信号分析与滤波处理演示平台

资 源 简 介

本项目是一个专为信号处理初学者和工程技术人员设计的图形用户界面应用程序。该系统旨在通过直观的交互方式，实现信号的产生、观测、分析及预处理。其核心功能涵盖了四大模块：第一，信号发生模块，用户可以自定义生成正弦波、方波、锯齿波及白噪声，并动态调整幅值、频率、相位和采样率等基本参数。第二，时域统计分析模块，系统实时计算并显示信号的均值、标准差、峰峰值、有效值（RMS）以及偏度、峰度等统计特征指标，辅助判断信号的基本物理属性。第三，频域特征分析模块，内置高效的快速傅里叶变换（FFT）算法，能够一键生成信号的幅度谱

详 情 说 明

基于MATLAB的通用信号分析与教学演示平台

项目介绍

本项目是一个集成化的信号处理教学与工程分析工具，采用 MATLAB App Designer 架构开发。平台旨在为用户提供一个直观的交互环境，用于信号的产生、时域统计分析、频域特征提取以及数字滤波处理。通过该平台，用户可以实时观察参数变化对信号波形及频谱的影响，是理解信号处理核心概念的理想教学辅助软件及初级科研工具。

功能特性

• 多类型信号源生成：支持正弦波、方波、锯齿波及高斯白噪声的动态生成，允许自主配置采样率、频率、幅值、相位和采样点数。
• 全方位时域特征提取：自动计算并呈现信号的均值、标准差、峰峰值、均方根值、偏度及峰度等关键统计指标。
• 高精度频域分析：集成快速傅里叶变换（FFT），提供单边幅度谱与相位谱的线性显示。
• 能量分布评估：通过周期图法（Periodogram）计算并绘制信号的功率谱密度（PSD），支持单位转换为分贝（dB/Hz）。
• 交互式数字滤波：内置四阶巴特沃斯（Butterworth）滤波器，覆盖低通、高通、带通、带阻四种模式，支持零相位滤波以消除相位差。
• 灵活的数据交互：兼容 CSV 与 MAT 格式的文件导入，并支持将处理后的滤波数据导出为 CSV 文件。

使用方法

1. 参数配置：在左侧控制面板中选择信号类型，并输入采样频率、信号频率等基本物理参数。
2. 信号产生：点击“产生信号”按钮，系统将根据设定参数计算波形，并触发全流程分析。
3. 结果观测：

- 在“时域波形”选项卡查看原始信号。 - 在“频谱分析”选项卡查看信号的频率构成与相位分布。 - 在“功率谱密度”选项卡分析信号能量分布。 - 在“滤波对比”选项卡调节截止频率，观察滤波前后的波形重叠对比效果。

1. 统计分析：查看右下角的统计表格，获取当前信号的数学特征。
2. 外部数据处理：点击“导入外部数据”，选择本地 CSV 或 MAT 文件，系统将自动加载并按当前采样率进行分析。
3. 数据保存：滤波完成后，点击“导出滤波后数据”可将计算结果保存至本地。

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系统逻辑与实现细节

#### 1. 界面架构逻辑 程序采用 uifigure 结合 uigridlayout 实现自适应布局。主界面分为左侧控制区（导航与输入）、右上展示区（选项卡式多维视图）和右下结果区（统计指标表格）。数据在各模块间通过存储于 app.Data 结构体中的变量进行传递，确保了界面响应逻辑与数据计算逻辑的解耦。

#### 2. 信号发生算法

• 正弦/方波/锯齿波：基于时间序列 t = (0:N-1)/fs，利用 sin、square 和 sawtooth 函数生成。
• 白噪声：利用 randn 函数生成符合标准正态分布的随机信号。
• 参数动态响应：所有生成函数均绑定偏移量 phi 与幅值 A，确保物理意义的一致性。

#### 3. 频域分析实现

• 幅度谱：执行 fft 后，取模并根据采样点数 N 进行归一化处理。通过提取前一半频谱分量并补偿 2 倍幅值（除直流分量处），获得物理意义明确的单边幅度谱。
• 相位谱：利用 angle 函数计算 FFT 结果的相角，并提取对应的单边频率部分进行绘制。
• 功率谱密度：采用 periodogram 算法配合矩形窗，计算信号在单位频率上的平均功率。

#### 4. 统计特征计算 系统调用 MATLAB 内置的高阶统计量函数：

• 使用 rms 计算信号的有效值。
• 使用 skewness 和 kurtosis 计算偏度（描述分布对称性）与峰度（描述分布陡峭度）。
• 使用 mean、std 和极值差计算基础描述统计量。

#### 5. 数字滤波逻辑

• 滤波器设计：基于用户输入的截止频率，利用 butter 函数动态计算四阶巴特沃斯滤波器的系数 b 和 a。
• 信号处理：采用 filtfilt 实现双向零相位滤波。相比于普通的 filter 函数，该方法能有效避免滤波器引入的时间延迟（相位偏移），使滤波后的波形与原始波形在时间轴上完美对齐，便于对比分析。
• 异常处理：内置 try-catch 机制，当用户输入的截止频率不符合奈奎斯特采样定律（如截止频率大于采样频率的一半）时，系统会弹出 uialert 错误提示，防止程序崩溃。

#### 6. 文件 I/O 实现

• 导入：支持读取 MAT 文件中的第一个变量或 CSV 文件的末列数据。通过 readmatrix 和动态字段引用实现。
• 导出：将处理后的 app.Data.filtered 向量进行转置并利用 writematrix 写入文件，确保数据格式符合标准的列式存储规范。

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系统要求

• 环境版本：MATLAB R2020b 或更高版本。
• 工具箱依赖：

- Signal Processing Toolbox（信号处理工具箱）。 - Statistics and Machine Learning Toolbox（统计与机器学习工具箱，用于偏度/峰度计算）。