第1章基础理论实验课件

第1章基础理论实验1.1数字信号处理的MATLAB软件实现平台简介1.2

基础理论实验11.1

数字信号处理的MATLAB软件实现平台简介1.1.1

MATLAB应用入门1.1.2信号处理工具箱函数库21.1.1

MATLAB应用入门1.MATLAB的安装与卸载

安装：直接运行光盘中的安装程序setup.exe，然后依据提示一步步选择即可。卸载：

MATLAB自身带有卸载程序，在其安装目录下的uninstall子目录中，运行uninstall.exe即可；也可以通过Windows系统的安装卸载程序进行卸载。31.1.1

MATLAB应用入门2.MATLAB的启动与退出启动：MATLAB安装完成后，会自动在Windows桌面上生成一个快捷方式，双击它即可。退出：专有快捷键Ctrl+Q41.1.1

MATLAB应用入门3.MATLAB界面简介5File项是数据输入/输出的接口，包括10个子项。New：新建文件项。有四个选择：M-File(.M，文本格式的MATLAB程序文件)；Figure(图形)；Model(仿真模型文件)和GUI(可视化界面文件)。Open：打开所有MATLAB支持的文件格式，系统将自动识别并采用相应的程序对文件进行处理。例如,打开一个.m文件，系统将自动打开M文件编辑器对它进行编辑。ImportData...：导入用于MATLAB处理的数据函数，包括各种图像文件、声音文件和.mat文件。SaveWorkspaceAs...：将工作空间的变量以.mat(二进制)或ASCII文本的形式存入文件。SetPath...：设置工作路径。可以打开路径设置(SetPath)对话框，将用户自己建立的目录加入MATLAB的目录系统中，以便所编制的文件能够在MATLAB环境中直接调用。

1.1.1

MATLAB应用入门61.1.1MATLAB应用入门7对输入命令的解释MATLAB按以下顺序进行：①检查它是否是工作空间中的变量，是则显示变量内容。②检查它是否是嵌入函数，是则运行之。③检查它是否是子函数。④检查它是否是私有函数。⑤检查它是否是位于MATLAB搜索路径范围内的函数文件或脚本文件。请注意，如果有两个以上的方案与输入的命令相匹配，MATLAB将只执行第一个匹配。1.1.1MATLAB应用入门81.1.1

MATLAB应用入门4.MATLAB常用命令cd：显示或改变当前工作目录。dir：列出当前目录或指定目录下的文件和子目录清单。clc：清除MATLAB命令窗口中的所有显示内容。home：把光标移到命令窗口的左上角。clf：清除MATLAB当前图形窗口中的图形。clear：清除内存中的变量和函数。disp：显示变量的内容。type：列出指定文件的全部内容。exit、quit：退出MATLAB。who：列出当前工作空间中的变量。whos：列出当前工作空间中变量的更多信息。91.1.1

MATLAB应用入门what：列出当前或指定目录下的.m文件、.mat文件和.mex文件。which：显示指定函数或文件的路径。lookfor：按照指定的关键字查找所有相关的.m文件。101.1.1

MATLAB应用入门exist：检查指定的变量或函数文件的存在性，返回值为0～8。

0表示检查的内容不存在；

1表示检查的内容是工作空间中的变量；

2表示.m文件或其他普通文件；

3表示.mex文件；

4表示MDL文件；

5表示嵌入函数；

6表示.p文件；

7表示一个目录；

8表示检查的内容为一个Java类。111.1.1

MATLAB应用入门more：用于滚屏分页。

moreoff不允许分页输出；

moreon允许分页输出；

more（n）指定每页输出的行数。！：加在外部命令前面，可以运行一个外部程序。121.1.2

信号处理工具箱函数库1.波形产生函数名功能chip产生调频余弦信号diric产生diricchlet或周期sinc函数pulstran产生脉冲串rectpuls产生非周期的方波信号sawtooth产生锯齿波或三角波sinc产生sinc或函数波形square产生方波tripuls产生非周期的三角波131.1.2

信号处理工具箱函数库2.信号变换函数名功能czt线性调频z变换dct离散余弦变换dftmtx离散傅立叶变换矩阵fft一维快速傅立叶变换fft2二维快速傅立叶变换fftshift重新排列快速傅立叶变换(FFT)的输出hilbert希尔伯特变换idct逆离散余弦变换ifft逆一维快速傅立叶变换ifft2逆二维快速傅立叶变换cceps复倒谱计算icceps逆复倒谱计算recps实倒谱计算与最小相位重构141.1.2

