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数字信号处理实验指导书
《数字信号处理》
实验指导书
西北工业大学航海学院
2006年10月
实验一离散信号的产生和频谱分析
一、实验目的
仿真掌握采样定理。
学会用FFT进行数字谱分析。
掌握FFT进行数字谱分析的计算机编程实现方法。
培养学生综合分析、解决问题的能力,加深对课堂内容的理解。
二、实验要求
掌握采样定理和数字谱分析方法;编制FFT程序;完成正弦信号、线性调频信号等模拟水声信号的数字谱分析;实验后撰写实验报告。
三、实验环境
实验用的软、硬件环境(软件名称、版本,仪器、设备名称及主要规格等)
PC机,Windows2000,office2000,Matlab6.5软件。
四、实验内容、步骤
实验内容
单频脉冲(CWP)为
。
式中,
是矩形包络,
是脉冲持续时间,
是中心频率。
矩形包络线性调频脉冲信号(LFM)为
。
式中,
是线性调频指数。
瞬时频率
是时间的线性函数,频率调制宽度为
。
设参数为
,
,
,采样频率
。
1.编程产生单频脉冲、矩形包络线性调频脉冲。
2.编程实现这些信号的谱分析。
3.编程实现快速傅立叶变换的逆变换。
实验步骤
1.编程产生单频脉冲、矩形包络线性调频脉冲。
2.应用快速傅立叶变换(FFT)求这两种信号的频谱,分析离散谱位置、归一化频率、实际频率的关系。
调用函数Y=fft(x)orY=fft(x,N)orY=fft(x,N,dim)。
3.对于步骤2的结果,应用快速傅立叶变换的逆变换(IFFT)求两种信号的时域波形,并与已给的单频脉冲、矩形包络线性调频脉冲和伪随机脉冲信号波形进行对照。
调用函数x=ifft(Y)orx=ifft(Y,N)orx=ifft(Y,N,dim)。
4.对于步骤2的结果,进行频谱移位调整。
将FFT变换的结果Y(频谱数据)进行移位调整,使其符合频谱常观表示方法,调整后,频谱的直流成分(即频率为0处的值)移到频谱的中间位置。
分析离散谱位置、归一化频率、实际频率的关系。
移位调整调用函数Z=fftshift(Y)。
频率间隔为Fs/N,频率范围为Fs/N*[-N/2:
N/2-1]。
五、实验报告要求及计录、格式
1.画出单频脉冲、矩形包络线性调频脉冲和伪随机脉冲信号的时域波形。
2.画出两种信号的频谱,标出离散谱位置、归一化频率、实际频率。
3.画出快速傅立叶变换的逆变换的结果,并与已给的两种信号波形对照。
4.画出移位调整后的频谱,标出离散谱位置、归一化频率、实际频率。
六、实验注意事项
1.实验前,进一步熟悉掌握DFT、FFT的概念,数字谱分析方法。
2.了解MATLAB的数字信号处理工具箱,特别是快速傅立叶变换函数。
3.实验中,注意观察信号波形、频谱曲线以及IFFT分析的结果。
4.实验后,总结数字谱分析方法。
七、讨论、思考题
1.回忆课堂上所讲的DFT、FFT的概念和数字谱分析方法。
2.总结用MATLAB工具箱函数实现谱分析的方法。
3.分析离散谱位置、归一化频率、实际频率的关系。
4.分析数据补零的长短对谱分析结果的影响。
实验二FIR数字滤波器设计
一、实验目的
让学生掌握FIR数字滤波器设计的窗函数法和频率抽样法。
掌握FIR数字滤波器的计算机编程实现方法,即软件实现。
培养学生综合分析、解决问题的能力,加深对课堂内容的理解。
二、实验要求
掌握FIR数字滤波器设计的窗函数法和频率抽样法;编制FIR数字滤波器的程序;完成对不同频率的多个正弦信号的滤波;实验后撰写实验报告。
三、实验环境
PC机,Windows2000,office2000,Matlab6.5以上版本软件。
四、实验内容、步骤
实验内容
已知数字滤波器的技术指标:
截止频率为
;阻带截止频率为
,阻带衰减不小于
,取样频率为40KHz。
1.编程设计滤波器,用窗函数法设计FIR数字滤波器。
2.编程设计滤波器,用频率抽样法设计FIR数字滤波器。
3.求滤波器的幅频和相频响应。
4.编程滤波,求滤波器输出,完成对不同频率的多个正弦信号的滤波。
实验步骤
1.用窗函数法设计FIR数字滤波器:
