数字信号处理实验指导张培珍

1、数字信号处理编写：张培珍，赵桂艳，李灿苹信息学院班级：姓名：学号：实验序号12345指导教师实验成绩:实验一、matlab基本操作实验一、实验目的：1. 根据我校学生的实际情况，利用matlab图形用户界面设计工具，以实验内容为依 托，设计一个与整个实验内容配套的实验工作平台，进一步提高学生编程的能力和技 巧。2. 加强学生更好地掌握数字信号处理所包含的革本概念，基本方法和革本技能。二、实验原理“数子信号处理”是电类及电子类专业的重要专业垄础课。在传统的课程教学中，理论 教学与实验教学是分离的，这样不利于学生掌握数字信号处理的重要内容。基于matlab 设计向导gui开发出的仿真实验平台，在该

2、图形用户界面中，以实验内容为依托，这为使用 者提供了更多的方便。2.1 matlab的图形用户界面简介作为强大的科学计算软件，matlab提供了图形界面的设计为开发功能。自从美国公司 math works于1967年推出matrix laboratory缩写为matlab软件包到冃前为止已经发展到 7.0。由于其语句简练、功能强人、简单实用，现己成为面向科学与工程计算的人型优秀科 技应用软件。随着大量可视化编程语言的出现，为工程技术人员提供了可视化的编程环境，人人 降低了技术人员编程的工作蜃。即使不是专业的编程工作者也能完成复杂的编程任务，这 在很大程度上推动了各种应用软件的发展。matlab

3、作为面向科学与工程计算的大型科技应 用软件，同样提供了一个功能强大的用于编写图形用户界面的工具gul matlab的用户界 面对彖分为三类：用户界面控件对象(uicontrol),下拉式菜单对彖(uimenu),和内容式菜单对 象(uicontextmenu)。图形对象的从属关系如卜图图1图形用户界面的图形对象的从属关系其中gui向导提供了十种控件(control)对象和一个坐标轴(axes)对象。它们分别是:按钮 (pushbutton) 开关按钮(togglebutton)s 编辑框(edittext)> 弹出式菜单(popupmenu) 图文 框(frame)、静态文本框(stat

4、ictext)、列表框(listbox)、复选框(checkbox)、滑动条(slide)等, 因此用户在使用的过程需要深入地了解各种图形对彖的特怔、属性和操作。本实验利用matlab的用户界面对象，设计出以实验内容为依托的操作简单、功能完备 的图形用户界面，为课堂教学和实验仿真提供了有效的基础。2.2课程实验的matlab用户界面设计目前，我校数字信号处理课程共计54学时，其屮1()学时实验。主要包括：基木信号波 型matlab仿真试验；离散傅里叶变换和快速傅里叶变换对比实验；iir数字滤波器的仿真设 计实验：fir数字滤波器的综合设计实验。本实验主婆完成界面的设计，以后的每一实验完 成后同

5、时完成各个实验的参数调整和各项功能。三、实验内容:matlab程序如下:gfc=figure（rcolor 1,1,1 l/name1?数 字信号 处理实 验系统7numbertitle,；off；menubar,none,）; % 定义菜单项axescparentgfc/positionmo. 10 0.25 0.63 0.62,pisible','off）; %设置界血内图形的处标轴htestl=uimenu（gfc/laber；实验内容'）；定义一级下拉式菜单htest2=uimenu（gfc,'label*,'as 助'）；% 定义一级下

6、拉式菜单h（cst3=uimenu（gfc,labelt关于%定义一级卜-拉式菜单%定义二级菜单t l=uimenu（htest i /label','实验一'）;t2=uimenu（htestl /label','实验二'）;t3=uimenu(htest 1,'label','实验三')；t4=uimenu(htestl,'label','实验四')；%定义三级菜单111 =uimenu(tl，label；'单位脉冲序列callback；.rtime 1=0.0;'

7、;,'timel=cputime;','n0=0;'nf=10;'ns=3;','nl=n0:nf;7xl=(nl-ns)=0;',stem(nl,xl);','t itle(”单位脉冲序歹1 =cputime-time l'j);112=uimenu(t 1,label：，单位阶跃序列；'callback；.,time2=0.0;',time2=cputime;,'n0=0;','nf=10;',ns=3;','n 1 =no:nf;vx2=