信号处理工具箱函数库3.滤波器分析函数名功能abs求绝对值（幅值）angle求相角freqs模拟滤波器的频率响应freqspace控制频率响应中的频率间隔freqz数字滤波器的频率响应freqzplot画出频率响应曲线grpdelay平均滤波延时（群延时）impz数字滤波器的冲激响应unwrap展开相角151.1.2

信号处理工具箱函数库4.滤波器执行函数名功能conv求卷积conv2求二维卷积deconv去卷积fftfilt利用重叠相加法基于快速傅立叶变换的FIR有限长单位冲激响应滤波filter利用直接型滤波器的IIR无限长单位冲激响应或FIR滤波filter2二维数字滤波filtfilt零相位数字滤波filtic为直接II型滤波器选择初始条件latcfilt应用格型结构滤波medfilt1一维中值滤波sgolayfiltSavitzky－Golay滤波sosfiltIIR二阶滤波upfirdn采样率转换161.1.2

信号处理工具箱函数库5.FIR数字滤波器设计

barlett巴特利窗blackman布莱克曼窗boxcar矩形窗chebwin切比雪夫窗hamming海明窗hann汉宁窗kaiser凯瑟窗triang三角窗常用的窗函数171.1.2

信号处理工具箱函数库

5.FIR数字滤波器设计

函数名功能convmtx卷积矩阵cremez任意响应、具有非线性相位的等波纹FIR滤波器设计fir1基于窗函数的FIR数字滤波器设计——标准响应fir2基于窗函数的FIR数字滤波器设计——任意响应fircls约束最小二乘FIR数字滤波器设计——任意响应fircls1约束最小二乘FIR数字滤波器设计——低通与高通firls最小二乘FIR数字滤波器设计firrcos升余弦FIR数字滤波器设计intfilt内插FIR数字滤波器设计remezParks－McClellan最优FIR数字滤波器设计remezordParks－McClellan滤波器阶数选择FIR滤波器设计函数181.1.2

信号处理工具箱函数库６.IIR数字滤波器设计标准模拟/数字滤波器设计函数函数名功能butter巴特沃斯滤波器设计cheby1切比雪夫I型滤波器设计cheby2切比雪夫II型滤波器设计ellip椭圆滤波器设计maxflat广义巴特沃斯低通滤波器设计prony时域IIR滤波器prony法stmcbSteiglitz－McBride法yulewalk递归数字滤波器设计IIR滤波器阶数估计buttord巴特沃斯滤波器阶数估计cheb1ord切比雪夫I型滤波器阶数估计cheb2ord切比雪夫II型滤波器阶数估计ellipord椭圆滤波器阶数估计191.1.2

信号处理工具箱函数库模拟低通原型滤波器设计besselap贝塞尔模拟低通滤波器原型buttap巴特沃斯模拟低通滤波器原型cheb1ap切比雪夫I型模拟低通滤波器原型cheb2ap切比雪夫II型模拟低通滤波器原型ellipap椭圆模拟低通滤波器原型频率变换lp2bp模拟低通滤波器到模拟带通滤波器的转换lp2bs模拟低通滤波器到模拟带阻滤波器的转换lp2hp模拟低通滤波器到模拟高通滤波器的转换lp2lp模拟低通滤波器到模拟低通滤波器的转换模拟滤波器的离散化bilinear双线性变换impinvar冲激响应不变法201.2

基础理论实验实验一:离散时间信号的分析实验二:离散时间系统的时域分析实验三:LSI离散系统的频域分析实验四:连续时间信号的数字处理211.2

基础理论实验

一、实验目的1.认识常用的各种信号，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.掌握序列的简单运算及计算机实现与作用。4.理解离散时间傅立叶变换、Z变换及它们的性质和信号的频域特性。二、实验设备计算机，MATLAB语言环境。实验一:离散时间信号的分析221.2