根据所给定的技术指标选择理想低通滤波器;根据指标要求确定窗函数以及长度N;计算窗函数法设计滤波器的脉冲响应。
2.用频率抽样法设计FIR数字滤波器:
计算频率抽样序列,进行逆FFT计算,得到脉冲响应。
3.求出幅频特性和相频特性曲线。
调用函数[h,f]=freqz(bz,az,N,fs)完成。
4.设数字滤波器输入
,用所设计的FIR滤波器进行滤波。
调用函数y=filter(bz,az,x)完成。
五、实验报告要求及计录、格式
1.画图给出滤波器的脉冲响应。
2.画图给出滤波器的幅频特性和相频特性。
3.对于给定的输入
,画出数字滤波器输入和输出时域曲线和频谱。
六、实验注意事项
1.实验前,进一步熟悉掌握窗函数法和频率抽样法FIR数字滤波器设计的原理和方法。
2.了解MATLAB的数字信号处理工具箱,特别是滤波器设计函数。
3.实验中,注意观察数字滤波器的脉冲响应、幅频特性以及输入和输出时域波形和频谱变化。
4.实验后,总结滤波器的设计方法。
七、讨论、思考题
1.回忆课堂上所讲的数字滤波器设计的一般方法。
2.总结用MATLAB工具箱函数设计数字滤波器设计的方法,并与课堂上所讲的方法对照。
3.检查所设计的低通FIR数字滤波器是否符合指标要求。
实验三IIR数字滤波器设计
一、实验目的
让学生掌握IIR数字滤波器设计的冲激响应不变法和双线性变换法。
掌握IIR数字滤波器的计算机编程实现方法,即软件实现。
培养学生综合分析、解决问题的能力,加深对课堂内容的理解。
二、实验要求
掌握IIR数字滤波器设计的冲激响应不变法和双线性变换法;编制IIR数字滤波器的程序;完成对不同频率的多个正弦信号的滤波;实验后撰写实验报告。
三、实验环境
PC机,Windows2000,office2000,Matlab6.5以上版本软件。
四、实验内容、步骤
实验内容
已知模拟滤波器的技术指标:
截止频率为
;阻带截止频率为
,阻带衰减不小于
,取样频率为40KHz。
1.编程设计滤波器,用冲激响应不变法设计IIR数字滤波器。
2.编程设计滤波器,用双线性变换法设计IIR数字滤波器。
3.求脉冲响应、频率响应以及零极点。
4.编程滤波,求滤波器输出,完成对不同频率的多个正弦信号的滤波。
实验步骤
5.根据所给定的技术指标进行指标转换。
,
,
,
,
,
,
。
6.根据指标设计Butterworth模拟低通滤波器。
调用函数[n,wn]=buttord(wp,ws,rp,rs,’s’)确定阶次。
调用函数[zl,pl,kl]=buttap(n),求低通原型的模型。
调用函数[bl,al]=zp2tf(zl,pl,kl)实现模型转换。
7.将低通滤波器转换为模拟带通滤波器
调用函数[b,a]=lp2bp(bl,al,Ω0,B)
8.用冲激响应不变法设计带通IIR数字滤波器。
调用函数[bz,az]=impinvar(b,a,fs)。
9.用双线性变换法设计带通IIR数字滤波器。
调用函数[bz,az]=blinear(b,a,fs)。
10.求出脉冲响应
和幅频特性曲线
,(-π≤Ω≤π)。
调用函数[h,t]=impz(bz,az,n,fs)和[h,f]=freqz(bz,az,N,fs)完成。
11.设数字滤波器输入
,用所设计的IIR滤波器进行滤波。
调用函数y=filter(bz,az,x)完成。
五、实验报告要求及计录、格式
1.记录,并列表给出Butterworth模拟滤波器的阶次
和系数
。
2.记录,并列表给出IIR数字滤波器系数
。
3.画出IIR数字滤波器的零极点图。
4.画出IIR数字滤波器的脉冲响应
和幅频特性曲线
5.对于给定的输入
,画出数字滤波器输入和输出时域曲线和频谱。
六、实验注意事项
1.实验前,进一步熟悉掌握Butterworth模拟滤波器和IIR数字滤波器设计的原理和方法。
2.了解MATLAB的数字信号处理工具箱,特别是滤波器设计函数。
3.实验中,注意观察数字滤波器的脉冲响应、幅频特性以及输入和输出时域波形和频谱变化。
4.实验后,总结滤波器的设计方法。
七、讨论、思考题
