数字信号处理课程设计指导书0606.docx

1、数字信号处理课程设计指导书0606数字信号处理课程设计指导工程技术系2009.8一、 数字信号处理课程设计内容及考核要求1、 课程设计内容：（一） 从以下五个题目中任选其中一个题目，根据题目要求完成程序的编制、调试和仿真；（二） 按照题目要求撰写课程设计报告，回答题目设定问题。2、 考核要求：（一） 课程设计要独立完成，不能出现多人设计报告雷同情况，一旦发现这种情况发生，雷同报告全部按不合格处理；（二） 设计报告一律按照规定的格式，使用A4纸打印，格式、封面统一；（三） 课程设计报告应包括以下内容（1）课题名称；（2）学生姓名、班级与学号；（3）设计内容及要求；（4）按照题目要求回答问题；（5

2、）列出仿真结果（信号波形、频谱等）；（6）分析、解释仿真结果；（7）画出软件流程图，列出程序清单；（8）列出参考文献；（9）写出本次课程设计的收获、体会。二、 数字信号处理课程设计题目题目一：离散信号与系统的时域分析1、设计目的：（1） 掌握求系统响应的方法。 （2） 掌握时域离散系统的时域特性。 （3） 分析、观察及检验系统的稳定性。 2、设计内容：编制Matlab程序，完成以下功能，产生系统输入信号；根据系统差分方程求解单位脉冲响应序列；根据输入信号求解输出响应；用实验方法检查系统是否稳定；绘制相关信号的波形。具体要求如下：（1） 给定一个低通滤波器的差分方程为 输入信号分别为 分别求出x

3、1(n)=R8(n)和x2(n)=u(n)的系统响应，并画出其波形。 求出系统的单位脉冲响应，画出其波形。（2） 给定系统的单位脉冲响应为用线性卷积法求x1(n)=R8(n)分别对系统h1(n)和h2(n)的输出响应，并画出波形。（3） 给定一谐振器的差分方程为 令b0=1/100.49，谐振器的谐振频率为0.4 rad。 用实验方法检查系统是否稳定。输入信号为u(n)时，画出系统输出波形。 给定输入信号为 求出系统的输出响应，并画出其波形。3、设计报告要求：（1）简述离散系统时域分析方法；（2）简述通过实验判断系统稳定性的方法；（3）完成以上设计实验，并对结果进行分析和解释；（4）打印程序清

4、单和要求画出的信号波形；（5）写出本次课程设计的收获和体会。题目二：离散系统的频域分析与零极点分布1、设计目的：（1） 掌握通过系统函数求解系统单位脉冲响应的方法； （2） 掌握系统函数零极点分布对频率特性的影响； （3） 通过系统函数零极点发布判断系统的稳定性。 2、设计内容：编制Matlab程序，完成以下功能，根据系统函数求出系统的零极点分布图并求解系统的单位脉冲响应；根据零极点分布图判断系统的稳定性；比较不同零极点发布对系统频率响应特性的影响；绘制相关信号的波形。具体要求如下：下面四种二阶网络的系统函数具有相同的极点发布：（1）分别画出各系统的零极点分布图，并判断系统的稳定性；（2）分别

5、画出系统的幅频特性和相频特性曲线；（3）分别求出系统的单位脉冲响应，并画出其波形。3、设计报告要求：（1）简述通过系统函数零极点分布判断系统因果稳定性的方法；（2）简述系统函数零极点分布对系统频率响应特性的影响；（3）完成以上设计实验，并对结果进行分析和解释；（4）打印程序清单和要求画出的信号波形；（5）写出本次课程设计的收获和体会。题目三：验证时域采样定理和频域采样定理1、设计目的：（1） 掌握模拟信号时域采样前后频谱的变化规律及时域采样定理； （2） 掌握频域采样的概念及频域采样定理； （3） 掌握时域采样频率的选择方法及频域采样点数的选择方法。 2、设计内容：编制Matlab程序，完成以

6、下功能，对给定模拟信号进行时域采样，观察不同采样频率对采样信号频谱的影响，验证时域采样定理；对给定序列进行傅里叶变换，并在频域进行采样，观察不同采样点数对恢复序列的影响，验证频域采样定理；绘制相关信号的波形。具体要求如下：（1）验证时域采样定理给定模拟信号 式中, A=444.128，。 现用DFT(FFT)求该模拟信号的幅频特性，以验证时域采样理论。 按照xa(t)的幅频特性曲线，选取三种采样频率，即Fs=1 kHz，300 Hz，200 Hz。观测时间选Tp=64 ms。为使用DFT，首先用下面的公式产生时域离散信号，对三种采样频率，采样序列按顺序用x1(n)、x2(n)、x3(n)表示。

