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文檔簡介
1、<p><b> 目錄</b></p><p> 第一章 概述…………………………………………………………………………2</p><p> 1.1課程設計的基本原理..........................................2</p><p> 1.2課程設計目的....................
2、............................2</p><p> 1.3課程設計的內(nèi)容..............................................2 </p><p> 第二章 總體設計及關鍵技術分析…………………………………………………4</p><p> 2.1卷積演示實驗....................
3、............................4</p><p> 2.2采樣定理演示................................................5</p><p> 2.3模擬濾波器設計演示..........................................7</p><p> 2.4設計切比雪夫
4、I型低通濾波器.................................10</p><p> 2.5雙線性變換法設計巴特沃斯低通數(shù)字濾波器.....................11</p><p> 2.6用凱塞窗設計高通濾波器.....................................13</p><p> 第三章 程序?qū)崿F(xiàn)………
5、………………………………………………………… 14 </p><p> 3.1卷積演示實驗...............................................14</p><p> 3.2采樣定理演示...............................................19</p><p> 3.3模擬濾波器設
6、計演示.........................................23</p><p> 3.4設計切比雪夫I型低通濾波器.................................26</p><p> 3.5雙線性變換法設計巴特沃斯低通數(shù)字濾波器.....................27</p><p> 3.6用凱塞窗設計
7、高通濾波器.....................................29</p><p> 第四章 結束語.……………………………………………………………………32</p><p> 參考文獻……………………………………………………………………………33</p><p><b> 第一章 概述</b></p>
8、<p> 1.1 課程設計的基本原理</p><p> 數(shù)字信號處理的直接對象是數(shù)字信號,處理的方式是數(shù)值運算的方式,它涉及到的內(nèi)容非常豐富和廣泛,它是應用最快、成效最顯著的新學科之一,做為信息專業(yè)的專業(yè)基礎課,需要掌握其基本理論和基本的分析方法,通過理論和實踐、原理和應用結合讓學生掌握知識。而matlab是集數(shù)學計算、圖形處理和程序語言設計于一體的軟件,通過matlab來實現(xiàn)數(shù)字信號處理的有關表
9、達,最終實現(xiàn)課程設計的目的。</p><p><b> 1.2課程設計目的</b></p><p> 1、通過基于MATLAB的算法仿真實驗及分析、基于DSP的算法綜合實驗等實踐活動,進一步領會和深化課堂上學到的有關數(shù)字信號處理的基本概念、基本原理以及基本的信號處理操作及濾波器設計方法。</p><p> 2、掌握線性卷積與圓周卷積軟件實
