数字信号处理课程设计-时频信号分析器设计.doc

燕山大学课程设计说明书燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目： 时频信号分析器设计 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 电气工程学院课程设计任务书课程名称： 数字信号处理 基层教学单位： 指导教师：学号学生姓名（专业）班级设计题目9、时频信号分析器设计设计内容 产生如下4种信号：频率为5Hz，采样频率为100Hz的正弦采样信号x；将信号x混有随机噪声后的带噪信号；x的频谱信号；带噪信号的频谱信号设计要求设计良好的人机界面，每个按键对应一种波形参考资料数字信号处理方面资料MATLAB方面资料周次前半周后半周应完成内容查阅资料；拟定设计方案；熟悉相关应用软件。理论计算或编写软件；完成各部分设计内容；撰写课程设计报告。指导教师签字基层教学单位主任签字说明：1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。 2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告前面。电气工程学院 教务科 目录 第一章 摘要 4第二章 数字信号处理基础知识 42.1信号采样与采样定理 4 2.2信号的频谱分析 5第三章 MATLAB中的图形用户界面设计 53.1 GUI设计原则 63.2 GUI设计步骤 6 3.3 GUI的实现 6 3.4 时频分析器界面设计 7第四章 时频信号分析器原信号的产生 74.1命令介绍 7 4.2 频率为5Hz，采样频率为100Hz的正弦采样信号X 8 4.3 X带燥信号产生 8 4.4 X的频谱信号产生 9 4.5 X带燥信号的频谱信号 9第五章 MATLAB仿真结果 10 5.1 各源信号MATLAB仿真结果 10 5.2时频信号分析器的仿真结果 13 5.3从题目中得到的结论 17第6章 心得体会 17 参考文献 18时频信号分析器设计。第一章 摘要 信号处理已经应用到许多不同的领域和学科中，随着社会的发展对信号的分析处理技术有着越来越高的要求，尤其是信号的频谱分析显得更加重要，所以对信号频谱的分析与研究是十分重要的。信号频谱分析是将信息源发出的信号强度按频率顺序展开，使其成为频率的函数，并考察变化规律，称为频谱分析。频谱分析主要是分析信号是由哪些频率的正弦信号叠加得到的，以及这些正弦信号的振幅。时频信号分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器，再经由同步的多工扫描器将信号传送到荧屏上。第二章 有关数字信号处理知识 2.1信号的采样与采样定理 2.1.1信号的采样 对连续时间信号进行数字处理，必须首先对信号进行采样，从而将信号离散化。取样器一般有电子开关S（t）组成，信号采样及数学模型如图3-1所示。开关每隔T秒短暂的闭合一次，接通连续时间信号，实现一次采样。若每次开关闭合时间为（T），则电子开关S（t）等效为宽度为，周期为T的单位脉冲串P（t），采样信号就为原信号与P（t）相乘的结果。采样器输出每一脉冲的幅度等于该脉冲所在时刻相应的连续时间信号的幅度，既这组脉冲信号的幅度被原来的连续时间信号所调制，这种信号没称为采样信号。Xa（t）S（t）Xa（t） 图3-1采样过程 理想的采样则是Xa(t)与P(t)相乘的结果，用公式表示为 式（3-1） 2.1.2采样定理（1）对连续信号进行等间隔采样形成采样信号，采样信号的频谱是原连续信号的频谱以采样频率为周期进行周期性的延拓形成的。（2）设连续信号是带限信号，最高截止频率为fc，如果采样角频率fs2fc，那么让采样信号通过一个增益为T，截止频率为fs2的理想低通滤波器，可以唯一的恢复出原连第7章 续信号。否则fs2fc,会造成采样信号中的频谱混叠现象，不可无失真的恢复原连续信号。就是说取样频率应当不小于带限信号频率上限的2倍才可保证还原时信号不失真。 式（3-2） 2.2信号的频谱分析 信号频谱分析是将信息源发出的信号强度按频率顺序展开，使其成为频率的函数，并考察变化规律，称为频谱分析。频谱分析主要是分析信号是由哪些频率的正弦信号叠加得到的，以及这些正弦信号的振幅。时频信号分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器，再经由同步的多工扫描器将信号传送到荧屏上。