医学数字信号处理实验指导书.doc

医学数字信号处理实验指导书(第二版)支长义 陈书立 编电气工程学院自动化系06年 3月学生实验须知一 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。 23 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、CCS 2.0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:timypjtsDSP54X-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：Void Convolveok(Input,Impulse,Output,Length)Extern void READAD7822(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：extern void InitC5402(void);extern void READAD7822(void);#include stdlib.h#include stdio.h#include typedef.h#include Convolve.h#include math.h#define Length128#define Length32*Lengthvoid main()int i,k=0;double InputLength ;double ImpulseLength ;double OutputLength3 ;int xm;int *px = (int*)0x3000;InitC5402();/产生随机输入数据以及冲击响应 Input0 = 200; Impulse0 = 100 ;for( i = 1 ; i Length ; i + )if(i Length/2) Inputi = 200; else Inputi=0; for( i = 1 ; i Length ; i + )if(iLength/2) Impulsei = 100; else Impulsei=0; Convolveok( Input, Impulse, Output, Length);k+;for(;) READAD7822();px = (int*)0x3000;for (i=0; iLength; i+)xm = *px;Inputi = xm;Impulsei = xm;px+;Convolveok( Input, Impulse, Output, Length);k+;/* End of File ExpConv.c*/#include Convolve.hvoid Convolveok( double *Input,/原始输入数据 double *Impulse,/冲击响应 double *Output,/卷积输出结果 Word16 length / 卷积序列长度)int i,k,p;double r;p=0;for (k=0; k=length-1; k+)Outputk=0;r=0;for (i=0; ilength-1) p=length-1;else p=p; p=length-2;for (k=length; k=length+length-1; k+) Outputk=0;r=0; for (i=0; i=p; i+) r = Inputlength-1-i*Impulselength-1-p+i; Outputk = Outputk+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、CCS 2.0版软件、实验箱、DSP仿真器三、基本原理1DFT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。2FFT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:timypjts 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Extern void initial(void);Extern void READAD7822(void);Void kfft(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3000H307FH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3080h30FFH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、CCS 2.0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:timypjts 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“Rebuild All”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：Extern void InitC5402(void)Extern void READAD7822(void)void firdes ( int m，double npass)；输入信号：输入信号经A/D转换后，写入地址为3000H30FFH存储器，16位整型；输出信号：FIR低通滤波器输出，写入地址为3100H31FFH存储，16位整型。八、程序流程图extern void InitC5402(void);extern void READAD7822(void);/* Main Function Program*/ #include stdio.h #include math.h #define pi 3.1415927 double npass,h51, x, y, xmid51; int m=50; int n=256; void firdes (int m, double npass); main () int xm,ym;int *px = (int*)0x3000;int *py = (int*)0x3100; double fs,fstop,r,rm; int i,j,p,k; k=0; fs = 181000; fstop = 10000; npass = fstop/fs; for (i=0; i=m; i+) xmidi=0; InitC5402(); /* initialize C5402 DSP */ 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+) xmidm-p = xmidm-p-1; xmid0 = x; r = 0;rm= 0; for (j=0; j=m; j+) r = xmidj * hj;rm = rm + r; y = rm; py = (int*)(0x3100+i); ym = (int) y; *py = ym; k+; void firdes(int m, double npass) int t; for (t=0; t=m; t+) ht = sin(t-m/2.0)*npass*pi)/(pi*(t-m/2.0); if (t=m/2) ht=npass; /* End of File 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:timypjts 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“ExpIIR.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“Rebuild ALL”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： Extern void InitC5402(void) void READAD7822(void) void biir2lpdes(double fs,double nlpass,double nlstop,double a,double b)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3000H30FFH单元，16位整型；输出信号：滤波后信号，写入地址3100H31FFH单元，16位整型。extern void InitC5402(void);extern void READAD7822(void);/* Main Function Program*/ #include stdio.h #include math.h #define pi 3.1415926 double fs,nlpass,nlstop,nhpass