7、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计算。选FFT的变换点数为M=64，序列长度不够64的尾部加零。X(k)=FFTx(n) ， k=0,1,2,3,M1式中, k代表的频率为要求： 编写实验程序，计算x1(n)、 x2(n)和x3(n)的幅度特性，并绘图显示。观察分析频谱混叠失真。 （2）频域采样理论的验证。 给定信号如下： 编写程序分别对频谱函数X(ej)=FTx(n)在区间0, 2上等间隔采样32点和16点，得到X32(k)和X16(k)： 再分别对X32(k)和X16(k)进行32点和16点IFFT，得到x32(n)和

8、x16(n)： 分别画出X(ej)、X32(k)和16(k)的幅度谱，并绘图显示x(n)、x32(n)和x16(n)的波形，进行对比和分析，验证总结频域采样理论。提示： 频域采样用以下方法容易编程实现。 (1) 直接调用MATLAB函数fft计算X32(k)=FFTx(n)32就得到X(ej)在0, 2的32点频率域采样X32(k)。 (2) 抽取X32(k)的偶数点即可得到X(ej)在0, 2的16点频率域采样X16(k)，即X16(k)=X32(2k), k=0, 1, 2, , 15。(3) 当然, 也可以按照频域采样理论，先将信号x(n)以16为周期进行周期延拓，取其主值区（16点），

9、再对其进行16点DFT(FFT), 得到的就是X(ej)在0, 2的16点频率域采样X16(k)。 3、设计报告要求：（1）简述时域采样定理；（2）简述频域采样定理；（3）完成以上设计实验，并对结果进行分析和解释；（4）打印程序清单和要求画出的信号波形；（5）写出本次课程设计的收获和体会。题目四：用FFT对信号作频谱分析1、设计目的：（1） 掌握用FFT对模拟信号进行谱分析的方法； （2） 掌握用FFT对时域离散信号进行谱分析的方法； （3） 掌握谱分析时变换区间的选取方法；（4） 了解用FFT进行谱分析可能存在的误差。2、设计内容：编制Matlab程序，完成以下功能， 用FFT对给定有限长序

10、列和周期序列进行谱分析；用FFT对给定模拟周期信号进行谱分析；观察不同变换区间选取对分析结果的影响；绘制相关信号的波形。具体要求如下：（1） 对以下有限长序列进行谱分析：选择FFT的变换区间N为8和16 两种情况进行频谱分析。分别打印其幅频特性曲线, 并进行对比、分析和讨论。（2） 对以下周期序列进行谱分析:选择FFT的变换区间N为8和16 两种情况分别对以上序列进行频谱分析。分别打印其幅频特性曲线, 并进行对比、分析和讨论。 （3） 对模拟周期信号进行谱分析:选择采样频率Fs=64 Hz，对变换区间N=16, 32, 64 三种情况进行谱分析。分别打印其幅频特性，并进行分析和讨论。 3、设计

11、报告要求：（1）简述用FFT对信号进行谱分析的方法；（2）简述用FFT对信号进行谱分析可能存在的误差；（3）完成以上设计实验，并对结果进行分析和解释；（4）打印程序清单和要求画出的信号波形；（5）写出本次课程设计的收获和体会。题目五：IIR数字滤波器设计及软件实现1、设计目的：（1）熟悉用双线性变换法设计IIR数字滤波器的原理与方法；（2）学会调用MATLAB信号处理工具箱中滤波器设计函数（或滤波器设计分析工具fdatool）设计各种IIR数字滤波器，学会根据滤波需求确定滤波器指标参数。（3）掌握IIR数字滤波器的MATLAB实现方法。（4）通过观察滤波器输入输出信号的时域波形及其频谱，建立数

12、字滤波的概念。2、设计内容：编制Matlab程序，完成以下功能，调用给定信号产生函数mstg产生由三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信号st，通过观察st的幅频特性曲线，分别确定可以分离st中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器（低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器）的通带截止频率和阻带截止频率。完成相应滤波器设计，将st中三路调幅信号分离出来。具体要求如下：（1）调用信号产生函数mstg产生由三路抑制载波调幅信号相加构成的复合信号st，该函数还会自动绘图显示st的时域波形和幅频特性曲线，如下图所示。由图可见，三路信号时域混叠无法在时域分离。但频域是分离的，所以可以通过滤波的方法在频域分离，这就