第三章 MATLAB中的图形用户界面设计3.1 GUI设计的原则（1）易用性设计界面时，应力求简洁、直接、清晰的反应界面的功能和特征对于一些相对固定的数据，不应让用户频频输入（特别是汉字），而应让用户用鼠标轻松选择。组件的名称应该易懂，用词准确，屏弃模棱两可的字眼，要与同一界面上的其他组件易于区分，能望文知意最好。界面的设计应该对用户透明（2）统一性在界面设计中应该保持界面的统一性。统一性既包括使用标准的组件，也能使用相同的信息表现方法，如在字体、标签风格、颜色、术语、显示错误信息等方面确保一致。（3）规范性通常界面设计都按Windows界面的规范来设计。界面尊遵循规范化的程度越高，则易用性相应就越好。（4）合理性屏幕对角线相交的位置是用户直视的地方，正上方四分之一处为易于吸引用户注意力的位置，在放置窗体时要注意利用这两个位置。界面大小应该是和美学观点，感受协调舒适，能在有效的范围内吸引用户的注意力。3.2 GUI的设计步骤为了高效率地开发一个GUI，必须按照一定的开发步骤，而不能“需要即添加”。下面给出一般步骤，如图3.1所示。3.1 GUI设计步骤3.3 GUI的实现(1)组件的布局在GUIDE的版面设计区添加组件只要用鼠标从组件面板里点击并拖拉组件即可实现。而菜单的添加有专门的菜单编辑器来完成。完成组件的添加后，可以使用GUIDE的特征工具调整组件的位置和使用TAB次序编辑器调整TAB次序以达到最优化配置。（2）属性编辑在未编辑属性前，一般组件的属性值都是默认值。通过属性编辑器可以更改当前组件的属性值。在菜单编辑器里可以更改菜单的一些属性值。当然，改变了组件一些属性值时，可能会影响到界面的版式和效果，这时还要回到组件的布局进行优化。（3）回调函数在MATLAB7.0中回调函数直接在M文件中编辑，这样以一种事件的管理模式，便于用户编辑和理解。选择需要添加回调函数的组件，点击菜单选项，进入M文件编辑器环境。GUIDE会在GUI文件中添加一个子函数，对应回调函数的编辑，用户可以直接编辑期望的命令。3.4 时频信号分析器界面设计根据以上的设计原则及步骤可以设计出时频信号分析器的用户界面。设计的界面应符合题目要求，即每个按键对应一种波形，具有良好的人机界面。第一步：建立图形。在命令窗口输入要产生图形的程序指令，建立所需的图形。第二步：建立对象。先在命令窗口中输入：Guide进入辅助控制面板（Guide Control Panel）。现在需要建立4个按钮和一个axes坐标轴来控制观看题目要求的4种波形，在Guide Control Panel中的New Object Palette中找到Pushbutton对象，用鼠标单击，然后在图中所希望的位置拖拽出按钮的大小，依次拖拽出4个按钮。找到axes坐标轴，并与按钮放在一起。第三步：命名对象。对于刚建立的四个对象，分别对其命名。双击四个对象中的一个，进入Property Editor中，找到“String”的位置，在此输入想要命名的名字，然后关闭即改变了按钮的名字，依次对余下的按钮进行相同的操作，依次改变其名字。第四步：编辑回调程序。按钮命名后还不能执行操作，必须利用“回调程序”才能调用MATLAB的指令，以便执行该按钮的功能。创建一个M文件，在文件中每个按钮对应的位置写入相应的程序。第五步：保存并运行。 保存所创建的figure文件和M文件，然后可以在设计完成的时频信号分析器界面中执行相应的GUI了。第四章 时频信号分析器的源信号的产生4.1命令介绍命令描述命令描述 figure产生图形plot绘制线性图形abs取模 fft快速傅里叶变换 sin计算正弦值rand产生均匀分布的伪随机数 表5.1 相关命令介绍4.2 频率为5Hz，采样频率为100Hz的正弦采样信号X的产生由题目可知所设计的时频信号分析器基于MATLAB的运用，所以所需信号的产生由MATLAB编程即得第一种信号：正弦采样信号。程序如下：f=5; %正弦信号频率fs=100;N=100; %采样频率100Hz，采样点数100t=(0:1:N-1)/fs; % t的取值范围fa=sin(2*pi*f*t); %正弦采样信号figure(1); plot(t,fa); %绘制图形4.3 X带噪信号的产生查阅资料可知，在原有正弦采样信号的基础上加随机噪声信号即可得到第二种所需的信号：X的加噪信号。