么以低通滤波器为典型 线性相位滤波器的特性 线性相位和符幅特性 (Amplitude Response) 符幅特性的计算举例 计算符幅特性的 MATLAB 程序 线性相位滤波器的零极点分布 设计 FIR 滤波器的窗函数法 对脉冲响应进行截断的分析方法 矩形窗截断的定量分析 几种常用窗函数的介绍 MATLAB 提供的窗函数 用窗函数设计 FIR 滤波器的步骤 利用频率样本法设计 FIR 滤波器 预期频率特性的设置方法 频率样本法的设计过程 MATLAB 中频率样本法的设计函数 FIR 滤波器的优设计法 181 复习思考题 184 习题 184 第 8 章 IIR 滤波器设计 关于模拟滤波器的预备知识 模拟滤波器的指标 以模拟滤波器为基础的设计方法 模拟滤波器原型的设计 巴特沃斯低通滤波器 切比雪夫 I 型低通滤波器 切比雪夫 II 型低通滤波器 椭圆低通滤波器 滤波器原型的相位响应 由模拟滤波器变换为数字滤波器 脉冲响应不变法 双线性变换法 模拟滤波器的频带变换 低通到低通的频带变换 低通到高通的频带变换 低通到带通的频带变换 低通到带阻的频带变换 信号处理工具箱中的频带变换函数 MATLAB 中直接设计 IIR 数字滤波器的函数 IIR 和 FIR 数字滤波器的比较 224 复习思考题 225 习题 226

35 第 9 章信号处理工程化的 MATLAB 工具 信号处理工具 (sptool) 的介绍 MATLAB 中的滤波器设计工具 系数量化和运算量化的影响 数的浮点和定点表示方法 系数量化对 FIR 滤波器的影响举例 系数量化对 IIR 滤波器的影响举例 运算量化和溢出问题 滤波器设计工具中的量化处理 定点 (Fix-point) 工具箱 系统仿真 (Simulink) 工具简介 概述 模块库及模型的建立 仿真的运行 MATLAB 与嵌入式代码的衔接 基于模型的开发流程 嵌入式代码开发的一个实例 数字信号处理的未来 250 参考文献 263 附录 A 信号处理工具箱函数集 252 附录 B 本书自编子程序索引表 258 附录 C 例题程序索引表 259 附录 D 图形生成和演示程序索引表 262

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37 数字信号处理 - 软件平台 Labview Modelica

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43 数字信号处理 - 硬件平台 DSP 2x DSP 5x DSP 6x FPGA

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53 课程改革与建设 思路 1

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64 看得到的收获 本科毕设 大创 竞赛 项目 理论 : 信号处理进一步理解 接触行业 : 船舶 电力 写文章 Matlab 绘图 Simulink 仿真 方法 : 多参与, 多讲课, 多动手

65 思路 2 目标 : 数学信号处理 + 实时仿真系统 + 模型化开发 硬件平台 :zynq 软件平台 :Matlab/Simulink

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81 思路 3 控制 Matlab/Simulink 信号处理 Matlab

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