实验六抽样定理的MATLAB仿真设计.docx

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实验六抽样定理的MATLAB仿真设计

 

综合性、设计性实验报告

 

贺鹤学号8

专业通信工程班级2013级1班

实验课程名称抽样定理的MATLAB仿真

指导教师及职称玲香讲师

开课学期2014至2015学年第二学期

上课时间2015年6月17、27日

 

科技学院教务处编印

实验名称:

抽样定理的仿真实现

小组合作:

是○否●

小组成员:

1、实验目的

(1)加深理解时域采样定理的概念,掌握利用MATLAB分析系统频率响应的方法和掌握利用MATLAB实现连续信号采样、频谱分析和采样信号恢复的方法。

(2)通过MATLAB编程实现对时域抽样定理的仿真实现,达到训练学生应用计算机分析问题的能力目的。

(3)初步掌握线性系统的设计方法,培养独立工作能力。

(4)在仿真的基础上,结合硬件实验箱,通过电路的连接实现,初步掌握电路的设计是实现。

2、实验设备及系统环境:

硬件设备:

PC机,示波器,恒盾《信号与系统实验箱》HD-XH-2

操作系统:

win7

开发工具:

MATLAB7.0

3、实验容

(1)MATILAB实验容:

①自定义一个连续时间信号,并画出该信号的时域波形及其幅频特性曲线;

②对信号进行在临界采样、过采样、欠采样三种采样,得到采样序列,并画出三种不同采样频率时的采样序列波形;

③对不同采样频率下的采样序列进行频谱分析,绘制其幅频曲线,对比各频率下采样序列和的幅频曲线有无差别。

④对信号进行谱分析,观察与③中结果有无差别。

⑤由采样序列恢复出连续时间信号,画出其时域波形,对比与原连续时间信号的时域波形。

(2)根据抽样定理电路实现原理图,在恒盾《信号与系统实验箱》HD-XH-2完成抽样定理的电路连接,验证时域抽样定理。

4、实验方法步骤及注意事项

(1)设计原理图

(2)编程步骤(仿真实验)

①确定f(t)的最高频率fm。

对于无限带宽信号,确定最高频率fm的方法:

设其频谱的模降到10-5左右时的频率为fm。

②确定Nyquist抽样间隔TN。

选定两个抽样时间:

TSTN。

③滤波器的截止频率确定:

ωm<ωC<ωS-ωm。

④采样信号f(nTs)根据MATLAB计算表达式的向量表示。

⑤重建信号f(t)的MATLAB中的计算机公式向量表示。

根据原理和公式,MATLAB计算为:

ft=fs*Ts*wc/pi*sinc((wc/pi)*(ones(length(nTs),1)*t-nTs'*ones(1,length(t))));

(3)电路连接原理(硬件实验)

5.实验数据处理方法

①自定义输入信号:

f1=cos(2*pi*80*t)+2*sin(2*pi*30*t)+cos(2*pi*40*t-pi/3)

②改变抽样频率,实现欠抽样、临界抽样和过抽样,调试结果分析:

(1)频率sf

频谱重叠的现象被称为混叠现象。

如图1所示

图1.fs=140Hz恢复后信号波形及频谱

(2)频率sf=max2fm时,为原信号的临界采样信号和恢复,从下图2恢复后信号和原信号先对比可知,只恢复了低频信号,高频信号未能恢复。

如图2所示

图2.fs=160Hz恢复后信号波形及频谱

(3)频率sf>max2fm时,此时的采样是成功的,它能够恢复原信号,从时域波形可看出,比上面采样所得的冲激脉冲串包含的细节要多,在频域中也没出现频谱的交叠,这样我们可以利用低通滤波器得到无失真的重建。

如图3所示

图3.fs=200Hz恢复后信号波形及频谱

综合以上欠采样、临界采样、过采样三种情况的分析,可以看出要使采样信号可以恢复到原信号,采样频率必须满足时域采样定理,从而验证了时域采样定理。

 

6.实现

(1)电路连接图及验证结果

原信号采样信号采样后恢复信号

(2)程序代码及运行结果

1.采样程序:

functionfz=caiyang(fy,fs)

fs0=10000;tp=0.1;

t=[-tp:

1/fs0:

tp];

k1=0:

999;k2=-999:

-1;

m1=length(k1);m2=length(k2);

f=[fs0*k2/m2,fs0*k1/m1];

w=[-2*pi*k2/m2,2*pi*k1/m1];

fx1=eval(fy);

