信号课设报告.docx
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信号课设报告
五、实验内容
1、信号的抽样和恢复
（1）用本课题使用的硬件系统模块，实现给定信号的抽样和恢复
１）熟悉信号的抽样与恢复的工作原理。
接好电源线，将信号的抽样与恢复模块和同步信号源模块插入信号系统实验平台插槽中，打开实验箱电源开关，通电检查模块灯亮，实验箱开始正常工作。
２）将同步信号源模块产生的VPP＝1V、f0＝1KHz的正弦波和f0＝2KHz的方波分别送入待抽样信号输入点S_IN和抽样脉冲信号输入点SQU_IN，用示波器分别观察抽样信号输出点PAM_OUT和恢复后的信号输出点S_OUT的波形并将实验数据记录下来（实验中低通滤波器的截止频率fC＝1KHz）。
３）改变抽样脉冲信号的频率，分别将f0＝2KHz、4KHZ、8KHz、16KHz的方波送入抽样脉冲信号输入点SQU_IN，重复实验步骤2，比较在不同的抽样频率下恢复后的信号波形之间的差别并得出结论。
实验结果
2KHZ—SQU抽样输出PAM_OUT恢复输出S_OUT
8KHZ—SQU抽样输出恢复输出
16KHZ—SQU抽样输出恢复输出
32KHZ—SQU抽样输出恢复输出
４）将同步信号源模块产生的VPP＝1V、f0＝1KHz的三角波作为待抽样信号送入S_IN，重复上述实验步骤。
2KHZ—SQU抽样输出恢复输出
8KHZ—SQU抽样输出恢复输出
16KHZ—SQU抽样输出恢复输出
32KHZ—SQU抽样输出恢复输出
以下是用2K正弦波作被抽样信号时的抽样输出,用以比较
正弦波2KHZ—SIN三角波2KHZ—SIN
8KHZ—SQU抽样输出8KHZ—SQU抽样输出
16KHZ—SQU抽样输出16KHZ—SQU抽样输出
32KHZ—SQU抽样输出32KHZ—SQU抽样输出
（2）用软件实现指导教师给定信号的抽样和恢复；
对连续信号x0=sin（0.8*pi*t0）以抽样频率fs=2Hz抽样得到
，编程完成下列任务：
画出信号
，
及其在相应范围内的抽样序列；利用抽样内插函数
恢复连续时间信号。
画出信号x（t）和重建信号
的波形，比较这两个信号。
若信号x（t）与
存在较大差异，应如何改善？
length=4;
t0=0:
0.001:
length;
x0=sin（0.8*pi*t0）;subplot（2,2,1）
plot（t0,x0,'r'）;title（'原信号'）;
Fs=2;T=1/Fs;
n=0:
1/Fs:
length;
x=sin（0.8*pi*n）;subplot（2,2,2）;
stem（n,x）;title（'抽样信号'）;
hr=sin（pi*t0*Fs）/（pi*t0*Fs）;
xt=x+conv（x,hr）;subplot（2,2,3）;
plot（xt）;title（'恢复信号'）;
Fs1=6;T=1/Fs1;
n=0:
1/Fs1:
length;
x=sin（0.8*pi*n）;
hr=sin（pi*t0*Fs1）/（pi*t0*Fs1）;
xt1=x+conv（x,hr）;subplot（2,2,4）;
plot（xt1）;title（'改善后的信号'）;
figure
（2）
subplot（3,1,1）;
plot（abs（fft（x0）））;title（'原信号的频谱'）;
subplot（3,1,2）;
plot（abs（fft（x）））;title（'抽样信号的频谱'）;
subplot（3,1,3）;
plot（abs（fft（x0）））;title（'恢复后信号频谱'）;
（3）用软件对给定的数字语音信号（采样频率为16000Hz）进行恢复（可以利用interp1函数），并重新进行采样，重新采样的频率分别为8000Hz和4000Hz，对恢复的语音信号及重采样的语音信号进行回放（利用sound函数），比较语音的变化并记录处理过程中所得各种波形及频谱图。
源程序:
[x,fs]=wavread（'shang5.wav'）
plot（x）;title（'原语音信号波形'）
N=512