10、現(xiàn)的方法,并驗證二者之間的關系;驗證奈奎斯特取樣定理,加深對時域取樣后信號頻譜變化的認識;掌握模擬濾波器的頻率變換——模擬高通、帶通、帶阻濾波器的設計與對比演示;以及根據(jù)窗函數(shù)設計濾波器。</p><p><b> 1.3課程設計內(nèi)容</b></p><p> 1. 設計一卷積演示程序。 </p><p> (1)可輸入任意2待卷積序列x
11、1(n)、x2(n),長度不做限定。測試數(shù)據(jù)為: </p><p> x1(n)={1,1,1,1,0,0,1,1,1,1,0,0},x2(n)={0,1,2,1,0,0,0,1,2,1,0,0}; </p><p> (2)分別動態(tài)演示2序列進行線性卷積x1(n)﹡x2(n)和圓周卷積x1(n) x2 (n)的過程;要求分別動態(tài)演示翻轉(zhuǎn)、移位、乘積、求和的過程。 </p>
12、<p> ?。?)圓周卷積默認使用2序列中的最大長度,但卷積前可以指定卷積長度N用以進行混疊分析。 </p><p> (4)根據(jù)實驗結果分析2類卷積的關系。 </p><p> (5)假定時域序列x1(n)、x2(n)的長度不小于10000,序列內(nèi)容自定義。利用</p><p> FFT實現(xiàn)快速卷積,驗證時域卷積定理,并與直接卷積進行效率對比。
13、</p><p> 2. 演示采樣定理,時域采樣,頻譜周期延拓,同時演示采樣頻率小于2fc時,產(chǎn)生的混疊效應。 </p><p> (1)假設頻域歸一化三角波的頻帶寬度fc=100Hz,對應的時域信號為: </p><p> y(t)=fc[sinc(fct/4)]2/2。 </p><p> ?。?)要求輸入采樣頻率fs(根據(jù)程序處理
14、需要指定范圍)后,在時域演示信號波形、采樣脈沖及采樣后信號;在頻域演示對應的信號頻譜、采樣脈沖及頻域周期拓延。 </p><p> 注:sinc(x)=sin(πx)/(πx)。 </p><p> 3. 模擬濾波器設計演示—從模擬低通濾波器到模擬高通,帶通,帶阻的幅度特性對比演示。 </p><p> (1)設計過程詳見教材相關內(nèi)容。 </p>
15、<p> ?。?)使用巴特沃斯濾波器,其階數(shù)N應該根據(jù)實際參數(shù)計算(計算公式和方法如教材所述),為方便作圖,這里指定階數(shù)為N=5,并假定通帶截止頻率fp=1,阻帶截止頻率fs=2。</p><p> ?。?)分別用不同顏色曲線繪制通帶、過渡帶和阻帶。要求根據(jù)變換關系動態(tài)演示低通濾波器和目標濾波器的幅度特性。 </p><p> 4. 設計一切比雪夫I型低通濾波器,各參數(shù)要求:
16、fp=100Hz,αp=2dB,fs=120Hz,αs=60dB。</p><p> 給出所設計濾波器的幅度特性并分析是否滿足設計需要。</p><p> 5.使用雙線性變換法設計巴特沃斯低通數(shù)字濾波器,各設計指標如下:</p><p> ωs=0.4π,ωp=0.6π,αp=0.5 dB,αs=50 dB</p><p> 令T=2
17、,給出所設計濾波器的幅度衰減特性及其沖激響應。</p><p> 6. 利用凱塞窗設計高通濾波器,設計指標分別是:ωs=0.4π,ωp=0.6π,αp=0.5dB,αs=60dB。給出窗函數(shù)及所設計濾波器的幅度特性。 </p><p> 第二章 總體設計及關鍵技術分析</p><p> 2.1 卷積演示實驗</p><p> 2.1.
18、1基本的原理</p><p><b> 1、線性卷積:</b></p><p> 線性時不變系統(tǒng)(Linear Time-Invariant System, or L. T. I系統(tǒng))輸入、輸出間的關系為:當系統(tǒng)輸入序列為,系統(tǒng)的單位脈沖響應為,輸出序列為,則系統(tǒng)輸出為:</p><p><b> 或 </b&g
19、t;</p><p> 上式稱為離散卷積或線性卷積。</p><p><b> 2、圓周卷積</b></p><p> 設兩個有限長序列和,均為點長</p><p><b> 如果</b></p><p><b> 則</b></p>
