数字信号处理实验报告.doc

物理与电子电气工程学院 实验报告实验报告课程名称：数字信号处理院 系：专 业：班 级：学 号：姓 名：- 2 -实验报告（1）实验名称实验一 离散时间信号分析实验日期2013.指导教师一、实验目的1掌握各种常用的序列，理解其数学表达式和波形表示。2掌握在计算机中生成及绘制数字信号波形的方法。3掌握序列的相加、相乘、移位、反褶等基本运算及计算机实现与作用。4掌握计算机的使用方法和常用系统软件及应用软件的使用。二、预习要求1熟悉各种常用序列，掌握序列的基本运算。2预习MATLAB中序列产生的调用函数及绘制图形函数stem()。三、实验内容1利用MATLAB编程产生和绘制下列有限长序列：（1）单位脉冲序列（2）单位阶跃序列（3）矩形序列（4）正弦型序列（5）任意序列3序列的运算利用MATLAB编程实现上述两序列的移位、反褶、和、积、累加等运算，并绘制运算后序列的波形。四、实验报告1实现上述各序列及运算。2. 画出各序列及运算后的波形，并对结果进行分析。（1）单位脉冲序列程序如下：n1 = -5:5; x1=(n1-0)=0; stem(n1,x1); title(单位脉冲序列); axis(-5,5,0,1); （2） 单位阶跃序列程序如下：n1=-5:5; x1=(n1-0)=0; stem(n1,x1);title(阶跃序列);axis(-5,5,0,1.1);（3） 矩形序列程序如下：n1 = -10:10; x1=(n1)=0;x2=(n1-8=0);x3=x1-x2;stem(n1,x3);title(矩形序列)axis(-10,10,0,1.1)（4） 正弦型序列程序如下：n = 0:40; x1=3*sin(0.2*pi*n+(1/3)*pi);stem(n,x1);title(正弦序列);（5）任意序列序列一x=1 2 3 4 5n=0:1:4stem(n,x);grid;序列二x=1 2 1 2n=0:1:3stem(n,x);grid; 3序列的运算利用MATLAB编程实现上述两序列的移位、反褶、和、积、累加等运算，并绘制运算后序列的波形。移位：n=-10:10;delta=zeros(1,15),1,zeros(1,5);stem(n,delta) title(移位) 分析： 序列x(n)，当m为正时，则x（n-m）是指序列x（n）逐项依次延时（右移）m位而给出的一个新序列，而x（n+m）则指依次超前（左移）m位。m为负数时则相反。反褶：n=-10:10;delta=zeros(1,5),1,zeros(1,15)stem(n,delta)title(反褶)分析： 对于序列x（n），则x（-n）是以n=0的纵轴为对称轴将序列x（n）加以反褶。和：n=-5:5;delta=zeros(1,3),3,zeros(1,5),-4,zeros(1,1);stem(n,delta);title(和)分析： 两个序列的和指同序号（n）的序列值逐项对应相加而构成一个新的序列。5、 思考题1 如何产生方波信号序列和锯齿波信号序列？答：调用 x=sawtooth(t)函数可以产生锯齿波；调用x=square（t）可产生矩形波。2 实验中所产生的正弦序列的频率是多少？是否是周期序列？ 答：实验中正弦序列的频率是100HZ，是周期序列。六、实验总结 通过此次掌握了各种常用的序列，并且理解其数学表达式和波形表示。同时通过实验对MATLAB软件生成及绘制数字信号波形的方法有了跟进一步的学习。 实验的图形清晰的表示了序列的相加、相乘、移位、反褶等形成，这使得我们更能形象的了解这些信号的变换。实验报告（2）实验名称实验二 离散时间系统的Z域分析实验日期2013指导教师一、实验目的1. 学习和掌握离散系统的频率特性及其幅度特性、相位特性的物理意义。2. 深入理解离散系统频率特性的对称性和周期性。3. 认识离散系统频率特性与系统参数之间的关系。二、预习要求1. 预习实验中基础知识，熟悉MATLAB指令及freqz（）、abs（）、angle（）函数。2. 结合实验内容，提前编制相应的程序。3思考改变差分方程的形式，频率特性将如何变化。4熟悉闭环系统稳定的充要条件及学过的稳定判据。三、实验内容假设系统差分方程为：y(n)=x(n)+ay(n-1)，（1）当a=0.5，观察系统幅度特性H(ejw)、相位特性argH(ejw)，并记录实验结果。