中南大学数字信号处理课程设计报告x.docx
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数字信号处理课设
报告
所在学院:
信息科学与工程学院专业班级:
通信1302班 学生姓名:
陈鑫 学生学号:
0905130208 指导教师:
李宏
12
目录
课程设计目的及要求 3
选题及设计思想 3
调试结果及分析 12
课程设计总结 24
参考文献 25
源程序 25
一、课程设计目的及要求
1.1课程设计目的
1.全面学习课程所学理论知识,巩固所学知识重点和难点,将理论和实践很好地结合起来;
2.提高综合运用所学知识独立分析和解决问题的能力;
3.熟练使用一种高级语言进行编程实现。
1.2课程设计要求
1、使用MATLAB(或其它开发工具)编程实现上述内容,写出课程设计报告。
滤波器设计题目应尽量避免使用现成的工具箱函数。
为便于分析与观察,设计中所有频谱显示中模拟频率应以实际频率显示,数字频率应对 归一化。
2、课程设计报告的内容包括:
(1)课程设计题目和题目设计要求;
(2)设计思想和系统功能分析;
(3)设计中关键部分的理论分析与计算,参数设置,关键模块的设计思路;
(4)测试数据、测试输出结果,及必要的理论分析和比较
(5)总结,包括设计过程中遇到的问题和解决方法,设计心得与体会等;
(6)参考文献;
(7)程序源代码清单。
3、演示系统使用GUI界面或混合编程实现集成打包发布。
二、选题及设计思想
2.1课程设计选做题目
2.1.1验证时域采样定理与频域采样定理
给定模拟信号:
𝑥𝑎(𝑡)=𝐴𝑒‒𝛼𝑡sin(Ω0𝑡)𝑢(𝑡)
式中,𝐴=444.128,𝛼=502𝜋,Ω0=502𝜋𝑟𝑎𝑑。
对𝑥𝑎(𝑡)进行采样,可得采样序列
𝑥𝑎(𝑛𝑇)=𝐴𝑒‒𝛼𝑛𝑇sin(Ω0𝑛𝑇)𝑢(𝑛𝑇)
1)选择采样频率𝑓𝑠=1𝑘𝐻𝑧,观测时间𝑇𝑝=50𝑚𝑠,观测所得序列𝑥(𝑛)及其幅频特性|𝑋(𝑒𝑗𝑤)|;
2)改变采样频率𝑓𝑠=300𝐻𝑧,观测此时|𝑋(𝑒𝑗𝑤)|的变化;
3)令采样频率𝑓𝑠=200𝐻𝑧,观测此时|𝑋(𝑒𝑗𝑤)|的变化;
要求分析说明原理,绘出相应的序列及其它们对应的幅频特性曲线,指出
|𝑋(𝑒𝑗𝑤)|的变化,说明为什么?
本题的目的在于验证时域采样理论。
为了说明时域采样与频域采样的对偶性,我有选做了第二组的第一小题。
题目如下:
1)产生一个三角波序列𝑥(𝑛),长度为M=40;
2)计算𝑁=64点的
𝑋(𝑘)=𝐷𝐹𝑇[𝑥(𝑛)],并画出𝑥(𝑛)和|𝑋(𝑘)|的波形
3)对𝑋(𝑘)在[0,2𝜋]上进行32点抽样,得到𝑋1(𝑘)=𝑋(2𝑘),𝑘=0,1,2,…,31
4)求𝑋1(𝑘)的32点IDFT,即𝑥1(𝑛)=𝐼𝐷𝐹𝑇[𝑋1(𝑘)];
5)绘出𝑥1(𝑛)的波形图,观察𝑥1(𝑛)和𝑥(𝑛)的关系,并加以说明。
2.1.2DFT的应用
一个连续信号含两个频率分量,经采样得
𝑥(𝑛)=sin(2𝜋∗0.125𝑛)+cos(2𝜋(0.125+Δ𝑓)𝑛),𝑛=0,1,2,…,𝑁‒1
当𝑁=16时,Δ𝑓分别为1/16和1/64时,观察其频谱;当𝑁=128时,Δ𝑓不变,其结果有何不同,为什么?