基础理论实验三、实验基础理论1.序列的相关概念2.常见序列3.序列的基本运算4.离散傅里叶变换的相关概念5.Z变换的相关概念231.2

基础理论实验四、实验内容与步骤1.离散时间信号（序列）的产生利用MATLAB语言编程产生和绘制单位样值信号、单位阶跃序列、指数序列、正弦序列及随机离散信号的波形表示。2.序列的运算（１）利用ＭＡＴＬＡＢ语言编程实现信号平滑运算。（２）利用MATLAB语言编程实现信号的调制。（３）利用MATLAB语言编程实现信号卷积运算。（４）利用MATLAB语言编程实现信号离散傅立叶的正反变换。利用MATLAB语言编程实现信号的圆周移位、圆周卷积，验证DFT的圆周时移、圆周卷积性质和圆周卷积与线性卷积的关系。验证一个周期实序列奇偶部分的DFT与此序列本身的DFT之间的关系。利用MATLAB语言编程实现信号的Z变换及其反变换、Z变换的零、极点分布。

241.2

基础理论实验五、实验扩展与思考1.编程产生方波信号序列和锯齿波信号序列。2.实验中你所产生得正弦序列的频率是多少？怎样才能改变它？分别是哪些参数控制该序列的相位、振幅和周期？3.编程实现序列长度为N的L点的正反离散傅里叶变换，并分析讨论所得出的结果，其中L≥N，如L=8，N=6。4.由实验说明离散傅里叶变换的对称关系，说明序列的时域和频域的关联特性。25六、实验报告要求1.简述实验目的、实验原理、实验内容和实验过程。2.按照实验步骤附上实验过程中的信号序列、信号序列运算结果、离散傅里叶变换和Z变换结果，并对所得结果进行分析和解释。3.总结实验中的主要结论、实践技能和心得体会。4.附上实验过程中所用的程序。5.简要回答思考题。1.2

基础理论实验26

实验二:离散时间系统的时域分析

一、实验目的1.在时域中仿真离散时间系统，进而理解离散时间系统对输入信号或延迟信号进行简单运算处理，生成具有所需特性的输出信号的方法。2.仿真并理解线性与非线性、时变与时不变等离散时间系统。3.掌握线性时不变系统的冲激响应的计算，并用计算机仿真实现。4.仿真并理解线性时不变系统的级联、验证线性时不变系统的稳定特性。二、实验设备计算机，MATLAB语言环境。1.2

基础理论实验27三、实验基础理论1.系统的线性性质线性性质表现为系统满足线性叠加原理：若某一输入是由N个信号的加权和组成的，则输出就是系统对这N个信号中每一个的响应的相应加权和组成的。设和分别作为系统的输入序列，其输出分别用和表示，即若满足则该系统服从线性叠加原理，或者称该系统为线性系统。2.系统的时不变特性若系统的变换关系不随时间变化而变化，或者说系统的输出随输入的移位而相应移位但形状不变，则称该系统为时不变系统（或称为移不变系统）。对时不变系统，若则1.2

基础理论实验283.系统的因果性系统的因果性即系统的可实现性。如果系统时刻的输出取决于时刻及时刻以前的输入，而和时刻以后的输入无关，则该系统是可实现的，是因果系统。系统具有因果性的充分必要条件为4.系统的稳定性稳定系统是指有界输入产生有界输出（BIBO）的系统。如果对于输入序列，存在一个不变的正有限值，对于所有值满足

则称该输入序列是有界的。稳定性要求对于每个有界输入存在一个不变的正有限值，对于所有值，输出序列满足系统稳定的充分必要条件是系统的单位取样响应绝对可和，用公式表示为1.2

基础理论实验295.系统的冲激响应设系统输入，系统输出的初始状态为零，这时系统输出用表示，即

则称为系统的单位脉冲响应。对于任意输入信号，系统输出为

利用系统满足叠加原理得到利用系统时不变性质得到上式的运算关系称为卷积运算。1.2

基础理论实验306.卷积的性质1）交换律2）结合律3）分配律

1.2

基础理论实验31

四、实验内容与步骤

1.离散时间系统的仿真

1）M点因果滑动平滑系统的仿真，时域表达为通过上述时域平滑系统可实现由若干个正弦信号之和所组成的信号中滤出高频分量。据此，可以理解M点因果滑动平滑系统。

2）线性与非线性离散时间系统的仿真。简单的非线性系统实例：

简单的线性系统实例：

3）时变与时不变系统的仿真。时不变系统实例：

时变系统实例：仿真并比较这两个系统。

1.2

基础理论实验322.线性时不变系统仿真1）冲激响应的计算用MATLAB语言编程实现线性时不变系统的冲激响应计算。线性时不变系统实例：2）在实际应用中高阶因果线性时不变系统可以用低阶因果线性时不变系统级联得到，这可简化系统的设计与实现。例如，对于四阶线性时不变系统可以用二个二阶系统级联实现。第一级第二级用MATLAB语言编程验证系统的级联。1.2

