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1、数字信号处理数字信号处理(xn ho ch l)上机实验上机实验第一页，共48页。2023/2/72023/2/72 210.1引言(ynyn)第一、二章是全书的基础内容。第三、四章DFT、FFT是数字信号处理的重要数学工具(gngj)，它有广泛的使用内容。第1页/共48页第二页，共48页。2023/2/72023/2/73 310.2关于实验(shyn)用计算机语言MATLAB是一种交互式的以矩阵为基本数据结构的系统。在生成矩阵对象时，不要求(yoqi)明确的维数说明。所谓交互式，是指MATLAB的草稿纸编程环境。与C语言或FORTRON语言作科学数值计算的程序设计相比较，利用MATLAB可
2、节省大量的编程时间。第2页/共48页第三页，共48页。2023/2/72023/2/74 410.3实验(shyn)一：信号、系统及系统响应1.实验目的(1)熟悉连续信号经理想采样前后的频谱变化关系，加深对时域采样定理的理解。(2)熟悉时域离散(lsn)系统的时域特性。(3)利用卷积方法观察分析系统的时域特性。(4)掌握序列傅里叶变换的计算机实现方法，利用序列的傅里叶变换对连续信号、离散(lsn)信号及系统响应进行频域分析。第3页/共48页第四页，共48页。2023/2/72023/2/75 52.实验原理(yunl)与方法采样是连续信号数字处理的第一个关键环节。对一个连续信号xa(t)进行理
3、想采样的过程可用(10.3.1)式表示。(10.3.1)其中(t)为xa(t)的理想采样(ciyn)，p(t)为周期冲激脉冲，即(10.3.2)(t)的傅里叶变换(binhun)(j)为(10.3.3)第4页/共48页第五页，共48页。2023/2/72023/2/76 6将(10.3.2)式代入(10.3.1)式并进行(jnxng)傅里叶变换，式中的xa(nT)就是采样(ciyn)后得到的序列x(n)，即x(n)的 傅 里 叶 变 换(binhun)为(10.3.4)(10.3.5)第5页/共48页第六页，共48页。2023/2/72023/2/77 7比 较(bjio)(10.3.5)和(
4、10.3.4)可知(10.3.6)在数字计算机上观察分析(fnx)各种序列的频域特性，通常对X(ej)在0,2上进行M点采样来观察分析。对长度为N的有限长序列x(n),有一个(y)时域离散线性非移变系统的输入/输出关系为其中(10.3.8)第6页/共48页第七页，共48页。2023/2/72023/2/78 8上述卷积运算也可以(ky)在频域实现3.实验内容及步骤(1)认真复习采样理论、离散信号与系统、线性卷积、序列的傅里叶变换及性质等有关内容，阅读本实验原理与方法。(2)编制实验用主程序及相应子程序。信号产生子程序，用于产生实验中要用到的下列信号序列：xa(t)=Ae-atsin(0t)u(
5、t)(10.3.9)第7页/共48页第八页，共48页。2023/2/72023/2/79 9进行采样，可得到采样序列xa(n)=xa(nT)=Ae-anTsin(0nT)u(n),0n50其 中 A为 幅 度 因 子(ynz)，a为衰减因子(ynz)，0是模拟角频率，T为采样间隔。这些参数都要在实验过程中由键盘输入，产生不同的xa(t)和xa(n)。b.单位脉冲序列：xb(n)=(n)c.矩 形 序 列：xc(n)=RN(n),N=10系统单位脉冲响应序列产生子程序。本实验要用到两种FIR系统。a.ha(n)=R10(n);b.hb(n)=(n)+2.5(n-1)+2.5(n-2)+(n-3)
6、第8页/共48页第九页，共48页。2023/2/72023/2/71010有限长序列线性卷积子程序，用于完成两个给定长度的序列的卷积。可以直接调用MATLAB语言中的卷积函数conv。conv用于两个有限长度序列的卷积，它假定(jidng)两个序列都从n=0开始。调用格式如下：y=conv(x,h)第9页/共48页第十页，共48页。2023/2/72023/2/71111图10.3.1实验(shyn)一的主程序框图 第10页/共48页第十一页，共48页。2023/2/72023/2/71212图10.3.2xa(t)的幅频特性曲线(qxin)第11页/共48页第十二页，共48页。2023/2/
7、72023/2/71313(3)调通并运行实验程序，完成下述实验内容：分析采样序列的特性。a.取 采 样 频 率(pnl)fs=1kHz,即T=1ms。b.改 变 采 样 频 率(pnl)，fs=300 Hz，观察|X(ej)|的变化，并做记录(打印曲线)；进一步降低采样频率(pnl)，fs=200Hz，观察频谱混叠是否明显存在，说明原因，并记录(打印)这时的|X(ej)|曲线。第12页/共48页第十三页，共48页。2023/2/72023/2/71414时域离散信号、系统和系统响应分析。a.观察(gunch)信号xb(n)和系统hb(n)的时域和频域特性；利用线性卷积求信号xb(n)通过系统
