医学数字信号处理实验指导书.docx

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医学数字信号处理实验指导书

《医学数字信号处理》

实验指导书

学生实验须知

一实验要求

1认真进行实验预习和准备，应教师要求于实验前完成实验准备报告；

2按照安排的时间、地点和分组签到和参加实验。

因故调换应提交调换申请并经教师批准；

3在指定实验台（位置）进行实验，不得随意调换，不得动用非实验设备；

4实验时，主动参与，认真细致，互助合作，注意安全。

有问题主动向教师请教。

5实验结束，整理好实验设备，报告指导教师检查实验结果，经认可后方可离开。

6损坏设备，应予以赔偿。

二实验报告基本要求

1在院统一印制的实验报告用纸上书写报告；

2书写整洁，符号、表格和曲线规范；

3实验记录数据真实客观，实验结果分析认真正确；

4按时呈交，实验报告作为教学档案由院留存。

三实验成绩评定

1每项实验的成绩综合学生出勤、实验过程（参与程度，实验结果，设备安全和人身安全）情况和实验报告质量（内容和规范性）给出。

不参加实验或参加实验不提交报告者，该项实验成绩为0分。

2实验成绩计入课程平时成绩表；

3不参加实验及不提交报告达三分之一者，将被取消该课程考核资格。

目录

实验一卷积（Convolve）算法实验....................4

实验二FFT分析实验..............................9

实验三有限冲击响应滤波器（FIR）算法实验............8

实验四无限冲击响应滤波器（IIR）算法实验.............12

预习要求：

对指导书中所附程序实验前要先预习、分析，达到基本理解，实验中再进一步认识、全部理解。

实验一卷积（Convolve）算法实验

一、实验目的

1．掌握卷积算法的原理；

2．掌握在CCS环境下，TMS320程序编写、编译和调试程序的方法。

二、实验设备

计算机、CCS2.0版软件、DSP仿真器、实验箱

三、实验原理及步骤

A．实验前准备

1）正确完成计算机、DSP仿真器和实验箱的连接后，系统上电；

2）设置模数转换单元的拨动开关，1、5置“ON”，其它置“OFF”；

B．实验

打开PC机界面下的CCS2.软件，用Project/Open打开C:

\ti\mypjts\DSP54X-1目录下的“ExpConv.pjt”工程文件；

双击“expConv.pjt”及“Source”可查看各源程序；并编译加载；在主程序中的两个K++处，设置断点；单击“Run”运行程序，程序运行到第一个断点处停止。

用View/Graph/Time/Frequency打开图形观察窗口；设置观察窗口变量及参数；采用双踪观察两路输入变量Input及Impulse的波形，波形长度为128，数组类型为32位浮点型；

再打开一个图形窗口，以观察卷积结果波形；该观察窗口的参数设置为：

变量为Output，长度为256，数据类型为32位浮点数；

调整观察窗口，观察两路输入波形和卷积结果波形；这两路输入波形是由程序产生，并对两个信号进行卷积；

单击“Run”，程序运行至第二个断点处停止，调整图形观察窗口，该部分实验用实验箱的信号源产生的信号作为卷积的两个输入信号，观察卷积结果；

单击“Animate”运行程序，或按F10运行程序；调整观察窗口，并观察卷积结果；改变输入信号的波形、频率、幅值，观察卷积卷结果。

四、实验报告要求

1．主要实验步骤。

2．描绘出输入、输出数组的曲线。

3．简述卷积理论。

五、Convolve子程序

时域表达式：

程序参数说明：

VoidConvolveok（Input,Impulse,Output,Length）

ExternvoidREADAD7822（void）

两序列卷积子程序：

Input：

原始输入数据序列，浮点型，长度128；

Impulse：

冲击响应序列，浮点型，长度128；

Output：

卷积输出结果序列，浮点型，长度256；

Length：

参与卷积运算的两输入序列长度；

子程序流程图：

externvoidInitC5402（void）;

externvoidREADAD7822（void）;

#include"stdlib.h"

#include"stdio.h"

#include"typedef.h"

#include"Convolve.h"

#include"math.h"

#defineLength128

#defineLength32*Length

voidmain（）

{

inti,k=0;

doubleInput[Length];

doubleImpulse[Length];

doubleOutput[Length3];

intxm;

int*px=（int*）0x3000;

InitC5402（）;

//产生随机输入数据以及冲击响应

Input[0]=200;

Impulse[0]=100;

for（i=1;i

{

if（i

{

Input[i]=200;

}

else

{

Input[i]=0;

}

}

for（i=1;i

{

if（i

{

Impulse[i]=100;

}

else

{

Impulse[i]=0;