1.回忆课堂上所讲的数字滤波器设计的一般方法。
2.总结用MATLAB工具箱函数设计数字滤波器设计的方法,并与课堂上所讲的方法对照。
3.检查所设计的低通IIR数字滤波器是否符合指标要求。
实验四模拟调制解调
一、实验目的
让学生掌握掌握模拟调制以及对应解调方法的原理。
掌握模拟调制解调方法的计算机编程实现方法,即软件实现。
培养学生综合分析、解决问题的能力,加深对课堂内容的理解。
二、实验要求
掌握模拟AM、PM和FM的方法原理以及对应的解调原理;编制调制解调程序;完成对一个正弦信号的调制、传输、滤波、解调过程的仿真;实验后撰写实验报告。
三、实验环境
PC机,Windows2000,office2000,Matlab6.5以上版本软件。
四、实验内容、步骤
实验内容
已知消息信号为:
频率为
的正弦信号;载波频率为
,采样频率为40KHz。
编程实现一种调制、传输、滤波和解调过程。
实验步骤
1.根据参数产生消息信号s和载波信号。
2.编程实现调制过程。
调用函数y=ammod(s,Fc,Fs)完成幅度调制,y=fmmod(s,Fc,Fs,FREQDEV)完成频率调制,y=pmmod(s,Fc,Fs,PHASEDEV)完成相位调制。
3.编程实现信号的传输过程。
产生白噪声noise,并将其加到调制信号序列。
4.编程实现信号的解调。
调用函数x=amdemod(y,Fc,Fs)完成幅度调制信号的解调,x=fmdemod(y,Fc,Fs,FREQDEV)完成频率调制信号的解调,x=pmdemod(y,Fc,Fs,PHASEDEV)完成相位调制信号的解调。
五、实验报告要求及计录、格式
1.画图给出消息信号和载波信号的波形和频谱。
2.画图给出已调信号的波形和频谱。
3.画图给出解调后信号的波形和频谱。
六、实验注意事项
1.实验前,进一步熟悉掌握模拟调制解调的原理和方法。
2.了解MATLAB的通信工具箱。
3.实验中,注意观察整个调制解调过程中输入和输出时域波形和频谱变化。
七、讨论、思考题
1.总结模拟调制解调的方法,并与课堂上所讲的方法对照。
实验四数字调制解调
一、实验目的
让学生掌握掌握数字调制以及对应解调方法的原理。
掌握数字调制解调方法的计算机编程实现方法,即软件实现。
培养学生综合分析、解决问题的能力,加深对课堂内容的理解。
二、实验要求
掌握模拟ASK、FSK和PSK的方法原理以及对应的解调原理;编制调制解调程序;完成对一个二进制数字序列的调制、传输、滤波、解调过程的仿真;实验后撰写实验报告。
三、实验环境
PC机,Windows2000,office2000,Matlab6.5以上版本软件。
四、实验内容、步骤
实验内容
已知消息信号为一个长度为8的二进制序列;载波频率为
,采样频率为4KHz。
编程实现一种调制、传输、滤波和解调过程。
实验步骤
5.根据参数产生消息信号s和载波信号。
调用函数randint生成随机序列。
6.编程实现调制过程。
调用函数y=fskmod(s,M,FREQ_SEP,NSAMP)完成频率调制,y=pskmod(s,M)完成相位调制,或者。
调用函数modulate完成信号调制。
7.编程实现信号的传输过程。
产生白噪声noise,并将其加到调制信号序列。
或者调用函数awgn完成。
8.编程实现信号的解调。
x=fskdemod(y,M,FREQ_SEP,NSAMP)完成FSK信号的解调,x=pskdemod(y,M)完成PSK调制信号的解调。
或者调用demodulate完成解调。
9.计算误码率。
调用函数symerr完成误码率计算。
五、实验报告要求及计录、格式
1.画图给出消息信号和载波信号的波形和频谱。
2.画图给出已调信号的波形和频谱。
3.画图给出解调后信号的波形和频谱。
六、实验注意事项
1.实验前,进一步熟悉掌握数字调制解调的原理和方法。
2.了解MATLAB的通信工具箱。
注意调制输出为包络信号。
七、讨论、思考题
1.总结数字调制解调的仿真方法。
2.如何显示已调信号的完整波形?
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