20、;<p><b> N</b></p><p> 上式稱為循環(huán)卷積或圓周卷積</p><p> 注:為序列的周期化序列;為的主值序列。</p><p> 編程計算時,可表示如下:</p><p> 3、兩個有限長序列的線性卷積</p><p> 序列為點長,序列為點長,為
21、這兩個序列的線性卷積,則為</p><p> 且線性卷積的最大長,也就是說當和時。</p><p><b> 2.1.2設計思想</b></p><p> 首先建立一個基本的框架,制作一個菜單,其中包括主程序菜單和子程序的菜單,子程序菜單可以選擇回到主程序菜單選擇功能。菜單的框架完成后,實現(xiàn)可以任意輸入兩個序列,然后分別制作動態(tài)演示序列的
22、線性卷積的程序、</p><p> 動態(tài)演示序列的圓周卷積、以及驗證時域卷機定理以及比較運行速率的程序。結合上面建立的框架完成菜單選擇以及功能的調(diào)用,讓整個設計完美。</p><p> 2.1.3 設計流程圖:</p><p> 2.14 關鍵技術分析</p><p> 本個設計主要要實現(xiàn)動態(tài)的演示,為實現(xiàn)動態(tài)演示,有很多不同的方法,
23、而我采用的是for循環(huán)加上pause,在for循環(huán)中的一次執(zhí)行中,實現(xiàn)一次繪圖,表示某一時刻的狀態(tài),用pause暫停等待for循環(huán)中下一次執(zhí)行,實現(xiàn)動態(tài)演示。這是主要的一個設計,另外一個重要的技巧是如何將循環(huán)卷積表示出來,因為循環(huán)卷積的結果是周期的,其循環(huán)卷積的方法和線性卷積不同,并且循環(huán)卷積中要處理幾種情況:如當x1序列和x2序列之間的最大長度比卷積N長度大時是一種畫圖方法,比它小時是另外一種方法,然而困難的是當循環(huán)卷積長度比序列最大
24、長度小時還要分析x1和x2序列各自長度與N的關系而做不同的情況分析,具體的解決方法見程序?qū)崿F(xiàn)。</p><p><b> 2.2采樣定理演示</b></p><p> 2.2.1基本的原理</p><p> 奈奎斯特取樣定理指出:為了使實信號取樣后能夠不失真還原,取樣頻率必須大于信號最高頻率的兩倍。</p><p>
25、; 若為有限帶寬的連續(xù)信號,其頻譜為,以T為取樣間隔對理想取樣,得到理想取樣信號。的頻譜為:</p><p> 也就是說,一個連續(xù)信號經(jīng)過理想取樣后,它的頻譜將沿著頻率軸,從開始,每個一個取樣頻率重復出現(xiàn)一次,即頻譜產(chǎn)生周期延拓。</p><p><b> 2.2.2設計思想</b></p><p> 首先通過時域來表示出其波形的變化,
26、從而觀察采樣前后的波形做比較,第二步通過頻域檢驗其是否混疊,觀察采樣前后的頻域,再通過改變不同的采樣頻率來分析采樣定理。以此設計思想編寫好相關程序之后,建立整體框架,實現(xiàn)完成一次采樣后可以重新輸入采樣頻率,以便進行分析。</p><p> 2.2.3設計流程圖:</p><p> 2.2.4 關鍵技術分析</p><p> 本次的重點在于如何實現(xiàn)時域原信號的頻
27、譜,就是說如何畫出三腳波,由于在實驗中通過fft不能很好的表示出其頻譜,即傅立葉變換,如果按照傅立葉變換求出其頻譜也很難實現(xiàn),所以在實驗中采用畫波形,得到其原信號的波形之后的關鍵就在于如何動態(tài)地表示出其采樣過程以及混疊的過程。動態(tài)過程同樣使用for循環(huán)以及hold on和pause,通過判斷fc和fs的關系看是否混疊,混疊則繪制混疊部分,通過數(shù)學計算,求出其關系式,在程序中直接應用就可以實現(xiàn)繪制混疊部分的說明,具體見第三章的程序?qū)崿F(xiàn)部分