}

}

Convolveok（Input,Impulse,Output,Length）;

k++;

for（;;）

{

READAD7822（）;

px=（int*）0x3000;

for（i=0;i

{

xm=*px;

Input[i]=xm;

Impulse[i]=xm;

px++;

}

Convolveok（Input,Impulse,Output,Length）;

k++;

}

}

/*******************************************************************

**EndofFile––ExpConv.c

*******************************************************************/

#include"Convolve.h"

voidConvolveok（

double*Input,//原始输入数据

double*Impulse,//冲击响应

double*Output,//卷积输出结果

Word16length//卷积序列长度

）

{

inti,k,p;

doubler;

p=0;

for（k=0;k<=length-1;k++）

{

Output[k]=0;

r=0;

for（i=0;i<=p;i++）

{

r=Input[k-i]*Impulse[i];

Output[k]=Output[k]+r;

}

p=p+1;

if（p>length-1）p=length-1;

elsep=p;

}

p=length-2;

for（k=length;k<=length+length-1;k++）

{

Output[k]=0;

r=0;

for（i=0;i<=p;i++）

{

r=Input[length-1-i]*Impulse[length-1-p+i];

Output[k]=Output[k]+r;

}

p=p-1;

}

return;

}

实验二FFT分析实验

一、实验目的

1．加深对DFT算法原理和基本性质的理解；

2．熟悉FFT算法原理和FFT子程序的应用；

3．学习用FFT对连续信号和时域信号进行谱分析的方法，了解可能出现的分析误差及其原因，以便在实际中正确应用FFT。

二、实验设备

计算机、CCS2.0版软件、实验箱、DSP仿真器

三、基本原理

1．DFT的定义：

将时域的采样变换成频域的周期性离散函数，频域的采样也可以变换成时域的周期性离散函数，这样的变换称为离散傅立叶变换，简称DFT。

2．FFT是DFT的一种快速算法，将DFT的N2步减少为（N/2）log2N步，极大地提高了运算的速度。

四、实验步骤

A．实验前准备

1）正确完成计算机、DSP仿真器和实验箱的连接后，系统上电；

2）设置模数转换单元的拨动开关，1、5、6置“ON”，其它置“OFF”；

B．实验

打开PC机界面下的CCS2.软件，Project/Open打开C:

\ti\mypjts\DSP54X-2目录下的“ExpFFT.pjt”工程文件；双击“ExpFFT.pjt”及“Source”可查看各源程序；并编译加载；在主程序”k++”处设置断点；单击“Run”运行程序，程序将运行到断点处停止；

用View/Graph/Time/Frequency打开一个图形观察窗口；设置该观察图形及参数；采用双踪观察启始地址分别为0x3000H和0x3080h，长度为128单元中数模变化，数值类型为16位有符号整型变量，这两段存储单元中分别存放的是经过AD782转换的混叠信号（信号源单元产生）和对该信号进行FFT变换的结果；

单击“Animate”运行程序，或按F10运行；调整观察窗口并观察输入信号波形及其FFT变换结果；调节信号源单元中两路信号的波形选择调节、频率调节、幅值调节，观察混叠信号以及其FFT变换结果如何变化；

单击“Halt”暂停程序运行，关闭窗口，本实验结束。

五、思考题

1．对于不同的N，幅频特性会相同吗？

为什么？

六、实验报告要求

1．简述FFT理论。

2．主要实验步骤。

3．描绘出输入、输出数组的曲线。

4．回答思考题。

程序参数说明

Externvoidinitial（void）;

ExternvoidREADAD7822（void）;

Voidkfft（pr,pi,n,k,fr,fi,l,il）；基2快速傅立叶变换子程序，n为变换点数，应满足2的整数次幂，k为幂次（正整数）；

数组x：

输入信号数组，A/D转换数据存放于地址为3000H~307FH存储器中，转为浮点型后，生成x数组，长度128；

数组mo：

FFT变换数组，长度28，浮点型，整型后，写入3080h~30FFH存储器中。

实验三有限冲击响应滤波器（FIR）算法实验

一、实验目的

1．掌握用窗函数法设计FIR数字滤波器的原理和方法；

2．熟悉线性相位FIR数字滤波器特性；

3．了解各种窗函数对滤波特性的影响。

二、实验设备

计算机、CCS2.0版软件、实验箱、DSP仿真器

三、实验原理

1．有限冲击响应数字滤波器的基础理论；

2．模拟滤波器原理（巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器）；

3．数字滤波器系数的确定方法。

四、实验步骤

A．实验前准备

1）正确完成计算机、DSP仿真器和实验箱的连接后，系统上电；

2）设置模数转换单元的拨动开关，1、5置“ON”，其它置“OFF”；

3）用示波器分别观测信号源单元的S1和S2输出的模拟信号，分别调节信号波形选择、信号频率、信号输出幅值等旋钮，直到满意为止；

建议：

采用两路正弦波信号的混叠信号作为输入信号；

S1输出：

低频正弦波信号：

峰峰值11V，频率<4KHz；

S2输出：

高频正弦波信号：

峰峰值5V，频率>40KHz；

4）设置模数转换单元的拨动开关，1、5、6置“ON”，其它置“OFF”，即采样频率选择181KHz，两路信号混叠输入，可在“A/DIN”点用示波器观察混叠信号。

B．实验

打开PC机界面下的CCS2.软件，用Project/Open打开C:

\ti\mypjts\DSP54X-3目录下的“ExpFIR.pjt”

工程文件；双击“ExpFIR.pjt”及“Source”可查看各源程序；并编译加载；在主程序中，K++处，设置断点；单击“Run”运行程序，程序将运行至断点处停止。

用View/Graph/Time/Frequency打开一个图形观察窗口；设置观察图形窗口变量及参数为：

采用双踪观察在启动地址分别为0x3000H和0x3100H，长度为256的单元中数值的变化，数值类型为16位有符号整型变量，这两段存储单元中分别存放的是经A/D转换后的输入混叠信号（输入信号）和对该信号进行FIR滤波的结果。

单击“Animate”运行程序，或按F10运行程序；调整观察窗口并观察滤波结果，单击“Halt”暂停程序运行，激活“ExpFIR.c”的编辑窗口；

实验程序说明：

该程序为51阶FIR低通滤波器算法程序，采用矩形窗

函数实现，数组和xmid长度均为51，fs为采样频率，fstop为滤波器截止频率，可以修改以上参数来变滤波器性能。

重新“RebuildAll”后，重新加载，单击“Animate”，可得到不同的实验结果。

五、思考题

1．如果给定通带截止频率和阻带截止频率以及阻带最小衰减，如何用窗函数法设计线性相位低通滤波器？

写出设计步骤。

2．定性说明本实验中，3dB截止频率的理论值在什么位置？

是否等于理想低通的截止频率？

六、实验报告要求

1．简述FIR理论。

2．主要实验步骤。

3．描绘出输入、输出数组的曲线。

4．回答思考题。

七、FIR程序参数说明

系统函数

对应常系数线性差分方程：

程序参数说明：

ExternvoidInitC5402（void）

ExternvoidREADAD7822（void）

voidfirdes（intm，doublenpass）；

输入信号：

输入信号经A/D转换后，写入地址为3000H~30FFH存储器，16位整型；

输出信号：

FIR低通滤波器输出，写入地址为3100H~31FFH存储，16位整型。

八、程序流程图

externvoidInitC5402（void）;

externvoidREADAD7822（void）;

/****************************************

**MainFunctionProgram

****************************************/

#include"stdio.h"

#include"math.h"

#definepi3.1415927

doublenpass,h[51],x,y,xmid[51];

intm=50;

intn=256;

voidfirdes（intm,doublenpass）;

main（）

{

intxm,ym;

int*px=（int*）0x3000;

int*py=（int*）0x3100;

doublefs,fstop,r,rm;

inti,j,p,k;

k=0;

fs=181000;

fstop=10000;

npass=fstop/fs;

for（i=0;i<=m;i++）

{

xmid[i]=0;

}

InitC5402（）;/*initializeC5402DSP*/

firdes（m,npass）;

for（;;）

{

READAD7822（）;

for（i=0;i<=n-1;i++）

{

px=（int*）（0x3000+i）;

xm=*px;

x=xm;

for（p=0;p<=m;p++）

{

xmid[m-p]=xmid[m-p-1];

}

xmid[0]=x;

r=0;

rm=0;

for（j=0;j<=m;j++）

{

r=xmid[j]*h[j];

rm=rm+r;

}

y=rm;

py=（int*）（0x3100+i）;

ym=（int）y;

*py=ym;

}

k++;

}

}

voidfirdes（intm,doublenpass）

{

intt;

for（t=0;t<=m;t++）

{

h[t]=sin（（t-m/2.0）*npass*pi）/（pi*（t-m/2.0））;

}

if（t=m/2）h[t]=npass;

