信号产生与处理综合仿真工具系统

资 源 简 介

本项目是基于MATLAB 7平台自主开发的一款集成化信号产生及处理系统，旨在为信号与系统、数字信号处理相关课程提供直观的实验与教学支持。软件的功能框架涵盖了从信号源生成到后端滤波分析的全过程：在信号产生阶段，软件能够精准生成各类确定性信号，包括但不限于连续或离散的正弦波、方波、三角波及脉冲信号，同时具备非确定性随机信号的建模能力，如高斯白噪声及其它特定分布的随机过程。在滤波处理核心模块中，系统集成了完善的数字滤波器设计工具箱，支持用户根据实际需求设计FIR滤波器（包括窗函数法等）与IIR滤波器（如巴特沃斯

详 情 说 明

信号产生与处理综合仿真工具软件

项目介绍

本项目是一款基于 MATLAB 平台开发的集成化信号产生及处理系统。该工具旨在通过可视化的交互界面，将抽象的数字信号处理理论转化为直观的动态结果，主要面向教育教学与工程仿真领域。系统完整覆盖了从原始信号生成、环境噪声模拟、滤波器参数设计到频域特征提取的信号全生命周期处理流程。

功能特性

1. 多样化信号生成：支持生成正弦波、方波、三角波等经典确定性信号，并具备高斯白噪声等随机信号的建模能力。
2. 交互式叠加噪声：系统可根据设定的信噪比（SNR）对原始信号进行加噪处理，模拟现实中的信号受损环境。
3. 综合滤波器设计：内置 FIR 与 IIR 滤波器设计模块，包含巴特沃斯、切比雪夫以及窗函数法等技术路线。
4. 深度频谱分析：利用快速傅里叶变换（FFT）实时计算信号频域成分，支持原始信号与滤波信号的频谱对比。
5. 直观化图形演示：通过多窗口布局展示时域波形与频域特征，辅助用户直观理解采样定理及滤波除噪效果。

使用方法

1. 启动仿真：在 MATLAB 环境中运行主程序，弹出图形化交互界面。
2. 设置信号参数：在左侧面板输入采样频率（如 2000Hz）、信号主频率（如 50Hz），并从下拉菜单中选择波形类型。
3. 添加噪声：输入信噪比数值，点击生成信号按钮，系统将根据参数制备带噪信号。
4. 配置滤波器：选择滤波路线（如 IIR 或 FIR）及滤波类型（低通或高通），设置截止频率等关键指标。
5. 结果分析：观察界面右侧自动更新的图表，对比分析滤波前后的时域波形及频域分布。

系统要求

软件环境：MATLAB 7.0 及以上版本（兼容最新版 MATLAB）。 硬件环境：支持图形化显示的基础计算机配置，建议屏幕分辨率不低于 1280x800 以获得最佳窗口布局效果。

程序实现逻辑与功能详细说明

主程序代码构建了一个基于 GUI 的闭环仿真环境，其核心逻辑分为以下四个部分：

1. 界面初始化与全局数据管理

程序通过 figure 函数建立主绘图窗口，并使用 struct 结构的全局变量存储系统关键状态。数据结构中包含了采样频率、时间轴向量、原始带噪信号、滤波后的信号以及滤波器系数。这种集中管理模式确保了参数在不同功能模块（如发生器、滤波器、频谱仪）之间的一致性同步。

1. 信号发生引擎

程序实现在名为生成信号的的回调函数中。当用户触发按钮时，系统根据界面左侧捕获的编辑框数值，计算时间刻度向量。系统内部集成了标准波形函数，能够根据用户选择的波形类型动态生成基础信号。加噪逻辑是通过计算信号功率并按照用户输入的信噪比（SNR）叠加相应的白噪声实现的，这体现了信号与系统模型中的加性噪声原理。

1. 滤波器配置逻辑

程序在界面中提供了丰富的技术路径接口。对于 IIR 滤波器，程序预留了调用巴特沃斯和切比雪夫设计函数的接口；对于 FIR 滤波器，采用了窗函数设计法。通过下拉菜单（popupmenu）捕获用户的设计偏好，并利用 edit 组件获取截止频率等性能指标。该逻辑允许用户在不停机的情况下动态调整滤波器阶数和频率范围。

1. 频谱提取算法

核心算法采用了快速傅里叶变换。程序通过对称性处理取 N 点变换后的模值，并结合采样频率计算物理频率轴，从而将时域数据转换为频域特征。这一过程不仅应用于原始信号，也同步应用于滤波后的输出信号，通过在多个 axes 组件中对比绘图，直观展现信号过滤的过程。

关键函数与算法分析

FFT 计算逻辑：利用程序内置的变换算法，将复杂的时间序列分解为离散的频率分量。通过幅度谱的绘制，用户可以清晰地定位出原始信号的基频位置以及噪声在高频段的分布特征。

滤波器系数生成：程序根据用户在界面选定的一类滤波器（如 IIR 巴特沃斯），动态调用设计算式计算出传递函数的分子（b）与分母（a）系数。这些系数随后直接传递给滤波函数，对内存中的带噪信号数据进行实时卷积或差分方程运算，实现频率筛选。

UI 交互体系：代码中使用了大量的 uicontrol 组件，不仅负责数据的输入输出，还通过回调（Callback）机制驱动整个仿真流。每个输入框与下拉菜单的状态变化都会直接影响底层算法的边界条件，实现了参数驱动型的仿真模式。