28、。</p><p> 2.3模擬濾波器設計演示</p><p> 2.3.1基本的原理</p><p><b> 巴特沃斯濾波器:</b></p><p> 特點:具有通帶內(nèi)最大平坦的振幅特性,且隨f↗單調(diào)↘ ,其幅度平方函</p><p><b> 數(shù)具有如下形式: <
29、/b></p><p> 式中,N為整數(shù),稱為濾波器的階數(shù),N越大,通帶和阻帶的近似性越好,過渡帶也越陡。如圖。 </p><p> 圖 巴特沃茲filter 振幅平方函數(shù) </p><p> 1) 在通帶,分母Ω/Ωc<1,隨著N增加,( Ω/Ωc)2N→0,A(Ω2)→1。 </p><p> 2) 在過渡
30、帶和阻帶,Ω/Ωc>1,隨著N增加,Ω/Ωc>>1,A(Ω2)快速下降。 </p><p> 3) Ω=Ωc時, ,幅度衰減 ,相當于3db衰減點。 </p><p> 2.3.2 設計思想</p><p> 依據(jù)低通濾波器和高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器的關系繪制動態(tài)圖形對比其幅度特性。首先從所給的參數(shù)求出所需要的繪制低通濾波器的條件參
31、數(shù),然后通過各濾波器之間的關系表達式畫圖。由于他們之間的關系是通過橫做標的關系來表達的,即通過轉(zhuǎn)換橫坐標就可以動態(tài)的畫圖。例如低通與高通之間,低通歸一化頻率w和高通歸一化頻率W之間的關系是w=1/W,所以,低通中w點對應于高通中1/W點的值是相同的,由此畫圖。</p><p> 2.3.3 設計流程圖</p><p> 2.3.4 關鍵技術設計</p><p>
32、 本實驗關鍵的設計在于如何實現(xiàn)低通于其他的轉(zhuǎn)換,在本設計中是通過改變橫坐標的關系來設計的,在具體的設計中,采用到的設計如下:</p><p> 模擬高通濾波器設計:</p><p> 確定高通濾波器的技術指標:通帶下限頻率?p,阻帶上限頻率?s,通帶最大衰減αp,阻帶最小衰減αs。</p><p> 確定相應低通濾波器的設計指標:按λ=1/η,將高通濾波器的
33、邊界頻率轉(zhuǎn)換成低通濾波器的邊界頻率,各相設計指標為:</p><p> 低通濾波器通帶截止頻率?p=1/?p;</p><p> 低通濾波器阻帶截止頻率?s=1/?s;</p><p> 通帶最大衰減仍為αp,阻帶最小衰減仍為αs </p><p> 設計歸一化低通濾波器G
34、(p)。</p><p> 求模擬高通的H(s)。將G(p)按λ=1/η轉(zhuǎn)換成歸一化高通H(q),為去歸一化,將q=s/?c代入H(q)中,得H(s)=G(p)|p=?c/s</p><p> 模擬帶通濾波器設計思路:</p><p> 確定模擬帶通濾波器的設計指標,即:帶通上限頻率?u,帶通下限頻率?l;下阻帶上限頻率?s1,上阻帶下限頻率?s2</p
35、><p> 通帶中心頻率?02=?l?u,通帶寬度B=?u-?l</p><p> 與以上邊界頻率對應的歸一化邊界頻率如下:</p><p> 還需要確定的技術指標有:通帶最大衰減αp,阻帶最小衰減αs。</p><p> 確定歸一化低通技術要求;</p><p> 設計歸一化低通G(p);</p>
36、<p> 將G(p)轉(zhuǎn)換成帶通H(s)。</p><p> 模擬帶通阻濾波器設計思路:</p><p> 確定模擬帶通濾波器的設計指標,即:</p><p> 下通帶上限頻率?l,上通帶下限頻率?u</p><p> 阻帶下限頻率?s1,阻帶上限頻率?s2</p><p> 阻帶中心頻率?02=
37、?l?u,通帶寬度B=?u-?l</p><p> 它們相應的歸一化邊界頻率為:</p><p> ?、?歸一化模擬低通技術要求;</p><p> ③ 設計歸一化模擬低通G(p);</p><p> ④ 將G(p)轉(zhuǎn)換成帶阻濾波器H(s)</p><p> 2.4 設計切比雪夫I型低通濾波器</p>