（2）当a=-0.5，观察系统幅度特性H(ejw)、相位特性argH(ejw)，并记录实验结果。（3）当a=0，观察系统幅度特性H(ejw)、相位特性argH(ejw)，并记录实验结果。四、实验报告1根据内容要求，写出调试好的MATLAB语言程序及对应的MATLAB运算结果。2. 根据实验结果，对系统频率特性进行讨论和总结。y(n)=x(n)+ay(n-1)(1) 当a=0.5，观察系统幅度特性H(ejw)、相位特性argH(ejw)，并记录实验结果。a=1 -0.5;b=1 0;h,w=freqz(b,a);hf=abs(h);hx=angle(h);subplot(211),plot(w,hf),title(幅频),xlabel(w)subplot(212),plot(w,hx),title(相频),xlabel(w)（2）当a=-0.5，观察系统幅度特性H(ejw)、相位特性argH(ejw)，并记录实验结果。a=1 0.5;b=1 0;h,w=freqz(b,a);hf=abs(h);hx=angle(h);subplot(211),plot(w,hf),title(幅频),xlabel(w)subplot(212),plot(w,hx),title(相频),xlabel(w)(3) 当a=0，观察系统幅度特性H(ejw)、相位特性argH(ejw)，并记录实验结果。a=1 0;b=1 0;h,w=freqz(b,a,400,whole);hf=abs(h);hx=angle(h);subplot(211),plot(w,hf),title(幅频),xlabel(w)subplot(212),plot(w,hx),title(相频),xlabel(w)思考题假设系统差分方程为y(n)=x(n)+ax(n-1)，在以上条件下，系统的频率特性是怎样的？1、 a=0.5时a=1 0;b=1 0.5;h,w=freqz(b,a);hf=abs(h);hx=angle(h);subplot(211),plot(w,hf),title(幅频)subplot(212),plot(w,hx),title(相频)（2） a=-0.5a=1 0;b=1 -0.5;h,w=freqz(b,a);hf=abs(h);hx=angle(h);subplot(211),plot(w,hf),title(幅频)subplot(212),plot(w,hx),title(相频)(3) a=0a=1 0;b=1 0;h,w=freqz(b,a);hf=abs(h);hx=angle(h);subplot(211),plot(w,hf),title(幅频)subplot(212),plot(w,hx),title(相频)5、 实验总结 由实验图像更清晰的看出离散系统频域特性，学习并渐渐掌握离散系统的频率特性及其幅度特性、相位特性的物理意义，而且深入理解离散系统频率特性的对称性和周期性，并且认识离散系统频率特性与系统参数之间的关系。实验报告（3）实验名称实验三 用FFT进行谱分析实验日期2013指导教师一、实验目的1.进一步加深对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）。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，了解可能出现的分析误差及其原因，以便在实际中正确应用FFT。二、预习要求1. 预习实验中的基础知识，运行编制好的MATLAB语句，熟悉fft()函数。2. 根据实验中各的X(k)值以及频谱图，说明参数的变化对信号频谱产生哪些影响？3. 思考如果周期信号的周期预先不知道，如何用FFT进行分析？三、实验内容1利用MATLAB编程产生和绘制下列两有限长序列：、2用一种语言编写FFT的通用程序块3画主程序实现框图并编写主程序，实现信号的谱分析。4记录下实验内容中各信号的X(k)值，作出频谱图。四、实验报告1根据内容要求，写出调试好的MATLAB语言程序，及对应的结果。2. 结合实验中所得给定典型序列幅频特性曲线，与理论结合比较，并分析说明误差产生的原因以及用FFT作谱分析时有关参数的选择方法。3. 总结实验所得主要结论。