}

/*****EndofFile––ExpFIR.c**********************************************/

实验四无限冲击响应滤波器（IIR）算法实验

一、实验目的

1．熟悉设计IIR数字滤波器的原理与方法；

2．掌握数字滤波器的计算机仿真方法；

3．通过观察对实际信号的滤波作用，获得对数字滤波的感性认识。

二、实验设备

计算机、CCS2.0版软件、实验箱、DSP仿真器

三、实验原理

1．无限冲击响数字滤波器的基础理论；

2．模拟滤波器原理（巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器）；

3．双线性变换的设计原理。

四、实验步骤

A．实验前准备

1）正确完成计算机、DSP仿真器和实验箱的连接后，系统上电；

2）设置模数转换单元的拨动开关，1、5置“ON”，其它置“OFF”；

3）用示波器分别观测信号源单元的S1和S2输出的模拟信号，分别调节信号波形选择、信号频率、信号输出幅值等旋钮，直到满意为止；

建议：

采用两路正弦波信号的混叠信号为输入信号；

S1输出低频正弦波信号：

峰峰值11V，频率<4KHz；

S2输出高频正弦波信号：

峰峰值5V，频率>40KHz；

4）设置模数转换单元的拨动开关，1、5、6置“ON”，其它置“OFF”，即采样频率选择181KHz，两路信号混叠输入，可在引出点“A/DIN”处（模数转换单元）用示波器观察混叠信号。

B．实验

打开PC机界面下的CCS2.软件，用Project/Open打开C:

\ti\mypjts\DSP54X-4目录下的“ExpIIR.pjt”工程文件；双击“ExpIIR.pjt”，双击“Source”可查看各源程序；并加载“Exp

IIR.out”；在主程序中，K++处，设置断点；单击“Run”运行程序，程序将运行至断点处停止。

用View/Graph/Time/Frequency打开一个图形观察窗口；采用双踪示波器在启动地址分别为0X3000H和0X3100H，长度为256的单元中数值的变化，数值类型为16位有符号整型变量，这两段存储单元中分别存放的是经A/D转换后的混叠信号和对该信号进行低通IIR滤波后的输出信号；

参数设置：

双踪观察输入的叠加波形与滤波后的输出波形：

单击“Animate”运行程序，或按F10运行程序；调整观察窗口，并观察滤波结果；单击“Halt”暂停程序运行，激活“ExpIIR.c”的编辑窗口；该IIR低通滤波器性能参数为：

采样频率为181KHz，通带内最大允许衰减3dB，阻带内最小衰减大于

30dB，过渡带宽度约为36KHz；通带上限频率：

4KHz；阻带下限截止频率：

40KHz。

可以修改以上参数归一化参数“nlpass”和“nlstop”来改变滤波器性能。

修改“ExpIIR.c”程序中“nlpass”和“nlstop”参数可改变IIR低通滤波器的滤波性能。

重新“RebuildALL”后，加载，单击“Animate”，可得到不同的结果。

五、思考题

1．简试述用双线性变换法设计数字滤波器的过程？

2．实验中，计算每个二阶滤波器的输出序列时，如何确定计算点数？

3．对滤波前后的信号波形，说明数字滤波器的滤波过程与滤波作用。

六、实验报告要求

1．简述IIR理论。

2．主要实验步骤。

3．描绘出输入、输出数组的曲线。

4．对比FIR滤波器与IIR滤波器的异同；

5．回答思考题。

七、IIR程序参数说明

系统函数：

对应的常系数线性差分方程是：

实验流程图

程序参数说明：

ExternvoidInitC5402（void）

voidREADAD7822（void）

voidbiir2lpdes（doublefs,doublenlpass,doublenlstop,doublea[],doubleb[]）

IIR低通滤波器参数设计子程序参数说明：

fs：

采样频率；

nlpass：

通带上限频率归一化参数；

nlstop：

阻带下限截止频率归一化参数；

设置时，采样频率对应为1，应使“nlpass”和“nlstop”两参数均要小于0.5，且“nlpass”要比“nlstop”小0.2，否则将不能满足阻带的最大衰减大于30dB。

数组a：

存放IIR低通滤波器传递函数的极点计算结果，浮点型；

数组b：

存放IIR低通滤波器传递函数的零点计算结果，浮点型；

输入信号：

输入信号经A/D转换后，写入地址3000H~30FFH单元，16位整型；

输出信号：

滤波后信号，写入地址3100H~31FFH单元，16位整型。

externvoidInitC5402（void）;

externvoidREADAD7822（void）;

/***********************************************************************

**MainFunctionProgram

***********************************************************************/

#include"stdio.h"

#include"math.h"

#definepi3.1415926

doublefs,nlpass,nlstop,nhpass,nhstop,a[3],b[3],x,y;

voidbiir2lpdes（doublefs,doublenlpass,doublenlstop,doublea[],doubleb[]）;

voidbiir2lpdes（doublefs,doublenlpass,doublenlstop,doublea[],doubleb[]）

{

inti,u,v;

doublewp,omp,gsa,t;

wp=nlpass*2*pi;

o