38、;<p> 2.4.1 基本的原理</p><p> 誤差值在規(guī)定的頻段上等波紋變化。 巴特沃茲濾波器在通帶內(nèi)幅度特性是單調(diào)下降的,如果階次一定,則在靠近截止 處,幅度下降很多,或者說,為了使通帶內(nèi)的衰減足夠小,需要的階次N很高,為了克服這一缺點,采用切比雪夫多項式來逼近所希望的 。切比雪夫I型低通濾波器的 在通帶范圍內(nèi)是等幅起伏的,所以在同樣的通常內(nèi)衰減要求下,其階數(shù)較巴特沃茲濾波器要小。 &
39、lt;/p><p> 2.4.2 設計思想</p><p> 可以通過直接調(diào)用有關切比雪夫I型低通濾波器的庫函數(shù),matlab本身就包含有這些函數(shù)供用戶使用,另一種方法是按照公式一步一步地往下做,但是由于所學知識有限以及時間問題在本設計中采用了第一種方法,調(diào)用函數(shù)。然后通過定點繪制說明線來表達其特性。</p><p> 2.4.3 設計流程圖</p>
40、<p> 2.4.4 關鍵技術設計</p><p> 由于采用了調(diào)用庫函數(shù)的方法,所以關鍵的部分就不在于求出其轉(zhuǎn)換的表達式了,重點在于如何更好的表達切比雪夫I型低通濾波器的特性,所以在本設計中田加了說明線,例如在其幅度的增益圖象中,說明其通帶的部分、過渡帶以及阻帶部分。</p><p> 2.5 雙線性變換法設計巴特沃斯低通數(shù)字濾波器</p><p&g
41、t; 2.5.1 基本的原理</p><p> 1.確定技術指標p,s,p,s</p><p><b> 2.求濾波器階數(shù)N</b></p><p><b> 其中 </b></p><p><b> 3.求歸一化極點</b></p><
42、p> 再將代入式,得到歸一化傳輸函數(shù)。</p><p> 4.將去歸一化,得到實際的,即</p><p> 2.5.2 設計思想</p><p> 本設計中,由于我是選擇先做這個雙線性,所以采用了利用公式一步一步地做出來。首先利用雙線性變換的公式w=2*tan(0.5*W)/T,其中w表示模擬角頻率,而W表示數(shù)字角頻率,再通過s=j*和雙線性變換中s和
43、z的關系,可以得到s=(2*(1-exp(-j.*W)))./(T*(1+exp(-j.*W))),其中的s是數(shù)字濾波器的s,s=jw得到結果。這樣利用原理可以求出它的幾個極點s,帶進公式,通過選取一定范圍內(nèi)的頻率就可以求得對應的幅度值,結果就出來了。</p><p> 2.5.3 設計流程圖</p><p> 2.5.4 關鍵技術設計</p><p> 由于
44、這個程序要按照公式一步一步地執(zhí)行,所以關鍵在于如何實現(xiàn)極點與頻率W的轉(zhuǎn)換,后來看到了s=j*W,(這個s是數(shù)字濾波器的)這就是關鍵所在,從參考資料上可以知道,s和z-1的關系,而z-1=e-sT,所以便可以將W和模擬濾波器中的極點s的關系求出來了,這就是本實驗的關鍵所在。有了這個關系之后使用for循環(huán)便可以將幅度函數(shù)和W的關系求出來了。</p><p> 2.6用凱塞窗設計高通濾波器</p>&l
45、t;p> 2.6.1 基本的原理</p><p> 凱塞窗函數(shù)的時域形式可表示為 </p><p> 其中, 是第1類變形零階貝塞爾函數(shù), 是窗函數(shù)的形狀參數(shù),由下式確定:</p><p> 其中, 為凱塞窗函數(shù)的主瓣值和旁瓣值之間的差值(dB)。改變β的取值,可以對主瓣寬度和旁瓣衰減進行自由選擇。β的值越大,窗函數(shù)頻譜的
46、旁瓣值就越小,而其主瓣寬度就越寬。</p><p> 2.6.2 設計思想</p><p> 按照公式首先要求出a和β,然后求出w(k),這是前面必須要求出來的,然后通過相關的轉(zhuǎn)換求得結果,其思想與2.5.2基本相同。</p><p> 2.6.3 關鍵技術設計</p><p> 這個設計的關鍵在于1、如何求得w(k);2、如何求得實
47、際的沖擊響應。如何求得w(k)在設計思想已經(jīng)大概討論過了,如何求得沖擊響應,可以通過hn=fir1(N,wc/pi,'high',kaiser(N+1,b))來求得</p><p><b> 第三章 程序?qū)崿F(xiàn)</b></p><p><b> 3.1卷積原理演示</b></p><p> 3.1.1