13、是本实验的目的。三路调幅信号st的时域波形和幅频特性曲线（2）要求将st中三路调幅信号分离，通过观察st的幅频特性曲线，分别确定可以分离st中三路抑制载波单频调幅信号的三个滤波器（低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器）的通带截止频率和阻带截止频率。要求滤波器的通带最大衰减为0.1dB,阻带最小衰减为60dB。提示：抑制载波单频调幅信号的数学表示式为其中，称为载波，fc为载波频率，称为单频调制信号，f0为调制正弦波信号频率，且满足。由上式可见，所谓抑制载波单频调幅信号，就是2个正弦信号相乘，它有2个频率成分：和频和差频，这2个频率成分关于载波频率fc对称。所以，1路抑制载波单频调幅信号的频谱图是关

14、于载波频率fc对称的2根谱线，其中没有载频成分，故取名为抑制载波单频调幅信号。容易看出，图中三路调幅信号的载波频率分别为250Hz、500Hz、1000Hz。如果调制信号m(t)具有带限连续频谱，无直流成分，则就是一般的抑制载波调幅信号。其频谱图是关于载波频率fc对称的2个边带（上下边带），在专业课通信原理中称为双边带抑制载波 (DSB-SC) 调幅信号,简称双边带 (DSB) 信号。如果调制信号m(t)有直流成分，则就是一般的双边带调幅信号。其频谱图是关于载波频率fc对称的2个边带（上下边带），并包含载频成分。（3）编程序调用MATLAB滤波器设计函数ellipord和ellip（butto

15、rd,butter或cheb1ord、cheb2ord、cheby1 、cheby2）分别设计这三个椭圆滤波器（巴特沃思滤波器或切比雪夫滤波器），并绘图显示其幅频响应特性曲线。 （4）调用滤波器实现函数filter，用三个滤波器分别对信号产生函数mstg产生的信号st进行滤波，分离出st中的三路不同载波频率的调幅信号y1(n)、y2(n)和y3(n)， 并绘图显示y1(n)、y2(n)和y3(n)的时域波形，观察分离效果。3信号产生函数mstg清单function st=mstg%产生信号序列向量st,并显示st的时域波形和频谱%st=mstg 返回三路调幅信号相加形成的混合信号，长度N=16

16、00N=1600 %N为信号st的长度。Fs=10000;T=1/Fs;Tp=N*T; %采样频率Fs=10kHz，Tp为采样时间t=0:T:(N-1)*T;k=0:N-1;f=k/Tp;fc1=Fs/10; %第1路调幅信号的载波频率fc1=1000Hz,fm1=fc1/10; %第1路调幅信号的调制信号频率fm1=100Hzfc2=Fs/20; %第2路调幅信号的载波频率fc2=500Hzfm2=fc2/10; %第2路调幅信号的调制信号频率fm2=50Hzfc3=Fs/40; %第3路调幅信号的载波频率fc3=250Hz,fm3=fc3/10; %第3路调幅信号的调制信号频率fm3=25

17、Hzxt1=cos(2*pi*fm1*t).*cos(2*pi*fc1*t); %产生第1路调幅信号xt2=cos(2*pi*fm2*t).*cos(2*pi*fc2*t); %产生第2路调幅信号xt3=cos(2*pi*fm3*t).*cos(2*pi*fc3*t); %产生第3路调幅信号st=xt1+xt2+xt3; %三路调幅信号相加fxt=fft(st,N); %计算信号st的频谱%=以下为绘图部分，绘制st的时域波形和幅频特性曲线subplot(3,1,1)plot(t,st);grid;xlabel(t/s);ylabel(s(t);axis(0,Tp/8,min(st),max(st);title(a) s(t)的波形)subplot(3,1,2)stem(f,abs(fxt)/max(abs(fxt),.);grid;title(b) s(t)的频谱)axis(0,Fs/5,0,1.2);xlabel(f/Hz);ylabel(幅度)4、设计报告要求：（1）简述四种滤波器的性能特点；（2）简述巴特沃思滤波器的设计步骤；（3）完成以上设计实验，并对结果进行分析和解释；（4）打印程序清单和要求画出的信号波形；（5）写出本次课程设计的收获和体会。