y=fft（x）
y2=abs（y）
figure
plot（y2）;title（'原语音信号的频谱'）
对语音信号恢复：
[y,fs]=wavread（'shang5.wav'）;
x=0:
length（y）-1;
x1=0:
5:
length（y）-1;
y1=interp1（x,y,x1）;
subplot（2,1,1）;
plot（x,y,'o',x1,y1）;title（'恢复后的波形'）;
z=fft（x）;
y2=abs（z）;
subplot（2,1,2）;
plot（y2）;title（'恢复后波形的频谱'）;
sound（y1）;
8000HZ重采样
[x,fs]=wavread（'shang5.wav'）;
t=0:
.00025:
1;y=decimate（x,2）;
stem（y（1:
length（x）/2））;
subplot（2,1,1）;plot（y）;title（'8k采样波形'）;
y2=abs（z）
subplot（2,1,2）;plot（y2）;title（'8k采样波形频谱'）;
4000HZ重采样
[x,fs]=wavread（'shang5.wav'）;
t=0:
.00025:
1;y=decimate（x,4）;
stem（y（1:
length（x）/4））;
subplot（2,1,1）;plot（y）;title（'4k采样波形'）;
y3=abs（z）subplot（2,1,2）;plot（y3）;title（'4k采样波形频谱'）
2.滤波器设计
（1）四阶巴特沃思滤波器（或四阶切比雪夫滤波器）参数测量
（a）四阶巴特沃思滤波器参数测量
四阶巴特沃思滤波器使用信号源单元和四阶巴特沃斯滤波器模块
熟悉四阶巴特沃斯滤波器设计、工作原理。
接好电源线，将四阶巴特沃斯滤波器模块插入信号系统实验平台插槽中，打开实验箱电源开关，通电检查模块灯亮，实验箱开始正常工作。
•扫频信号产生
1）将信号源单元的开关k2向下拨，切换至扫频输出。
2）用示波器观察OUT1测试点波形，为一频率可调的锯齿波信号，该信号为扫频压控信号。
调节电位计OUT1Freq使锯齿波信号为50Hz，并将“波形选择”跳线的第一组引脚连接。
3）用示波器观察OUT2正弦波扫频输出信号，电位计GAINAdj则用于调节输出正弦波的幅度。
4）调节电位计OUT1Freq，改变送入锯齿波压控信号的频率，重复上述步骤，用示波器观察扫频输出信号的变化。
5）分别连接“频率选择”跳线的四组引脚，改变扫频信号的扫频段，重复上述步骤，用示波器观察不同扫频段的扫频输出信号。
扫频段为40K-250K
•扫频源法观察滤波器的特性：
1）将信号源单元“波形选择”跳线的第1组引脚连接，并将开关k2向下拨，切换至扫频输出，按照前述步骤得到扫频正弦波信号，并用示波器观察OUT1点锯齿波频率，将其调为50Hz，作为扫频压控信号。
2）将OUT2输出的扫频信号送入四阶巴特沃斯低通滤波器信号输入点BLP_IN，用示波器观察输出点BLP_OUT的输出信号波形。
3）将锯齿波压控信号和低通滤波器输出信号分别接示波器的X轴和Y轴，观察李沙育图形。
锯齿波压控信号和高通滤波器输出波形高通李沙育图形
锯齿波压控信号和带通滤波器输出波形带通李沙育图形
•描点法观察滤波器的幅频特性曲线：
1）将信号源单元产生的固定频率正弦波送入低通滤波器的信号输入端BLP_IN，用示波器观察BLP_OUT的输出波形，测量波形的电平值（有效值），记录此时的电平值及频率。
２）调节电位计OUT2Freq，改变输入正弦波信号的频率（保持信号幅度不变），重复步骤1。
３）整理实验数据，以频率为X轴，以幅度（电平）为Y轴，绘出幅频特性图。
４）将频率正弦波信号分别送入四阶巴特沃斯高通和带通滤波器，重复上述实验步骤，绘出各种滤波器的幅频特性曲线。
频率khz
4
5
10
15
20
21.7
22
24
25
26
28
30
35
40
幅度V
2
2
1.9
1.6
1.4
1.2
0.8
0.4
0.24
高通
频率khz
4
5
10
15
20
25
30
35
45
