利用MATLAB实现连续信号的采样与重构仿真课程设计.doc

目目 录录 1、摘要摘要1 1 2、正文、正文2 2 2.1、设计目的 22 2.2、设计原理 2 (1)、mtlab 简介2 (2)、连续时间信号 2 (3)、采样定理3 (4)、信号重构5 2.3、信号采样与恢复的程序5 （1）设计连续信号6 6 （2）设计连续信号的频谱7 （3）设计采样信号8 （4）设计采样信号的频谱图.9 （5）设计低通滤波器.10 （6）恢复原信号.12 3、总结总结与致与致谢谢14 1 4、参考文献参考文献.15 1.摘要 本次课程设计应用 matlab 实现连续信号的采样与重构仿真，了解 matlab 软件，学习应用 matlab 软件的仿真技术。它主要侧重于某些理 论知识的灵活运用，以及一些关键命令的掌握，理解，分析等。初步掌 握线性系统的设计方法，培养独立工作能力。 加深理解采样与重构的概念，掌握利用 matlab 分析系统频率响应 的方法和掌握利用 matlab 实现连续信号采用与重构的方法。计算在临 界采样、过采样、欠采样三种不同条件下重构信号的误差，并由此总结 采样频率对信号重构误差的影响。 要做到以下基本要求： 1. 掌握利用 matlab 分析系统频率响应的方法，增加对仿真软件 matlab 的感性认识，学会该软件的操作和使用方法。 2. 掌握利用 matlab 实现连续信号采用与重构的方法，加深理解 采样与重构的概念。 3 . 初步掌握线性系统的设计方法，培养独立工作能力。 4. 学习 matlab 中信号表示的基本方法及绘图函数的调用，实现对 常用连续时间信号的可视化表示，加深对各种电信号的理解。 2 5. 加深理解采样对信号的时域和频域特性的影响；验证信号与系 统的基本概念、基本理论，掌握信号与系统的分析方法。 6. 加深对采样定理的理解和掌握，以及对信号恢复的必要性；掌 握对连续信号在时域的采样与重构的方法。 2.正文 2.1 设计目的与要求 对连续信号进行采样，在满足采样定理和不满足采用定理两种情况 下对连续信号和采样信号进行fft频谱分析。 2.2 设计原理 (1)、mtlab简介 matlab（matrix laboratory）是1984年美国math works公司产 品，matlab的推出得到了各个领域专家学者的广泛关注，并越来越多的 应用到我们的学习生活中来，是目前通信工程上最广泛应用的软件之一。 matrix laboratory意为“矩阵实验室” ，最初的matlab只是一个数学 计算工具。但现在的matlab已经远不仅仅是一个“矩阵实验室” ，它已 经成为一个集概念设计、算法开发、建模仿真，实时实现于一体的集成 环境，它拥有许多衍生子集工具。 matlab 的基本数据单位是矩阵 ，它的指令表达式与数学,工 程中常用的形式十分相似,故用 matlab 来解算问题要比用 c,fortran 等语言完 全 相同的事情简捷得多.在新的版本中 也加入了对c,fortran,c+ ,java 的支持 .可以直接调用,用 户也可以将自己编写的实用程序导入到matlab 函数库中 方便自己以后调用。 3 （2） 连续时间信号 连续信号是指自变量的取值范围是连续的，且对于一切自变量的 取值，除了有若干个不连续点以外，信号都有确定的值与之对应。严格 来说，matlab 并不能处理连续信号，而是用等时间间隔点的样值来近 似表示连续信号。当取样时间间隔足够小时，这些离散的样值就能较好 地近似连续信号。 在一定条件下，一个连续时间信号完全可以用该信号在等时间间 隔上的瞬时值来表示，并且可以用这些样本值把信号完全恢复过来。这 样，抽样定理为连续时间信号与离散时间信号的相互转换提供了理论依 据。通过观察采样信号的频谱，发现它只是原信号频谱的线性重复搬移， 只要给它乘以一个门函数，就可以在频域恢复原信号的频谱，在时域是 否也能恢复原信号时，利用频域时域的对称关系，得到了信号。 (3)采样定理 模拟信号经过 (a/d) 变换转换为数字信号的过程称为采样，信号 采样后其频谱产生了周期延拓，每隔一个采样频率 fs，重复出现一次。 为保证采样后信号的频谱形状不失真，采样频率必须大于信号中最高频 率成分的两倍，这称之为采样定理。 时域采样定理从采样信号恢复原信号必需满足两个条件： a、必须是带限信号，其频谱函数在 各处为零；（对 信号的要求，即只有带限信号才能适用采样定理。 ） b、 取样频率不能过低，必须 2 （或 2） 。 （对取样 频率的要求，即取样频率要足够大，采得的样值要足够多，才能恢复原 信号。 ） 4 如图 1 所示，给出了信号采样原理图 图 1 信号采样原理图 由图 1 可见，其中，冲激采样信号)()()(ttftf s ts 的表达式为： )(t s t n st nttt s )()( 其傅立叶变换为，其中。设， n ss n)( s s t 2 )(jf 分别为，的傅立叶变换，由傅立叶变换的频域卷积定)(jfs)(tf)(tfs 理，可得 n s s n sss njf t njfjf)( 1 )(*)( 2 1 )( 若设是带限信号，带宽为， 经过采样后的频谱)(tf m )(tf 就是将在频率轴上搬移至处（幅度为)(jfs)(jf, 0 2nsss 原频谱的倍） 。因此，当时，频谱不发生混叠；而当 s t1 ms 2 时，频谱发生混叠。 