8、hb(n)的响应y(n)，比较所求响应y(n)和hb(n)的时域及频域特性，注意它们之间有无差别，绘图说明，并用所学理论解释所得结果。b.观察(gunch)系统ha(n)对信号xc(n)的响应特性。卷积定理的验证。第13页/共48页第十四页，共48页。2023/2/72023/2/715154.思考题(1)在分析理想采样序列特性的实验中，采样频率不同时，相应理想采样序列的傅里叶变换频谱的数字(shz)频率度量是否都相同?它们所对应的模拟频率是否相同?为什么?(2)在卷积定理验证的实验中，如果选用不同的频域采样点数M值，例如，选M=10和M=20，分别做序列的傅里叶变换，求得所得(sud)结果之
9、间有无差异?为什么?第14页/共48页第十五页，共48页。2023/2/72023/2/716165.实 验 报 告 要 求(yoqi)(1)简述实验目的及实验原理。(2)按实验步骤附上实验过程中的信号序列、系统单位脉冲响应及系统响应序列的时域和幅频特性曲线，并对所得结果进行分析和解释。(3)总结实验中的主要结论。(4)简要回答思考题。第15页/共48页第十六页，共48页。2023/2/72023/2/7171710.4实验(shyn)二：用FFT作谱分析1.实验目的(1)进一步加深DFT算法原理和基本性质的理解(因为FFT只是DFT的一种快速算法，所以FFT的运算结果必然满足DFT的基本性质
10、)。(2)熟悉FFT算法原理和FFT子程序的应用。(3)学习用FFT对连续信号和时域离散信号进行谱分析的方法，了解可能出现(chxin)的分析误差及其原因，以便在实际中正确应用FFT。第16页/共48页第十七页，共48页。2023/2/72023/2/718182.实验步骤(1)复习(fx)DFT的定义、性质和用DFT作谱分析的有关内容。(2)复习(fx)FFT算法原理与编程思想，并对照DIT-FFT运算流图和程序框图，读懂本实验提供的FFT子程序。(3)编制信号产生子程序，产生以下典型信号供谱分析用：第17页/共48页第十八页，共48页。2023/2/72023/2/71919其它(qt)n
11、其它(qt)n第18页/共48页第十九页，共48页。2023/2/72023/2/72020(4)编写主程序。图10.4.1给出了主程序框图，供参考。本实验(shyn)提供FFT子程序和通用绘图子程序。(5)按实验(shyn)内容要求，上机实验(shyn)，并写出实验(shyn)报告。第19页/共48页第二十页，共48页。2023/2/72023/2/72121图10.4.1主程序框图第20页/共48页第二十一页，共48页。2023/2/72023/2/722223.上机实验内容(1)对2中所给出的信号逐个进行(jnxng)谱分析。下面给出针对各信号的FFT变换区间N以及对连续信号x6(t)的
12、采样频率fs，供实验时参考。x1(n),x2(n),x3(n),x4(n),x5(n):N=8,16=x6(t):fs=64(Hz),N=16,32,64(2)令x(n)=x4(n)+x5(n)，用FFT计算8点和16点离散傅里叶变换，X(k)=DFTx(n)(3)令x(n)=x4(n)+jx5(n)，重复(2)。第21页/共48页第二十二页，共48页。2023/2/72023/2/723234.思考题(1)在N=8时，x2(n)和x3(n)的幅频特性会相同吗?为什么?N=16呢?(2)如果周期信号的周期预先不知道，如何用FFT进行谱分析(fnx)?5.实验报告要求(1)简述实验原理及目的。(
13、2)结合实验中所得给定典型序列幅频特性曲线，与理论结果比较，并分析(fnx)说明误差产生的原因以及用FFT作谱分析(fnx)时有关参数的选择方法。(3)总结实验所得主要结论。(4)简要回答思考题。第22页/共48页第二十三页，共48页。2023/2/72023/2/724246.6.实验用子程序实验用子程序 本本实实验验的的主主程程序序比比较较简简单单，直直接接根根据据图图 10.4.110.4.1所所给给框框图图编编写写程序即可。程序即可。编程难点是编程难点是FFTFFT子程序。子程序。/*DIT-FFT/*DIT-FFT函数函数(C(C语言语言)*/;)*/;fftfft基基2DITFFT