50
60
70
幅度V
0.05
0.05
0.1
0.4
0.8
0.5
1.5
1.6
1.6
1.65
1.7
1.7
带通
频率khz
4
5
10
15
20
22
24
25
26
28
30
35
40
45
幅度V
0.1
0.1
0.1
0.2
0.8
1.6
3.6
3.6
2.8
1.2
0.8
0.4
0.2
0.1
（2）模拟及数字滤波器设计
1）根据以上测量的指标，设计模拟巴特沃思低通、高通、带通滤波器，画出幅频特性（模拟滤波器幅频特性freqs）。
2）将模拟各型滤波器转换为数字滤波器，画出幅频特性（求数字滤波器幅频特性freqz，采样频率fs=200kHz）。
3）利用MATLAB软件实现设计，记录相关波形，加以分析修改。
低通滤波器
N=4;fc=22000;fs=160000;T=1/fs;wc=2*pi*fc;
[B,A]=butter（N,wc,'s'）;
[mag0,w0]=freqs（B,A）;
subplot（2,1,1）;plot（w0/pi,abs（mag0））;
title（'模拟巴特沃思低通滤波器幅频特性’）;
xlabel（'频率/Hz'）;ylabel（'幅度'）;
[b,a]=bilinear（B,A,fs）;
[mag1,w1]=freqz（b,a）;
subplot（2,1,2）;plot（w1/pi,abs（mag1））;
title（'数字巴特沃思低通滤波器幅频特性'）;
xlabel（'w/pi'）;ylabel（'幅度'）;ax
is（[0,1,0,1]）;
带通滤波器
N=4;fs=160000;T=1/fs;
fc1=23000;fc2=28000;
wcl=fc1*2*pi;wc2=2*pi*fc2;
wc=[wcl,wc2];
[B,A]=butter（N,wc,'bandpass','s'）;
[mag0,w0]=freqs（B,A）;
subplot（2,1,1）;plot（w0/pi/2,abs（mag0））;
title（'模拟巴特沃思带通滤波器幅频特性'）;
xlabel（'频率/Hz'）;ylabel（'幅度'）;axis（[10000,40000,0,1]）;
[b,a]=bilinear（B,A,fs）;
[mag1,w1]=freqz（b,a）;
subplot（2,1,2）;plot（w1/pi,abs（mag1））;
title（'数字巴特沃思带通滤波器幅频特性'）;
xlabel（'w/pi'）;ylabel（'幅度'）;axis（[0.1,0.5,0,1]）;
高通滤波器
N=4;fc=26500;fs=160000;T=1/fs;wc=2*pi*fc;
[B,A]=butter（N,wc,'high','s'）;
[mag0,w0]=freqs（B,A）;
subplot（2,1,1）;plot（w0/pi/2,abs（mag0））;
title（'模拟巴特沃思高通滤波器幅频特性'）;
xlabel（'频率/Hz'）;ylabel（'幅度'）;axis（[0,80000,0,1]）;
[b,a]=bilinear（B,A,fs）;
[mag1,w1]=freqz（b,a）;
subplot（2,1,2）;plot（w1/pi,abs（mag1））;
title（'数字巴特沃思高通滤波器幅频特性'）;
xlabel（'w/pi'）;axis（[0,0.8,0,1]）;
3.语音信号的分析和处理系统设计
利用MATLAB软件对语音信号进行频谱分析；并对语音信号加入干扰噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，设计合适的滤波器滤除噪声。
设计步骤：
1）根据设计要求分析系统功能，掌握设计中所需理论阐明设计原理（采样频率、量化位数的概念，采样定理；信号的FFT分析；数字滤波器设计原理和方法，各种不同类型滤波器的性能比较）。
2）对语音信号做FFT，进行频谱分析，画出信号的时域波形图和频谱图。
3）对语音信号加入干扰噪声，对语音信号进行回放（利用sound函数），感觉加噪前后声音的变化。