8、(n 1 -ns)>=0;','stem(n 1 ,x2);','t itle(”单位阶跃序歹 u u);7tt2=cputime-time2');113=uimenu(t 1 ,'label7f* 形序列*,'callback1,'test3');%test3 为编译好的 test3.m 文件,和本程序 保存统一路径114=uimenu(t 1 ,'label7$指数序列'callback1,'test4'); %test4 为编译好的 test4.m 文件，和本程 序保存统一路径%

9、定义图形冇网格按钮ul =uicontrol(gfc,'style','push'/unit','normalized', 'posi',0.85,0.65,0.15,0.15,'string*,.grid on','fontsize；12,'call；'grid on1);%定义图形无网格按钮u2=uicontrol(gfc,'style','pushtunit','normalized；.posi0.85,0.38,0.15,0.15,&#

10、39;string1, ,grid off,'fontsize',12,'call',grid off );%定义关闭按钮u3=uicontrol(gfc；style,；push,'unit*,'normalized',posi',0.85,0.05,0.15,0.15,'string；'关 闭vfontsizcll；cair,'close all');tt=0.4690;%把各程序运行时间写入文木框hstr=nuni2str(tt);uicontrol(gfc,'style',&#

11、39;text', 'unit','normalized','posi',0.19,0.05,0.22,0.12,'string',.'显示运行时间7fontsize',ll);htext=uicontrol(gfc,'style','edit','unit,normalized',.,posi,0.42,0.05,0.22,0.12；stringhstr；fontsize,12);四、实验分析通过调节所用各函数内各个选项以及选项内容，分析界面产生的效果。五、

12、实验总结总结实验认识、过程、效果、问题、收获、体会、意见和建议。注意：所有实验报告均从网上下载统一格式。每次实验结束后上交相 应实验报告实验二典型离散信号及其matlab实现一、实验目的1. 掌握matlab语言的基木操作，学习基木的编程功能。2. 熟悉连续信号经过采样前示的频谱变化，加深对采样定理的理解。3. 掌握matlab产生常用离散时间信号的编程方法。二、实验原理1单位抽样序列心。在matlab中可以利用zeros ()函数实现。x = zwrosqn);41) = 1；如果/()在时间轴上延迟了 k个单位,得到3(n-k)即：8n-k)=2单位阶跃序列“叫在matlab中可以利用on

13、eso函数实现。x = ollesn)；3. 正弦序列：x(n) = asin(2加/用+ 0)n = 0:n-在 matlab 中:x = a * sin(2 * pi * f * 川 / fs + fai)4. 复正弦序列:x(n) = ejimtn = 0:n-在 matlab 中：x = exp(y * w*)5. 指数序列:x(n) = ann=q:n-l在 matlab 中:x = a.kn6. y=fliplr(x)言号的翻转；x=square(t)产生方波信号y二sawtooth (t)产生锯齿波信号；y二sinc(x)产生sine函数信号。三、实验内容(一)离散信号的产牛离散

14、信号的图形显示使用stem指令。1.编写matlab程序,产生下列典型脉冲序列。(1)单位脉冲序列：起点no,终点nf,在ns处冇一单位脉冲。(2) 单位阶跃序列：起点no,终点nf 1(no<=ns<=nf)。(3) 实指数序列：心=(075)"(4) 复指数序列：x4 =e(_o-2+yo-7)n-k matlab程序如下：n0=0;nf=10;ns=3;n1=n0:nf;xl=(nl-ns)=0;n2=n0:nf;x2二(n2ns) >=0;n3=n0:nf;x3=(0. 75). n3;n4二no:nf;x4二exp(-0. 2+0. 7j)*n4);sub

15、plot (2, 2, 1), stem(nl, xl);subplot (2, 2, 2), stem(n2, x2);subplot (2, 2, 3), stem (n3, x3);figuresubplot (2, 2, 1), stem(n4, real (x4);subplot (2, 2, 2), stem (n4, imag (x4);subplot (2, 2, 3), stem(n4, abs (x4);subplot (2, 2, 4), stem (nd, angle (x4);在ns前为0,在ns处及以后均为%单位脉冲序列%单位阶跃序列%实指数序列%复指数冲序列%注意

16、subplot的变化(二)离散时间信号的卷积在matlab屮，利用函数conv(x, h)可以实现两个有限长度序列的卷积，要注意conv 函数是假定两个序列都从n二0开始的。1. 用matlab编写卷积运算函数。function y, ny =conv_improve (x, nx, h, nh)%：x,nx为第一个信号%h, nh为第二个信号%conv (x, h)可以实现两个冇限氏度序列的卷积nyl=nx(l)+nh(l);ny2=nx(length(x)+nh(length(h);ny=nyl:ny2;y=conv(x, h);在命令窗口调用卷积函数。x二3 4 0-2 2 35; nx