48、程序的實現(xiàn)</p><p> 本設計中線性卷積的主要實現(xiàn)主要由如下片段實現(xiàn):</p><p> p=length(x1);q=length(x2);n=p+q-1;</p><p><b> a=0:q-1;</b></p><p> y2(a+1)=x2(q-a);</p><p>
49、for n=1:p+q-1</p><p> k=-q+n:1:-1+n;subplot(3,1,2)</p><p> stem(k,y2)</p><p> title('x2(n-m)');axis([-16,16,0,24]);</p><p> 這一部分是實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)并移位,在設計中是將序列x2進行翻轉(zhuǎn)和移位&l
50、t;/p><p> --------------------------------------------------------------</p><p> y=conv(x1,x2);</p><p><b> t=1:1:n</b></p><p> h(t)=y(t);</p><p&
51、gt; subplot(3,1,3)</p><p><b> t=0:n-1;</b></p><p> stem(t,h);</p><p> title('線性卷積y(n)')</p><p> axis([-16,16,0,24]);</p><p><b&
52、gt; pause(1)</b></p><p><b> end</b></p><p> 以上整個部分就是實現(xiàn)線性卷積的過程</p><p> ---------------------------------------------------------------</p><p> 對于循
53、環(huán)卷積,要求我們進行判斷并根據(jù)情況做不同的分析:</p><p> p=length(x1);q=length(x2);k=max(p,q);%p<q</p><p><b> if k>N</b></p><p> if p<q&p<N</p><p> x11=[x1,zero
54、s(1,N-p)];</p><p> n=0:1:N-1;</p><p> x22(n+1)=x2(n+1);</p><p> elseif p==q|p>N</p><p> n=0:1:N-1;</p><p> x11(n+1)=x1(n+1)</p><p> x
55、22(n+1)=x2(n+1);</p><p> else disp('錯誤,x1的長度要比x2短')</p><p><b> end</b></p><p> 由于原程序比較長,在執(zhí)行分情況討論做循環(huán)卷積時程序很長所以不顯示出來。而第三部分,驗證時域卷積定理和效率對比,通過觀察通過fft實現(xiàn)出來的線性卷積和直接進行線
56、性卷積運行的時間長短來進行效率的對比,程序長度可以通過rand來實現(xiàn)足夠大的長度的隨機數(shù)來進行驗證。</p><p> 3.1.2 結果及分析</p><p> 1、開始運行程序,會進入主菜單,按照提示進行選擇:</p><p> 請輸入x1:[1,1,1,1,0,0,1,1,1,1,0,0]</p><p> 請輸入x2:[0,1,
57、2,1,0,0,0,1,2,1,0,0]</p><p> 1、動態(tài)演示2序列的線性卷積</p><p> 2、動態(tài)演示2序列的圓周卷積</p><p> 3、驗證時域卷機定理</p><p><b> 4、退出</b></p><p><b> 請選擇菜單項目:1</b
58、></p><p> 選擇1之后可以見到其動態(tài)的過程,其最后的結果如下圖1:</p><p> 圖1 線性卷積的結果</p><p> 2、運行完成之后可以看到子菜單</p><p><b> 1、重新演示</b></p><p> 2、返回主采單修改2序列的值</p>