对其做FFT，进行频谱分析，比较加噪前后语音信号的波形及频谱，对所得结果进行分析。
4）根据带噪语音信号的特点，设计合适的数字滤波器，绘制所设计滤波器的幅频和相频特性。
5）用所设计的滤波器对带噪语音信号进行滤波。
对滤波后的语音信号进行FFT频谱分析。
记录处理过程中所得各种波形及频谱图。
6）对语音信号进行回放，感觉滤波前后声音的变化。
比较滤波前后语音信号的波形及频谱，对所得结果和滤波器性能进行频谱分析。
[x,fs]=wavread（'jia1'）;N=length（x）;
n=0:
length（x）-1;c=2*pi*n/N;
y=fft（x,length（x））;
subplot（2,2,1）;plot（x）;title（'语音信号时域波形'）;
subplot（2,2,2）;plot（c,abs（y））;title（'语音信号幅频特性'）;
x1=0.008*cos（0.75*2*pi*n）;y1=x'+x1;y2=fft（y1）;
subplot（2,2,3）;plot（y1）;title（'加噪音后的波形'）;
subplot（2,2,4）;plot（abs（y2））;title（'加噪音后的频谱'）;
figure
（2）
[n,m]=butter（4,0.03*pi,'low'）;[db,mag,pha,w]=freqz_m（n,m）;
subplot（2,2,1）;plot（w,mag）;title（'滤波器的幅度特性'）;
subplot（2,2,2）;plot（w,pha）;title（'滤波器的相频特性'）;
T=200000;wc1=1;N=4;
[B,A]=butter（N,wc1,'s'）;[Bz,Az]=impinvar（B,A）;
z=filter（Bz,Az,y1）;
z1=fft（z）;
subplot（2,2,3）;plot（z）;title（'加噪音滤波后的波形'）;
subplot（2,2,4）;plot（abs（z1））;title（'加噪音滤波后的频谱'）;
4复杂音的分析和处理系统设计
1）产生由三个频率组成的信号，进行频谱分析，设计巴特沃思（或切比雪夫）数字各型滤波器，分别取出三个单音信号。
2）对复杂音加入噪声信号，分别对原始信号和带噪信号进行频谱分析并加以比较。
3）针对给定信号频率及噪声频率，设计巴特沃思数字滤波器滤除噪声，进行频谱分析并与原始信号进行比较。
4）由滤波后信号恢复出连续信号，进行谱分析。
对前几步的信号分别进行回放，感觉滤波前后声音的变化。
t=0:
1000;x=sin（0.2*pi*t）+2*sin（0.5*pi*t）+sin（0.8*pi*t）;X=fft（x）;
figure
（1）
subplot（2,2,1）;plot（t,x）;title（'连续信号时域波形'）;axis（[0,60,-4,4]）;
subplot（2,2,2）;plot（abs（X））;title（'连续信号频谱图'）;
figure
（2）
wp1=0.25;ws1=0.3;As=20;Rp=1;
[N1,wc1]=buttord（wp1,ws1,Rp,As）;[b1,a1]=butter（N1,wc1）;
[mag1,w1]=freqz（b1,a1）;
subplot（3,1,1）;plot（w1/pi,abs（mag1））;title（'数字巴特沃思低通滤波器幅度特性'）;
wsl=0.35;wsh=0.7;wpl=0.4;wph=0.6;wp2=[wpl,wph];ws2=[wsl,wsh];
[N2,wc2]=buttord（wp2,ws2,Rp,As）;[b2,a2]=butter（N2,wc2,'bandpass'）;
[mag2,w2]=freqz（b2,a2）;
subplot（3,1,2）;plot（w2/pi,abs（mag2））;title（'数字巴特沃思带通滤波器幅度特性'）;
wp3=0.7;ws3=0.65;
[N3,wc3]=buttord（wp3,ws3,Rp,As）;[b3,a3]=butter（N3,wc3,'high'）;