17、二-3:3; h二1 45 60 1; nh=n:n+5;n是你的学号最后两位，带入示求结果。结果为：四、实验分析观察实验结果，掌握、分析典型的离散时间信号，分析卷积运算。五、实验总结总结实验认识、过程、效果、问题、收获、体会、意见和建议。实验三离散信号的dft及其快速算法一、实验目的1. 在学习dft理论的基础上，通过木实验，加深对fft的理解，体会二者z间的关系。2. 熟悉丿应用fft实现两个序列的线性卷积的方法。二、实验原理n点序列xn的dft和1dft定义:* m可以用函数u=fft (u, n)和u=ifft (u, n)计算n点序列的dft正、反变换。三、实验内容1. x(n)=r

18、s(n),求n分别取8, 32时的x(k),最后绘出图形。%n的行向虽%k的行向量%旋转因子%产生一个含nk值的n乘n维愆阵%dft矩阵%dft系数的行向量%计算离散吋间傅立叶变换离散傅立叶变换函数的matlab实现如下: functionxk=dft(xn, n)n=0:l:n-l;k二o:1:n-1;wn二exp(-j*2*pi/n);nk=n，*k;wnnk二wn. 'nk;xk=xn*wnnk;调用上而函数解题。n二0:4;x二ones(1, 5);k=0:999;w=(pi/500)*k;x二x* (exp (-j*pi/500). " (n' *k);xe

19、=abs(x);subplot (3, 2, 1) ; stem(n, x) ;ylabel (' x(n)');subplot (3, 2, 2) ;plot (w/pi, xe) ;ylabel (j |x(ejw) |');n二 10;x二ones(1, 5), zeros(1, n-5);n 二0:nt;x二dftl (x, n);%n=8点离散傅立叶变换magx=abs(x);phax=ang1e(x)*180/pi;k=(0:length(magx)' -1)*n/length(magx);subplot (3, 2, 3); stem(n, x);

20、 ylabel c x(n)1);subplot (3, 2, 4) ; stem(k, magx) ;axi s (0, 10, 0, 5) ;ylabel (， x(k) |');n=20;x=ones (1, 5), zeros (1, n5);n二0:nt;x二dftl (x,n);%n=32点离散傅立叶变换magx=abs(x);phax=angle(x)*180/pi;k=(0:length(magx)j 1)*n/length(magx);subplot (3, 2, 5) ; stem (n, x) ; ylabel (' x (n)');subplot

21、 (3, 2, 6); stem(k, magx) ; axis (0, 20, 0, 5) ; ylabel ('| x (k) |');00.511.5°042468x 21so.5x012340 1so.5x01so.5x0110510154云200510152.已知一个8点的时域非周期离散阶跃信号，nl二0, n2=7,在n0二4前为0, n0以后为1。用n=32点进行fft变换，作其时域信号图及信号频谱图。nl=0;n0=4;n2=7;n=32;n=nl:n2;w=(nn0)>=0;subplot (2, 2, 1); stem(n, w);i=0:n

22、-l;y=fft (w, n);aw二abs(y);subplot (2, 1, 2) ; plot (i, aw);%建立吋间信号%频率采样点从0开始%用快速算法计算dft%求幅度值3.利用 fft 计算线性卷积。设 x(n) = 2 3 1 4 5;h(n) = 2 1 7 4 5 7 的线性卷积。3。计算二者matlab程序如下:x二2 3 1 4 5;h二2 1 7 4 5 7 2 3;lenx=length (x);lenh二length (h);n二lcnx+lenht ;xk=fft (x, n);hk=f f t (h, n);yk=xk. *hk;y 二辻 ft (yk)st

23、em(y);xlabel (' n');ylabel (' y(n)'); title(' x(n)*h(n)');%求序列x的长度%求序列h的长度%计算x序列的dft%计算h序列的dft%求 idftgrid807050宴4030100,2x(n)*h(n)1012四. 实验分析认真观察实验结果，分析实验产生的现彖的原因。五、实验总结总结实验认识、过程、效果及体会、意见建议。实验四iir数字滤波器设计、实验目的1. 熟悉butterworth滤波器、chebyshev滤波器的频率特性。2. 掌握双线性变换法及脉冲响应不变法设计iir数字滤波器的