59、;<p><b> 3、返回主菜單</b></p><p><b> 請選擇,輸入:3</b></p><p> 1、動態(tài)演示2序列的線性卷積</p><p> 2、動態(tài)演示2序列的圓周卷積</p><p> 3、驗證時域卷機定理</p><p>&l
60、t;b> 4、退出</b></p><p><b> 請選擇菜單項目:2</b></p><p> 請輸入執(zhí)行循環(huán)卷積的數(shù)N:10</p><p> 其最后的結果如下圖2所表示:</p><p> 圖2 循環(huán)卷積的結果</p><p> 3、選擇返回主菜單并修改x1和
61、x2進行第三步實驗,如下運行:</p><p> 請輸入x1:rand(1,10000)</p><p> 請輸入x2:rand(1,10000)</p><p> 1、動態(tài)演示2序列的線性卷積</p><p> 2、動態(tài)演示2序列的圓周卷積</p><p> 3、驗證時域卷機定理</p>&l
62、t;p><b> 4、退出</b></p><p><b> 請選擇菜單項目:3</b></p><p><b> 其結果如下圖所示:</b></p><p> 由于是采用隨機10000個進行設計,所以得到的圖在粘貼時有點不穩(wěn)定,并且在每個圖都有說明標題,所以圖下面就不標面圖號了。通過分
63、析,第一個圖出來比第二個圖慢,說明通過fft求線性卷積會比直接卷積快,通過后面2個圖可以驗證時域卷積定理。</p><p> 3.2 采樣定理演示</p><p> 3.2.1 程序的實現(xiàn)</p><p> 程序中主要包括時域部分的分析和頻域部分的分析,在時域部分主要將時間定位在t=-0.05:0.001:0.05;</p><p>
64、 將采樣時間T=1/fs的應用,就可以實現(xiàn)時域的分析</p><p><b> n=0.1/T+1</b></p><p> h=ones(1,n);</p><p> stem(t1,h,'^')</p><p> title('采樣序列h(t)') %這部分是實現(xiàn)采樣序列的時域
65、畫圖</p><p> 而頻譜的分析則首先畫出原序列的頻譜</p><p> x=[0 1 0];t=[-0.1 0 0.1];</p><p> plot(t,x);title('時域信號的頻譜Y(jw)')</p><p> 以下的這一部分就是實現(xiàn)頻域采樣的程序部分</p><p> wc
66、=0.1;ws=(fs/fc)*wc;N=fix(0.5/ws)</p><p> for i=0:1:N</p><p> subplot(3,1,2)</p><p> stem(-ws*i,1,'^');axis([-0.5,0.5,0,1]);hold on;</p><p> stem(ws*i,1,'
67、;^');axis([-0.5,0.5,0,1])</p><p> subplot(3,1,3)</p><p> t1=[-ws*i-wc,-ws*i,-ws*i+wc];t2=[ws*i-wc,ws*i,ws*i+wc]</p><p> x=[0,1,0];</p><p> plot(t1,x,t2,x);hold
68、on;axis([-0.5,0.5,0,1]);pause(1)</p><p><b> end</b></p><p> 3.2.2 結果及分析</p><p> 1、運行程序,程序進如采樣頻率輸入,如下</p><p> 請輸入采樣頻率fs:150</p><p> 其運行結果如下
69、圖3和圖4</p><p> 圖3 采樣fc=150HZ時的時域部分</p><p> 圖4 采樣fc=150HZ時的頻域部分</p><p> 重新選擇輸入采樣頻率</p><p> 1、選擇1改變采樣頻率fs,繼續(xù)</p><p> 2、按其他輸入退出程序</p><p>&l
70、t;b> 請選擇:1</b></p><p> 請輸入采樣頻率fs:300 </p><p> 其結果運行如圖5和圖6</p><p> 圖5 采樣fc=300HZ時的時域部分</p><p> 圖6 采樣fc=300HZ時的頻域部分</p><p> 分析:從圖3到圖6對比可以知道