绘出相应的时域与频域特性曲线,分析说明如何选择DFT参数才能在频谱分析中分辨出两个不同的频率分量。
2.1.3线性相位带通滤波器的设计
1)𝑁=15,𝜔1=0.3𝜋𝑟𝑎𝑑,𝜔2=0.5𝜋𝑟𝑎𝑑。
用Hanning窗设计一线性相位带通滤波器,观察它的实际3dB和20dB带宽。
𝑁=45,重复这一设计,观察幅频和相位特性的变化,注意长度N变化的影响;
2)分别改用矩形窗和Blackman窗,设计:
1)中的带通滤波器,观察并记录窗函数对滤波器幅频特性的影响,比较三种窗的特点;(要求:
应尽量避免使用现成的工具箱函数)
2.1.4图像信号处理
1)读入一幅彩色图像
2)将彩色图像进行三原色分解,分解出R、G、B分量,并用图像显示出来
3)将彩色图像灰度化,转换为灰度图像并显示
4)对灰度图像用几种典型的边缘检测算子进行边缘检测,显示检测出的边缘。
2.1.5音频信号处理
1)读入给定的CEG和弦音音频信号(CEG.wav),对其进行离散傅立叶变换,分析信号频谱。
给出信号的时域及频域波形。
2)分析CEG和弦音信号的频谱特点,对该信号频谱能量相对较为集中的频带
(分低、中、高频)进行滤波(分别使用低通,带通及高通),分离出三个能量最集中的频带,画出滤波后信号的时域和频域波形,并对滤波后的信号与原信号的音频进行声音回放比较。
3)任意选择几个滤出的频带进行信号重建(合成),与原信号的音频进行声音
回放比较。
2.1.6倒频系统实现
倒频是目前对讲机采用的一种语音保密技术。
它是将信号的高频和低频进行交换,即将信号的高频部分搬到低频段,而将低频部分搬到高频段。
倒频后的信号和原始信号具有相同的频带范围。
由于原始语音信号的频率成分被置乱从而降低了可懂度,起到语音保密作用。
在接受端采用同样的倒频器再将信号恢复。
倒频系统的工作原理如图所示,设输入信号的最高角频率为wm。
图中HP是理想高通滤波器,其截止角频率为wb,LP为理想低通滤波器,其截止角频率为
wm,
图1倒频系统原理框图
根据倒频系统的原理框图,要求:
1)读入或录制一段语音信号
2)利用FFT分析语音信号频谱分布特性。
3)选择角频率wb和wm,设计相应的低通、高通滤波器,画出滤波器的幅频特性图
4)利用倒频系统对语音信号进行加密和解密,画出语音信号在加密前和加密后的时域和频域波形图,并通过语音回放验证加密和解密的效果。
2.2各题的设计思想
2.2.1第一题:
验证时域采样定理与频域采样定理
时域采样理论和频域采样理论是数字信号处理中的重要理论。
2.2.1.1验证时域采样定理
时域采样定理的主要内容为:
(1)对模拟信号𝑥𝑎(𝑡)以T进行时域等间隔理想采样,形成的采样信号的频率
会以角频率Ω𝑠(Ω𝑠=2𝜋/𝑇)为周期进行周期延拓。
公式为:
𝑎
𝑎
𝑎
𝑠
𝑋'(𝑗Ω)=𝐹𝑇(𝑥'(𝑡)]=1𝑇∗∑𝑋(𝑗Ω‒𝑗𝑛Ω)
(2)采样频率Ω𝑠必须大于等于模拟信号最高频率的两倍或两倍以上,才能使
采样信号的频谱不会产生频谱混叠。
题目中给定了模拟信号𝑥𝑎(𝑡),模拟信号𝑥𝑎(𝑡)的频谱特性曲线如下图所示。
图2模拟信号幅频特性曲线图
从模拟信号𝑥𝑎(𝑡)的幅频特性曲线中可以看出,模拟信号𝑥𝑎(𝑡)的最高频率为
500Hz.