FX1=fx1*exp(-j*[1:

length(fx1)]'*w);

figure

subplot(2,1,1),plot(t,fx1,'r')

title('原信号'),xlabel('时间t(s)')

axis([min(t),max(t),min(fx1),max(fx1)])

subplot(2,1,2),plot(f,abs(FX1),'r')

title('原信号幅度频谱'),xlabel('频率f(Hz)')

axis([-100,100,0,max(abs(FX1))+5])

Ts=1/fs;

t1=-tp:

Ts:

tp;

f1=[fs*k2/m2,fs*k1/m1];

t=t1;

fz=eval(fy);

FZ=fz*exp(-j*[1:

length(fz)]'*w);

figure

subplot(2,1,1),stem(t,fz,'.'),title('取样信号'),xlabel('时间t(s)')

line([min(t),max(t)],[0,0])

subplot(2,1,2),plot(f1,abs(FZ),'m')

title('取样信号幅度频谱'),xlabel('频率f(Hz)')

2.恢复程序:

functionfh=huifu(fz,fs)

T=1/fs;dt=T/10;tp=0.1;

t=-tp:

dt:

tp;n=-tp/T:

tp/T;

TMN=ones(length(n),1)*t-n'*T*ones(1,length(t));

fh=fz*sinc(fs*TMN);

k1=0:

999;k2=-999:

-1;

m1=length(k1);m2=length(k2);

w=[-2*pi*k2/m2,2*pi*k1/m1];

FH=fh*exp(-j*[1:

length(fh)]'*w);

figure

subplot(2,1,1),plot(t,fh,'g'),

st1=sprintf('由取样频率fs=%d',fs);

st2='恢复后的信号';

st=[st1,st2];title(st),xlabel('时间t(s)')

axis([min(t),max(t),min(fh),max(fh)])

line([min(t),max(t)],[0,0])

f=[10*fs*k2/m2,10*fs*k1/m1];

subplot(2,1,2),plot(f,abs(FH),'g')

title('恢复后信号的频谱'),xlabel('频率f(Hz)')

axis([-100,100,0,max(abs(FH))+2]);

3.三种采样实现程序及其显示结果:

①欠采样:

f1='cos(2*pi*80*t)+2*sin(2*pi*30*t)+cos(2*pi*40*t-pi/3)';

fs2=caiyang(f1,140);

fr2=huifu(fs2,140);

图4.1fs=140Hz原信号波形及频谱图4.2fs=140Hz取样信号波形及频谱

图4.3fs=140Hz恢复后信号波形及频谱

②临界采样:

f1='cos(2*pi*80*t)+2*sin(2*pi*30*t)+cos(2*pi*40*t-pi/3)';

fs2=caiyang(f1,160);

fr2=huifu(fs2,160);

图5.1fs=160Hz原信号波形及频谱图5.1fs=160H取样信号波形及频谱

图5.1fs=160Hz恢复后波形及频谱

③过采样:

f1='cos(2*pi*80*t)+2*sin(2*pi*30*t)+cos(2*pi*40*t-pi/3)';

fs2=caiyang(f1,200);

fr2=huifu(fs2,200);

图6.1fs=200Hz原信号波形及频谱图6.1fs=200Hz取样信号波形及频谱

图6.1fs=200Hz恢复后信号波形及频谱

7.实验总结

一开始接触这个实验的时候有点迷茫,不知所措。

通过老师的讲解还是有点不知从何下手。

但经过不断地摸索和老师的帮助终于有所头绪。

通过这次数字信号处理课程设计,让我了解了关于MATLAB软件在数字信号处理方面的应用,又一次学习了MATLAB软件的使用和程序的设计,MATLAB的仿真使我更加深入的了解了数字处理的过程,对我对数字信号处理的理解加深了一步——MATLAB拥有强大的数据仿真能力。

MATLAB软件使得困难、枯燥的数字处理过程变得非常简单,不仅能够非常迅速的计算出幅频相频、卷积、等,而且还能自动画出连续、离散的波形曲线。

使我们能非常直观的了解数字信号的处理结果。

在这过程中我遇到了所多的难题,通过与老师和同学的交流和学习,让我学会了很多在课堂上没有理解的难点。

同时也进一步加深了对Matlab的理解和认识。

8.参考文献:

[1]恒盾《信号与系统实验箱》HD-XH-2配套教材.

[2]党红社,信号与系统实验(MATLAB版).电子科技大学,2009年6月第1版.

[3]周辉,董正宏.《数字信号处理基础及其MATLAB实现》

[4]行一,蔡忠见.《数字信号处理》

[5]楼顺天,若玉.《MATLAB7.X程序设计语言》

[6]敏,玲.MATLAB通信仿真与应用

9.指导老师对实验设计方案的意见:

 

指导老师签名:

年月日

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