创新性实验结题.docx

创新性实验结题.docx

《创新性实验结题.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《创新性实验结题.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

创新性实验结题

山东科技大学电工电子实验教学中心

创新性实验结题报告

实验项目名称基于Matlab的信号频谱分析＿

？

组长姓名李兴鹏＿学号01

手机Email

专业＿电子信息工程＿班级＿09＿＿

指导教师及职称＿＿范迪＿＿

开课学期2011至＿2012学年＿1学期

提交时间2011年12月20日

<

一、实验摘要

本实验以正弦信号的频谱分析为引导，研究正弦信号频谱分析所产生的分析误差，说明对正弦信号进行频谱分析应注意的问题，并总结出一种针对正弦信号相对完善的频谱分析方法。

最后将这种方法应用于汽车发动机声音的频谱分析。

二、实验目的

深入理解FT、DFT、FFT的概念和原理，学会利用FFT获得信号频谱，掌握信号频谱特征的分析方法，熟悉Matlab及其数字信号处理工具箱的使用方法，学习创新性实验报告的撰写方法。

三、实验场地及仪器、设备和材料：

实验场地：

DSP实验室

实验仪器、设备：

PC兼容机一台，Matlab编程软件。

四、实验内容

1、实验原理

所谓信号的谱分析，就是计算信号的傅立叶变换。

DFT是一种时域和频域均离散化的变换，适合数值运算，成为用计算机分析离散信号的和系统的有力工具。

用FFT对模拟信号进行谱分析，首先要把模拟信号转换成数字信号，转换时要求知道模拟信号的最高截止频率，以便选择满足采样定理的采样频率。

一般选择采样频率是模拟信号中最高频率的3～4倍。

另外要选择对模拟信号的观测时间，如果采样频率和观测时间确定，则采样点数也确定了。

这里观测时间和对模拟信号进行谱分析的分辨率有关，最小的观测时间和分辨率成倒数关系。

要求选择的采样点数和观测时间大于它的最小值。

如果要进行谱分析的模拟信号是周期信号，最好选择观测时间是信号周期的整数倍。

如果不知道信号的周期，要尽量选择观测时间长一些，以减少截断效应的影响。

用FFT对模拟信号作谱分析是一种近似的谱分析。

首先一般模拟信号（除周期信号外）的频谱是连续频谱，而用FFT作谱分析得到的是数字谱，因此应该取FFT的点数多一些，用它的包络作为模拟信号的近似谱。

另外，如果模拟信号不是严格的带限信号，会因为频谱混叠现象引起谱分析的误差，这种情况下可以预先将模拟信号进行预滤，或者尽量将采样频率取高一些。

一般频率混叠发生在折叠频率附近，分析时要注意因频率混叠引起的误差。

最后要注意一般模拟信号是无限长的，分析时要截断，截断的长度和分辨率有关，但也要尽量取长一些，取得太短因截断引起的误差会很大。

举一个极端的例子，一个周期性正弦波，如果所取观察时间太短，例如取小于一个周期，它的波形和正弦波相差太大，肯定误差很大，但如果取得长一些，即使不是周期的整倍数，这种截断效应也会小一些。

2、实验内容

利用Maltab自行设计一个基本信号（正弦信号），对之进行频谱分析，并与理论频谱进行对比和讨论。

记录一段汽车发动机声音，利用Maltab对之进行频谱分析，得出相关结论。

3、实验步骤

（1）复习DFT的定义、性质和用DFT作谱分析的有关内容。

复习FFT算法原理与编程思想。

（2）利用Maltab设计一个正弦信号，尝试使用不同的频率进行采样，观察频谱变化。

（3）对正弦信号进行不同截取长度的频谱分析，观察频谱变化。

（4）采用不同长度的矩形窗对正弦信号进行截断，观察频谱变化。

（5）分析以上现象，找到合适的方法解决以上问题，总结正弦信号进行频谱分析的方法及注意问题。

（6）运用此方法汽车发动机声音进行频谱分析。

实验可能用到的MATLAB函数：

fft（）;plot（）;stem（）;abs（）;title（）;xlabel（）;ylabel（）;

holdon;axis（）;gridon;subplot（）;sin（）;

五、实验结果与分析

1、实验现象、数据记录

一、正弦信号及其频谱

程序

f=1000;

t=0:

:

x=sin（2*pi*f*t）;

subplot（211）;

plot（t,x）;

axis（[0,,-2,2]）

xk=fft（x）;

subplot（212）

plot（abs（xk））;

其理论频谱为两条笔直的线。

二、采样所得序列及其频谱

程序

f=1000;%信号频率Hz

fs=16*f;%采样频率Hz

N=64;%采样点数

t=（0:

N-1）/fs;%采样时间

x=sin（2*pi*f*t）;%信号采样值

subplot（211）

stem（t,x,'.'）;

xk=fft（x,N）;

subplot（212）

stem（abs（xk）,'.'）;

三、改变采样频率

1、若将采样频率改为Fs=*f;

采样得到的图形与原始信号相差很大，频谱很不准确。

2、若将采样频率改为fs=30*f;

所截取的序列非整数个周期，对所得频谱也会产生影响。

四、改变DFT点数

若将xk=fft（x,N）;中的N改为16；

与N=64时相比，发现频谱发生很大变化。

其实这是栅栏效应引起的。

我们可以通过增大截取长度来减小频域采样间隔，增加频域采样点数和采样点位置，使漏掉的频谱分量被检测出来。

五、加矩形窗截断

下图为加窗截取个周期的结果

可以发现，在主谱线旁边产生很多旁瓣。

若增大截断的长度如截取一个周期

可以发现，旁瓣消失了。

由于正弦信号属于周期信号，所以加窗截取时应选择周期的整数倍，若不知道周期，应选择足够长。

六、总结合适的频谱分析方法

通过以上比较与分析，可以知道对信号进行频谱分析时，需要采用合理的采样频率，截取合理长度的信号，选择合适长度的窗函数，以减小混叠现象、栅栏效应、截断效应等误差，使所得到的频谱尽可能接近理论频谱。

七、对汽车发动机声音进行频谱分析

1、

2、截取其中一部分

程序

[x,fs,bits]=wavread（'',[4135,4170]）;

sound（x,fs,bits）;

X=fft（x）;

subplot（211）;plot（x）;title（'信号波形'）;

subplot（212）;plot（abs（X））;title（'信号频谱'）;

这段信号与正弦信号接近，可以采用以上得到的方法。

3、对这段信号进行采样，并进行频谱分析。

采样频率选择为8KHz，进行25600点的DFT，得到如下

所得频谱与理论频谱很相似。

2、对实验现象、数据及观察结果的分析与讨论：

采样频率必须满足采样定理。

采样频率不变的情况下，增加采样点数可以减小频谱分析的误差。

通过增加数据长度的方法，也可以减小频谱分析的误差，但对于周期信号必须满足数据长度为整数个周期。

加窗截断时也应选择尽量长的窗，同时也要注意周期函数的截断问题。

指导教师签名：

年月日

六、指导老师评语及得分：

签名：

年月日

七、中心意见：

中心主任：

年月日

|