[mag3,w3]=freqz（b3,a3）;
subplot（3,1,3）;plot（w3/pi,abs（mag3））;title（'数字巴特沃思高通滤波器幅度特性'）;
figure（3）
y1=filter（b1,a1,x）;Y1=fft（y1）;
subplot（3,2,1）;plot（t,y1）;title（'低通滤波器滤波后时域波形'）;axis（[0,60,-1,1]）;
subplot（3,2,2）;plot（abs（Y1））;title（'低通滤波器滤波后频谱图'）;
y2=filter（b2,a2,x）;Y2=fft（y2）;
subplot（3,2,3）;plot（t,y2）;title（'带通滤波器滤波后时域波形'）;axis（[0,60,-2,2]）;
subplot（3,2,4）;plot（abs（Y2））;title（'带通滤波器滤波后频谱图'）;
y3=filter（b3,a3,x）;Y3=fft（y3）;
subplot（3,2,5）;plot（t,y3）;axis（[0,30,-1,1]）;title（'高通滤波器滤波后时域波形'）;
subplot（3,2,6）;plot（abs（Y3））;title（'高通滤波器滤波后频谱图'）;
figure（4）
z=cos（0.4*pi*t）;y=x+z;Y=fft（y）;
subplot（2,1,1）;plot（t,y）;title（'加噪声后时域波形'）;axis（[0,60,-5,5]）;
subplot（2,1,2）;plot（abs（Y））;title（'加噪声后频谱图'）;
figure（5）
wpl=0.3;wph=0.5;wsl=0.35;wsh=0.45;
ws4=[wsl,wsh];wp4=[wpl,wph];
[N4,wc4]=buttord（wp4,ws4,Rp,As）;[b4,a4]=butter（N4,wc4,'bandpass'）;
[mag4,w4]=freqz（b4,a4）;
y1=filter（b4,a4,y）;Y1=fft（y1）;
plot（w4/pi,abs（mag4））;title（'带通滤波器幅度特性'）;axis（[0,1,0,1.1]）;
figure（6）
subplot（2,2,1）;plot（t,y1）;axis（[0,100,-4,4]）;title（'去噪声后时域波形'）;
subplot（2,2,2）;plot（abs（Y1））;title（'去噪声后频谱图'）;
M=length（y1）;m=0:
M-1;mi=0:
0.1:
（M-1）/10;
ym=interp1（m,y1,mi）;Ym=fft（ym）;
subplot（2,2,3）;plot（m,y1,'o',mi,ym）;
title（'恢复出的连续信号时域波形'）;axis（[0,100,-4,4]）;
subplot（2,2,4）;plot（abs（Ym））;title（'恢复后的连续信号频谱图'）;
5Simulink仿真
根据前面的设计，进行基于Simulink的动态仿真设计。
实现复杂音或者语音信号的分析和处理。
给出系统的基于Simulink的动态建模和仿真的系统方框图，同时记录系统的各个输出点的波形和频谱图。
三个信号：
x1：
峰值为4V，f=20Hz；x2：
峰值为2V，f=100Hz；
X3：
峰值为4V，f=230Hz；采样频率为fs=0.001Hz
SpectrumScope显示三频率叠加频谱图Scope显示复杂音波形图
低通滤波器
SpectrumScope1显示复杂信号经过低通滤波器频谱图Scope1显示复杂音信号经过低通滤波器波
高通滤波器
SpectrumScope1显示复杂信号经过高通滤波器频谱图Scope1显示复杂音信号经过高通滤波器波形图
带通滤波器
SpectrumScope1显示复杂信号经过高通滤波器频谱图Scope1显示复杂音信号经过高通滤波器波形图
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