24、具体设计方法及其原 理，熟悉用双线性变换法及脉冲响应不变法设计低通、高通和带通iir数字滤波器 的计算机编程。3. 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。实验原理(1)脉冲响应不变法用数字滤波器的单位脉冲响应序列h (n)模仿模拟滤波器的冲激响应ha(t)，让h (n)正好等于 ha(t)的采样值,即h(n)= ha (nt)其中t为采样间隔,如果以ha(s)及h(z)分别表示ha(t)的拉式变换及h(n)的z变换，则1821t技(习lk=另比(卄丿旳(2)双线性变换法s平面与z平面之间满足以卜映射关系:s平面的虚轴单值地映射于z平面的

25、单位圆上，s平面的左半平面完全映射到z平面的 单位圆内。双线性变换不存在混叠问题。te() )双线性变换时一种非线性变换22 ,这种非线性引起的幅频特性畸变可通过预崎而得到校正。三、实验内容设采样频率fs =4000+sn*100hz, sn为学号后两位。用脉冲响应不变法和双线性变换法设 计一个三阶巴特沃兹滤波器，其3db边界频率为fc =lkhzo用matlab程序实现如下：sn二；%学号后两位b, a=butter(3, 2*pi*1000,' s'); %巴特沃思滤波器%b, a = butter (n, wn, (s' ), n 为滤波器的阶数，wn%为边界频率

26、，按s的降幕排列fs =4000+sn*100;numl, denl=impinvar (b, a, fs) ;%脉冲响应不变法,4000为采样频率hl, w=freqz(numl, deni);%计算系统频率特性b, a二butter (3, 2/0. 00025,' s'); %2/0. 00025 预畸变模拟滤波器边界频率num2, den2=bil i near (b, a, fs) ；%双线性法h2, w=freqz (num2, den2);f二w/pi*2000;plot (f, abs(hl), f, abs (h2),；grid;xlabel ('频率

27、/hz') ;ylabel ('幅值/db');运行该程序，并绘出运行结果。2. 设计一数字高通滤波器，它的通帯为400500hz,通带内容许有0. 5db的波动，阻帯内 衰减在小于317hz的频带内至少为19db,采样频率为l,000hzomatlab程序如下:wc二2*1000*lan(2*p i*400/(2*1000);wt=2*1ooo*tan(2*pi*317/(2*1000);n, wn=cheblord (wc, wt, 0. 5, 19,' s'); b, a=chebyl (n, 0. 5, wn, 'high'， s

28、'); num, den=bi 1 inear (b, a, 1000);h, w=freqz (num, den);f=w/pi*500;plot (f, 20*logl0 (abs (h);axis(0, 500,-80,10);grid;xlabelc 频率/hz')ylabelc 幅度/db')四. 实验分析分析butterworth滤波器、chebyshev滤波器的特性。五、实验总结总结实验认识、效果、收获及体会、意见、建议。设计性实验指导书实验名称：f1r数字滤波器的设计实验项目性质：编程设计所属课程名称：数字信号处理计划学时：4一、实验目的1. 掌握用窗函

29、数法、频率采样法设计fir滤波器的原理及方法，熟悉响应的 计算机编程；2. 熟悉线性相位fir滤波器的幅频特性和相频特性；3. 了解各种不同窗函数对滤波器性能的影响。二、预习与参考2.1窗口法窗函数法设计线性相位fir滤波器步骤确定数字滤波器的性能要求：临界频率 3,滤波器单位脉冲响应长度n；根据性能要求，合理选择单位脉冲响应h(n)的奇偶对称性，从而确定理 想频率响应hd(ejw)的幅频特性和相频特性；求理想单位脉冲响应h(1 (n),在实际计算中，可对iid(cjw)按m(m远大于n) 点等距离釆样,并对其求idft得hm (n),用hmn)代替hd (n)；选择适当的窗函数w(n),根据h(n)= hd(n)w(n)求所需设计的fir滤波器 单位脉冲响应；求il(cjw),分析其幅频特性，若不满足耍求，可适当改变窗函数形式或长 度n,重复上述设计过程，以得到满意的结果。矩形窗 w (n) =rx (n)； hanning 窗-0.5(1 -cm窗函数的傅式变换w(cjw)的主瓣决定了 11(严)过渡带宽。w(c”')的旁瓣大小和多 少决定了 h(et在通带和阻带范围内波动幅度，常用的几种窗函数冇：g hamming 窗 bla