14、2DITFFT函数函数要求：要求：指向复数数组指针指向复数数组指针X X，FFTFFT长度为长度为2m2m，mm为正整数为正整数FFTFFT输出结果放在输入复数数组中。输出结果放在输入复数数组中。/*/*计算计算N N点点FFTFFT子程序子程序*/*/*xr:=/*xr:=信信号号序序列列实实部部,xi:=,xi:=信信号号序序列列虚虚部部,N:=FFT,N:=FFT变变换换区区间间(q(qjin)jin)长度长度N=2M*/N=2M*/*/*如果信号长度小于如果信号长度小于N N，应该给，应该给xr,xixr,xi后面补后面补0*/0*/*/*计算结果计算结果X X（K K）的实部和虚部分
15、别存储在数组）的实部和虚部分别存储在数组xrxr和和xi xi中中*/*/第23页/共48页第二十四页，共48页。2023/2/72023/2/72525voidFft(doublexr,doublexi,intN,intM)intL,B,J,P,k,i;double rPartKB,iPartKB;/*分别代表X(K+B)的实部和虚部*/doublerCf128,iCf128;/*rCf存储旋转(xunzhun)因子实部,iCf存储旋转(xunzhun)因子虚部*/*旋转(xunzhun)因子数组长度应根据自己需要调整*/*计算旋转(xunzhun)因子*/第24页/共48页第二十五页，共4
16、8页。2023/2/72023/2/72626doublePI2=8.0*atan(1.0);for(i=0;iN;i+)rCfi=cos(i*PI2/N);iCfi=sin(i*PI2/N);ChangeOrder(xr,xi,N);/*调用倒序(dox)子程序*/*计算各级蝶形*/for(L=1;L=M;L+)B=(int)(pow(2,(L-1)+0.5);第25页/共48页第二十六页，共48页。2023/2/72023/2/72727for(J=0;J=B-1;J+)P=J*(int)(pow(2,(M-L)+0.5);for(k=J;k=N-1;k+=(int)(pow(2,L)+0
17、.5)rPartKB=xrk+B*rCfP-xik+B*iCfPiPartKB=xik+B*rCfP+xrk+B*iCfP第26页/共48页第二十七页，共48页。2023/2/72023/2/72828xr k+B =xrk-rPartKB;xi k+B=xik-iPartKB;xr k=xrk+rPartKB;xi k=xik+iPartKB;/*倒序(dox)子程序*/第27页/共48页第二十八页，共48页。2023/2/72023/2/72929voidChangeOrder(doublexr,doublexi,intN)intLH,N1,I,J,K;doubleT;LH=N/2;J=L
18、H;N1=N-2;for(I=1;I=N1;I+)if(I=K)J=J-K;K=(int)(K/2+0.5);J=J+K;第29页/共48页第三十页，共48页。2023/2/72023/2/7313110.5实验(shyn)三：用双线性变换法设计IIR数字滤波器1.实验目的(md)(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)掌握数字滤波器的计算机仿真方法。(3)通过观察对实际心电图信号的滤波作用，获得数字滤波的感性知识。第30页/共48页第三十一页，共48页。2023/2/72023/2/732322.实验内容(1)用双线性变换法设计一个巴特沃斯低通IIR数字滤波器。(2)
19、以0.02为采样间隔，打印出数字滤波器在频率区间0,/2上的幅频响应特性(txng)曲线。(3)用所设计的滤波器对实际心电图信号采样序列(在本实验后面给出)进行仿真滤波处理，并分别打印出滤波前后的心电图信号波形图，观察总结滤波作用与效果。第31页/共48页第三十二页，共48页。2023/2/72023/2/733333.实验步骤(1)复习有关巴特沃斯模拟滤波器设计和用双线性变换法设计IIR数字滤波器的内容(nirng)，按照例6.4.2，用双线性变换法设计数字滤波器系统函数H(z)。例6.4.2中已求出满足本实验要求的数字滤波器系统函数：(10.5.1)第32页/共48页第三十三页，共48页。
20、2023/2/72023/2/73434A=0.09036B1=1.2686,C1=-0.7051B2=1.0106,C2=-0.3583B3=0.9044,C3=-0.2155(10.5.2)由(10.5.1)式和(10.5.2)式可见(kjin)，滤波器H(z)由三个二阶滤波器H1(z),H2(z)和H3(z)级联组成，如图10.5.1所示。第33页/共48页第三十四页，共48页。2023/2/72023/2/73535图10.5.1滤波器H(z)的组成(zchn)第34页/共48页第三十五页，共48页。2023/2/72023/2/73636(2)编写滤波器仿真程序,计算H(z)对心电图