程序如下：（1）N=16;n=0:N-1;xn=cos(pi*n/8);xk=fft(xn,N);hf=abs(xk);hx=angle(xk);subplot(221);stem(n,xn);title(xn=cos(pi*n/8);xlabel(n),ylabel(x(n);k=0:length(hf)-1;subplot(222);stem(k,hf);title(x(k)xlabel(k),ylabel(|x(k)|);subplot(223)stem(k,hx);title(x(k)xlabel(k),ylabel(相位);（2）N=16;n=0:N-1;xn=sin(0.25*pi*n)+2*cos(0.5*pi*n);xk=fft(xn,N);hf=abs(xk);hx=angle(xk);subplot(221);stem(n,xn);title(xn=sin(0.25*pi*n)+2*cos(0.5*pi*n);xlabel(n),ylabel(x(n);k=0:length(hf)-1;subplot(222);stem(k,hf);title(x(k)xlabel(k),ylabel(|x(k)|);subplot(223)stem(k,hx);title(x(k)xlabel(k),ylabel(相位);（3）N=16;n=0:N-1;xn=cos(0.125*pi*n)+2*cos(0.25*pi*n);xk=fft(xn,N);hf=abs(xk);hx=angle(xk);subplot(221);stem(n,xn);title(xn=cos(0.125*pi*n)+2*cos(0.25*pi*n);xlabel(n),ylabel(x(n);k=0:length(hf)-1;subplot(222);stem(k,hf);title(x(k)xlabel(k),ylabel(|x(k)|);subplot(223)stem(k,hx);title(x(k)xlabel(k),ylabel(相位);(4)N=16;n=0:N-1;xn=sin(0.25*pi*n);xk=fft(xn,N);hf=abs(xk);hx=angle(xk);subplot(221);stem(n,xn);title(xn=sin(0.25*pi*n);xlabel(n),ylabel(x(n);k=0:length(hf)-1;subplot(222);stem(k,hf);title(x(k)xlabel(k),ylabel(|x(k)|);subplot(223)stem(k,hx);title(x(k)xlabel(k),ylabel(相位);分析： 由图像分析可知，取N不为周期值，不论N小于一个周期或大于一个周期将都不会产生正确的频谱图。5、 实验总结 通过此次实验进一步加深了对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。并且熟悉了FFT算法原理和FFT子程序的应用。学习了用FFT对连续信号和时域离散信号进行谱分析的方法，了解可能出现的分析误差及其原因，以便在实际中正确应用FFT。实验名称实验五 IIR数字滤波器的设计实验日期2013指导教师一、实验目的1掌握双线性变换法及脉冲相应不变法设计IIR数字滤波器的具体设计方法及其原理。2观察双线性变换及脉冲响应不变法设计的滤波器的频域特性，了解双线性变换法及脉冲响应不变法的特点。 3熟悉Butterworth滤波器、Chebyshev滤波器的频率特性。二、预习要求1. 预习实验中的基础知识，运行编制好的MATLAB语句，熟悉函数bilinear（）和impinvar（）。2. 思考双线性变换法中和之间的关系是怎样的。3. 能否利用公式完成脉冲响应不变法的数字滤波器设计？为什么？三、实验内容编制用脉冲响应不变法和用双线性变换法设计IIR数字滤波器的程序。采样周期、通带和阻带临界频率以及相应的衰减等参数在程序运行时输入；根据这些输入参数，计算阶数N、传递函数；输出分子分母系数；绘制幅频特性曲线，绘制点数为50点。（1）利用脉冲响应不变法设计Butterworth数字低通滤波器，要求满足，。（2）利用双线性变换法设计Butterworth数字低通滤波器，要求满足，。（3）用所设计的滤波器对以下心电图信号采样序列进行仿真滤波处理，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。 x（n）=-4，-