基础理论实验33

3.线性时不变系统的稳定性若一个线性时不变系统的冲激响应是绝对可和，则此系统就是BIBO的稳定系统。由此，无限冲激响应线性时不变系统稳定的必要条件是，随着输入序列点的增加，冲激响应衰减到零。用MATLAB语言编程计算一个IIR线性时不变系统冲激响应的绝对值的和，验证稳定特性。

4.滤波概念实验通过具体的时间系统理解信号滤波概念。如：系统1

系统2

对于输入信号实现各系统的滤波输出结果。1.2

基础理论实验34

五、实验扩展与思考1.线性与非线性系统在信号输入/输出上有何不同？时变与时不变系统又有何不同呢？2.冲激响应的计算实验中，就此系统计算它的阶跃响应，并与冲激响应比较，理解他们之间的关系。3.系统级联实验中，四阶线性时不变系统若改用并联实现，又该如何进行？4.滤波概念实验中，两个系统的输出有何不同，为什么？若改用最低频率为0、最高频率为0.5，长度为301的扫频正弦序列，则结果又将如何？

1.2

基础理论实验35

一、实验目的

1.通过在频域中仿真LSI离散时间系统，理解离散时间系统对输入信号或延迟信号进行频域处理的特性。

2.理解LSI离散时间系统的传输函数和频率响应的概念。

3.理解LSI离散时间系统的滤波特性及滤波器的相关特性。

4.理解并仿真LSI离散时间系统的零、极点分布表征及特性关系。二、实验设备计算机，MATLAB语言环境1.2

基础理论实验实验三:ＬＳＩ离散系统的频域分析36三、实验基础理论LSI离散时间系统可用差分方程描述如下：对应的传输函数和频率响应分别为：分别有零点和极点。1.2

基础理论实验37

四、实验内容与步骤

1.传输函数和频率响应分析按以下的传输函数分别编程计算和计算当时因果LSI离散时间系统的频率响应，并求出它们的群时延及冲激响应的开始部分（前100个值）。

2.画出上面两个LSI离散时间系统对应的零、极点图。

3.滤波器仿真和特性实验设计实现一个在0.45处具有3dB截止角频率的一阶无限冲激响应低通滤波器和一个无限冲激响应高通滤波器，计算并画出他们各自的增益响应，并证明它们是全通互补和功率互补的。1.2

基础理论实验38

4.作图分析分别生成如下两个因果系统传输函数的零、极点图，并对该图进行研究，推断它们的稳定性。1.2

基础理论实验39

五、实验扩展与思考

1.在传输函数和频率响应分析实验中，选择了哪些类型的滤波器？这些滤波器有何区别？你会选择哪一种滤波器来滤波，为什么？

2.常见的四种理想零相位数字滤波器有哪些？分别画出它们的频率响应。

3.从以上实验中可见，因果无限冲激响应滤波器稳定的条件是什么？1.2

基础理论实验40六、实验报告要求

1.简述实验目的、实验原理、实验内容和实验过程。

2.按照实验步骤附上实验过程中的各个实验的结果，并对所得结果进行分析和解释。

3.总结实验中的主要结论、实践技能和心得体会。

4.附上实验过程中所用的程序。

5.简要回答本实验中的思考题。1.2

基础理论实验41

一、实验目的

1.理解时域抽样理论和频域抽样理论。

2.熟悉对连续时间信号进行数字信号处理的过程。

3.理解任意带限连续时间信号的连续时间傅里叶变换与离散时间信号的离散时间傅里叶变换的关系。二、实验设备计算机，MATLAB语言环境。1.2

基础理论实验实验四:连续时间信号的数字处理42三、实验基础理论1.抽样一个连续信号经过理想抽样后，其频谱将以抽样频率为间隔周期重复，这就是频谱产生的周期延拓。也就是说，理想抽样信号的频谱是频率的周期函数，其周期为，而频谱的幅度与