ms 2 一个理想采样器可以看成是一个载波为理想单位脉冲序列的)(t t 幅值调制器，即理想采样器的输出信号，是连续输入信号调制)( * te)(te 在载波上的结果，如图 2 所示。)(t t 5 图 2 信号的采样 用数学表达式描述上述调制过程，则有 )()()( * ttete t 理想单位脉冲序列可以表示为 )(t t 0 )()( n t nttt 其中是出现在时刻，强度为 1 的单位脉冲。由于)(ntt ntt 的数值仅在采样瞬时才有意义，同时，假设 00)(tte 所以又可表示为 )( * te * 0 ( )() () n e te nttnt （4） 信号重构 设信号被采样后形成的采样信号为，信号的重构是指由)(tf)(tfs 经过内插处理后，恢复出原来信号的过程,又称为信号恢复。)(tfs)(tf 若设是带限信号，带宽为，经采样后的频谱为。设)(tf m )(jfs 采样频率，则由式（9）知是以为周期的谱线。现选 ms 2)(jfs s 取一个频率特性（其中截止频率满足 c cs t jh 0 )( c )(te 6 ）的理想低通滤波器与相乘，得到的频谱即为原信 2 s cm )(jfs 号的频谱。)(jf 2.3 信号采样与恢复的程序 现在以正弦函数为例，进行 matlab 仿真实验。 （1）设计连续信号。 先制作一个程序，使之产生一个正弦连续信号。所用程 序如下所示：f1=50; t=(1:50)/2000; %时间轴步距 x=sin(2*pi*t*f1); figure(1); plot(x); %绘制 x(t)的图形图片号加底框 xlabel(t);ylabel(x(t); title(连续时间信号波形); %图片命名 grid; 产生的图形如下： 7 （2）设计连续信号的频谱。 设计一频谱程序，使其产生频谱波形图。程序如下： n=0:511; %长度 n=512; %设采样点的n值 xk=abs(fft(x,n); figure(2); %频域波形 plot(n,xk); axis(0 n 1.1*min(xk) 1.1*max(xk); 8 %可用axis函数来调整图轴的范围 xlabel(时域频谱波形图); ylabel(|xk|); 波形如下： （3）设计采样信号。 设计一采样程序，使之输出采样波形。程序如下： x=fft(x,512);w=(0:255)/256*500; t=4*t; x=sin(2*pi*t*f1); figure(3); stem(x) ; %图形x（n）的绘制 xlabel(n);ylabel(x(n); title(采样信号波形图); %图形命名 9 grid; 波形如下： （4）设计采样信号的频谱图。 设计出该采样信号的频谱程序，程序如下：figure(4); plot(w,abs(x(1:256); %频谱图的绘制 xlabel(hz);ylabel(频率响应幅度); title(采样频谱波形图); %命名 grid; 波形如下： 10 （5）设计低通滤波器。 设计一低通滤波器，使之具有滤波作用。程序如下： b,a=butter(8,350/500); %巴特沃斯低通滤波器的设 计 h,w=freqz(b,a,512,2000); figure(5);subplot(2,1,1); plot(w*2000/(2*pi),abs(h); %低通频谱图的绘制 xlabel(hz);ylabel(频率响应幅度); 11 title(低通滤波器波形图); %命名 grid; 当采样频率f=350hz时，波形图如下： 当采样频率f=350hz时，波形图如下： 12 （6）恢复原信号。 设计程序，对采样信号频谱进行滤波，并输出该信 号所恢复频谱信号与连续信号，程序如下： y=filter(b,a,x); figure(6);subplot(2,1,1);plot(y); xlabel(t);ylabel(x(t); title(连续信号波形 ); grid; y=fft(y,512);w=(0:255)/256*500; subplot(2,1,2); 13 plot(w,abs(y(1:256); %频谱图的绘制 xlabel(hz);ylabel(频率响应幅度 ); title(恢复后的频谱波形图 ); grid; 波形如下： 下图为采样f=150hz时的图形: 14 4.总结与致谢 经过此次matlab课程设计我学到了很多知识和学习方法。仅凭我在 信号与系统实验课上所学的那点知识显然是不够的。所以为了做好这次 的课程设计，我查阅了很多资料，并上网搜索了许多与此有关的知识， 这个过程中我也学会了好多，通过浏览matlab论坛，看到了好多有关学 习matlab的方法。 在这次设计中，同样也学到了对信号的采样定理的应用，以及信 号的重构，并通过观察 matlab 所生成的频谱图，进一步了解了有关信 号的采样与重构，对信号的采样程度进行比较其误差，了解不同采样程 度的重构信号和原信号所产生的差异。 同时，感谢老师的热心帮助下，使我的能够顺利的完成课程设计。 同时，感谢各位同学的帮助，使我更好的完成课程设计。 15 参考资料 1董长虹. matlab信号处理与应用m.北京：国防工业出版社， 2005.01。 2甘俊英. 基于matlab的信号与