程序如下：f=5; %频率为5HzN=100; fs=100; %采样频率100Hz，采样点数100t=(0:1:N-1)/fs; % t的取值范围s0=sin(2*pi*f*t); %正弦采样信号am=max(abs(s0); %由加噪后信噪比确定高斯白噪声snr=5; %设定加入白噪声后的信噪比为5db(均值为0)Pv=(am/(10(snr/20)2; %噪声方差v=rand(1,N); v=v*sqrt(Pv); %白噪声s=s0+v; %信号加噪声plot (t,s); %绘制图形4.4 X的频谱信号将采样信号X进行快速离散傅里叶变换（FFT）即可得到第三种信号：X的频谱信号。程序如下：f=5; %频率为5Hzfs=100;N=100; %采样频率100Hz，采样点数100k=0:N-1; %k的取值范围t=0:1/fs:1; % t的取值范围w=100*k/N; % fa=sin(2*pi*f*t); %正弦采样信号xfa=fft(fa,N);xf1=abs(xfa); %采样信号进行快速离散傅里叶变换plot (w,xf1); %绘制图形4.5 X的带噪信号的频谱信号将X的带噪信号进行快速离散傅里叶变换（FFT）即可得到第四种信号：X的频谱信号。程序如下：f=5; %频率为5Hzfs=100;N=100; %采样频率100Hz，采样点数100t=(0:1:N-1)/fs; % t的取值范围k=0:N-1; % k的取值范围w=100*k/N; %s0=sin(2*pi*f*t); %正弦采样信号am=max(abs(s0); %由加噪后信噪比确定高斯白噪声snr=5; %设定加入白噪声后的信噪比为5db(均值为0)Pv=(am/(10(snr/20)2; %噪声方差v=rand(1,N);v=v*sqrt(Pv); %白噪声s=s0+v;xfa=fft(s,N);xf1=abs(xfa); %信号加噪声plot (w,xf1); %绘制图形第五章 MATLAB仿真结果5.1 各源信号的MATLAB仿真结果（1）频率为5Hz，采样频率为100Hz的正弦采样信号仿真结果如图5.1.1所示。 5.1.1 采样信号仿真图（2）X带噪信号仿真结果如图5.1.2所示。5.1.2 X带噪信号仿真图（3）X的频谱信号仿真结果如图5.1.3所示。5.1.3 X频谱信号仿真图（4）X带噪信号的频谱信号仿真结果如图5.1.4所示。5.1.4 X带噪信号的频谱信号仿真图5.2 时频信号分析器的MATLAB仿真结果以下各图为时频信号分析器的GUI界面截图，图5.2.1为未按按钮前的截图。图5.2.2为按“正弦采样信号X”按钮后的结果。图5.2.3为按“X的带噪信号”按钮后的结果。图5.2.4为按“X的频谱信号”按钮后的结果。图5.2.5为按“X带噪频谱信号”按钮后的结果。设计结果满足设计要求，具有良好的人机界面，每个按钮对应一种波形。下图给出了设计好的时频信号分析器的示意图： 图5.2.1 未按按钮截图 图上有四个按键，分别代表了四种图形，他们是正弦采样信号X，X的带燥信号，X的频谱信号，X带燥频谱信号，按不同的按键显示不同的波形，当然了，这仅仅代表了一种情况，比较普遍的情况，我们可以通过改变参数来改变图形的形状，如改变频率，改变噪声信号，改变取样点数等等，都可以改变图形，如果需要我们还可以用三角波，锯齿波等进行试验，从而增加试验的灵活性，加深对实验的理解，不断提高独立思考的能力。图 5.2.2 按正弦采样信号X键截图图 5.2.3按X的带燥信号键截图图 5.2.4 按X的频谱信号键截图图 5.2.5按X带燥频谱信号键截图5.3从题目中获得的结论外界噪声的存在会使我们想要得到的信号失真，与原信号有较大偏差，所以我们应该想尽办法进行研究与分析，如何运用滤波器减小噪声的干扰甚至消除噪声，尽量无失真的得到我们想要的信号，这就是我们研究的目的。第六章 心得体会 通过本次的信号处理课程设计，我对信号处理有了更深层次的了解，本来在学习数字信号处理这门课的过程中，对这这门课程不是很了解，学习的过程中的纯数学公式让我头疼，不清楚这门课的中哟啊性，在课程设计的一周里，我通过查阅资料和询问同学，对以前不了解的东西有了新的认识，也重新认识这门功课的重要性，也体会到了信号处理在数字信号处理中的作用。通过本次课设我收获最大的就是，把知识运用的实际中财能，明白它的作用和好处，就想原来的理论学习，根本不知道这些东西学来是干嘛的，学习积极性就不会死很高，当用这些知识去做一个东西或者去实现一个东西的时候，才能明白和体会到这些知识的有趣性和知识性。而且MATLAB一直是我想学习的软件，以前一直没有机会或者说是自己没有去学习的积极性，通过本次课