为了使用DFT得到信号的频谱特性,首先要用下面的公式产生时域离散信号,对于三种不同的采样频率,采样序列按顺序用𝑥1(𝑛)、𝑥2(𝑛)、𝑥3(𝑛)表示。
𝑥(𝑛)=𝑥𝑎(𝑛𝑇)=𝐴𝑒‒𝛼𝑛𝑇sin(Ω0𝑛𝑇)𝑢(𝑛𝑇)
因为采样频率不同,得到的𝑥1(𝑛)、𝑥2(𝑛)、𝑥3(𝑛)的长度不同,长度(点数)用公式
𝑁=𝑇𝑃𝐹𝑠
得到。
其中,𝑇𝑃为观测时间,题中所给的𝑇𝑃=50𝑚𝑠,𝐹𝑆为采样频率,分别为1000Hz、500Hz和300Hz。
然后对得到的𝑥1(𝑛)、𝑥2(𝑛)、𝑥3(𝑛)进行DFT变换,得到响应的频域响应
𝑋1(𝑘)、𝑋2(𝑘)、𝑋3(𝑘)。
𝑋(𝑘)=𝐹𝐹𝑇[𝑥(𝑛)],𝑘=0,1,2,3,…,𝑁‒1
然后调用MATLAB函数plot绘制𝑋1(𝑘)、𝑋2(𝑘)、𝑋3(𝑘)的图像,并比较三者的区别即可验证时域采样定理。
2.2.1.2验证频域采样定理
频域采样定理的主要内容为:
(1)对信号𝑥(𝑛)的频谱函数𝑋(𝑒𝑗𝑤)在[0,2𝜋]上等间隔采样N点,得到
𝑋𝑁(𝑘)=𝑋(𝑒𝑗𝑤),𝜔=2𝑘𝜋𝑁,𝑘=0,1,2,…,𝑁‒1
则N点IDFT得到的序列就是原序列𝑥(𝑛)以N为周期进行周期延拓后的主值区间序列,公式为:
𝑥𝑁(𝑛)=𝐼𝐷𝐹𝑇[𝑋𝑁(𝑘)]𝑁=[∑𝑥(𝑛+𝑖𝑁)]𝑅𝑁(𝑛)
(2)由上式可知,频域采样点数N必须大于等于时域离散信号的长度M才能使时域不产生混叠,这是N点IDFT得到的序列𝑥𝑁(𝑛)就是原序列𝑥(𝑛),即
𝑥𝑁(𝑛)=𝑥(𝑛)。
如果N>M,则𝑥𝑁(𝑛)比原序列尾部多出N-M个零点;如果
N𝑥(𝑛)不相同。
本次课程设计中所采用的验证序列是三角波序列,三角波序列的长度M
=40,我们首先对三角波序列进行64点DFT,得到
𝑋(𝑘)=𝑋64(𝑘)=𝐷𝐹𝑇[𝑥(𝑛)]64
然后在此基础上对其进行隔点采样,得到三角波序列的32点DFT序列
𝑋1(𝑘)=𝑋(2𝑘)=𝑋32(𝑘)=𝐷𝐹𝑇[𝑥(𝑛)]32,
对𝑋1(𝑘)进行IDFT得到𝑥1(𝑛),对𝑋(𝑘)进行IDFT得到𝑥2(𝑛),原三角波序列为𝑥(𝑛)。
绘图比较𝑥1(𝑛)、𝑥2(𝑛)与𝑥(𝑛)即可验证频域采样定理。
2.2.2第二题:
DFT中频率分量的识别
本题着重研究用DFT对信号进行谱分析之时出现的频谱泄露问题。
由DFT
的物理意义可知,序列𝑥(𝑛)的N点DFT是𝑥(𝑛)的Z变换在单位圆上的N点等
间隔采样,同时也是𝑥(𝑛)的傅里叶变换𝑋(𝑒𝑗𝑤)在区间[0,2𝜋]上的N点等间隔采样。
如果从归一化数字频率的角度来看,N点DFT的频谱的频率分辨率为1/N。
题目中给出了给出了N =16和N=128两种情况。
针对N =16,又有Δ𝑓=1/16和Δ𝑓=1/64两种情况。
题目所给信号只有两个频率分量,Δ𝑓代表了信号中两频率分量的间隔,即信号的频率分辨率。
只有N点DFT的频谱分辨率大于信号的频率分辨率的时候,DFT频谱才是正确的,否则的话,就会出现频谱泄露。
因此,我们可以分别绘制N=16和N=64时,Δ𝑓=1/16和Δ𝑓=1/64两种情
况下的信号的时域波形以及频谱图进行对比。
这样,我们就可以确定哪些情况下频谱出现了泄露,哪些情况下频谱没有泄露,进而说明如何选择DFT参数
N才能在频谱中分辨出两个不同的频率分量。
2.2.3第三题:
线性相位带通滤波器的设计
本题目的在于用窗函数法考察线性相位带通滤波器的设计。
用窗函数设计
FIR滤波器的步骤如下:
(1)根据阻带衰减以及过渡带的的指标要求,选择窗函数的类型