21、信号采样序列x(n)的响应序列y(n)。设yk(n)为第k级二阶滤波器Hk(z)的输出序列，yk-1(n)为输入序列，如图10.5.1所示。由(10.5.2)式可得到差分方程(fngchng)：yk(n)=Ayk-1(n)+2Ayk-1(n-1)+Ayk-1(n-2)+Bkyk(n-1)+Ckyk(n-2)(10.5.3)(3)在通用计算机上运行仿真滤波程序，并调用通用绘图子程序，完成实验内容(2)和(3)。第35页/共48页第三十六页，共48页。2023/2/72023/2/737374.思考题用双线性变换法设计数字滤波器过程中，变换公式中T的取值，对设计结果有无影响(yngxing)?为什
22、么?5.实验报告要求(1)简述实验目的及原理。(2)由所打印的|H(ej)|特性曲线及设计过程简述双线性变换法的特点。(3)对比滤波前后的心电图信号波形，说明数字滤波器的滤波过程与滤波作用。(4)简要回答思考题。第36页/共48页第三十七页，共48页。2023/2/72023/2/738386.心电图信号采样序列x(n)人体心电图信号在测量过程中往往受到工业高频干扰，所以必须经过低通滤波处理后，才能作为判断心脏功能(gngnng)的有用信息。下面给出一实际心电图信号采样序列样本x(n)，其中存在高频干扰。在实验中，以x(n)作为输入序列，滤除其中的干扰成分。第37页/共48页第三十八页，共48
23、页。2023/2/72023/2/73939x(n)=-4,-2,0,-4,-6,-4,-2,-4,-6,-6,-4,-4,-6,-6,-2,6,12,8,0,-16,-38,-60,-84,-90,-66,-32,-4,-2,-4,8,12,12,10,6,6,6,4,0,0,0,0,0,-2,-4,0,0,0,-2,-2,0,0,-2,-2,-2,-2,0第38页/共48页第三十九页，共48页。2023/2/72023/2/7404010.6实验四：用窗函数(hnsh)法设计FIR数字滤波器1.实验目的(1)掌 握 用 窗 函 数 法 设 计(shj)FIR数字滤波器的原理和方法。(2)熟
24、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。第39页/共48页第四十页，共48页。2023/2/72023/2/741412.实验原理与方法(fngf)如果所希望的滤波器的理想频率响应函数为Hd(ej)，则其对应的单位脉冲响应为(10.6.1)用窗函数w(n)将hd(n)截断(jidun)，并进行加权处理，得到:(10.6.2)h(n)就作为实际设计的FIR数字滤波器的单位脉冲响应序列，其频率响应(pnlxinyn)函数H(ej)为(10.6.3)第40页/共48页第四十一页，共48页。2023/2/72023/2/74242如果要求线性相位特性，则h(n)还必须满足
25、：根据上式中的正、负号和长度N的奇偶性又将线性相 位 FIR滤 波 器 分 成(fnchn)四类。要根据所设计的滤波特性正确选择其中一类。例如，要设计线性相位低通特性，可选择h(n)=h(N-1-n)一类，而不能选h(n)=-h(N-1-n)一类。第41页/共48页第四十二页，共48页。2023/2/72023/2/743433.实验内容及步骤(1)复习用窗函数法设计FIR数字滤波器一节内容，阅读本实验原理，掌握设计步骤。(2)编写程序。编写能产生矩型窗、升余弦窗、改进升余弦窗和二阶升余弦窗的窗函数子程序。编写主程序。主程序框图如图10.6.1所示，仅供参考。其中幅度(fd)特性要求用dB表示
26、。第42页/共48页第四十三页，共48页。2023/2/72023/2/74444图10.6.1用窗函数(hnsh)法设计滤波器主程序框图第43页/共48页第四十四页，共48页。2023/2/72023/2/74545设第44页/共48页第四十五页，共48页。2023/2/72023/2/74646(3)上机实验(shyn)内容。其中(qzhng)第45页/共48页第四十六页，共48页。2023/2/72023/2/747474.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(shuijin)，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)如果要求用窗函数法设计带通滤波器，且给定上、下边带截止频率为1和2，试求理想带通的单位脉冲响应hd(n)。第46页/共48页第四十七页，共48页。2023/2/72023/2/748485.实验报告要求(1)简述实验目的及原理。(2)按照实验步骤及要求，比较各种情况下的滤波性能，说明窗口长度N和窗函数类型对滤波特性的影响(yngxing)。(3)总结用窗函数法设计FIR滤波器的主要特点。(4)简要回答思考题。第47页/共48页第四十八页，共48页。