71、,當采樣頻率大于等于2倍的模擬頻率時才能保證采樣不混碟,從而正常的恢復到原信號。</p><p> 3.3模擬濾波器設計演示</p><p> 3.3.1 程序的實現(xiàn)</p><p> 在本設計中對每個轉(zhuǎn)換都使用3個情況,即通帶、過渡帶和阻帶,將它們分別討論分別繪制圖形,如,低通到高通m=1時為通帶、m=2時過渡帶、m=3時阻帶部分,現(xiàn)將它們的部分程序列出來:
72、</p><p><b> if m==1</b></p><p> for i=0:1:10</p><p> w1=0:0.1:i*0.1;</p><p><b> if i==0</b></p><p><b> w2=3.2;</b>
73、</p><p> elseif i==1</p><p><b> w2(2)=3.1</b></p><p> elseif i==2</p><p><b> w2(3)=3.0</b></p><p> elseif i==3</p><
74、p><b> w2(4)=2.8</b></p><p><b> else</b></p><p> w2(i+1)=1/w1(i+1);</p><p><b> end</b></p><p> G=1./((j.*w1).^5+3.236.*(j.*w1
75、).^4+5.2361.*(j.*w1).^3+5.2361.*(j.*w1).^2+3.2361.*(j.*w1)+1);</p><p> G1=abs(G);</p><p> subplot(2,1,1)</p><p> plot(w1,G1);hold on</p><p> axis([0,3.5,0,1.2])<
76、/p><p> subplot(2,1,2)</p><p> plot(w2,G1); hold on</p><p> axis([0,3.5,0,1.2])</p><p> pause(0.4)</p><p><b> end</b></p><p><
77、;b> end</b></p><p> 這一部分就是實現(xiàn)完整的低通到高通中的通帶部分,為了使其圖形更接近資料中的圖形,所以在開始的時候故意取了一些固定的值。</p><p> -----------------------------------------------------</p><p> for i=10:1:20</
78、p><p> w1=1:0.1:0.1*i;</p><p> w2(i-10+1)=1/w1(i-10+1);</p><p> 這部分就是實現(xiàn)m=2,過度帶的主要函數(shù)。</p><p> -----------------------------------------------------</p><p>
79、 for i=20:1:30</p><p> w1=2:0.1:0.1*i;</p><p> w2(i-20+1)=1/w1(i-20+1);</p><p> 這部分就是實現(xiàn)阻帶部分的主要函數(shù)。</p><p> 3.3.2 結果以及分析</p><p> 運行程序可以看到主菜單:</p>
80、<p> ******主菜單******</p><p> 1、觀察低通與高通的頻域特性</p><p> 2、觀察低通與帶通的頻域特性</p><p> 3、觀察低通與阻帶的頻域特性</p><p><b> 0、退出程序</b></p><p><b> 請
81、選擇功能:1</b></p><p> 其運行結果如圖7所示:</p><p> 圖7 低通到高通的轉(zhuǎn)變結果</p><p> 圖7第一圖表示低通、第二個表示高通,藍色的線表示通帶部分,紅色表示過渡帶,綠色表示的是阻帶部分。</p><p> 圖8 低通到帶通的圖形轉(zhuǎn)變</p><p> 圖
82、8第一圖表示低通、第二個表示帶通,藍色的線表示阻帶部分,紅色表示過渡帶,綠色表示的是通帶部分。</p><p> 圖9 低通到帶阻的圖形轉(zhuǎn)變</p><p> 圖9中第一個圖表示的是低通濾波器的幅度特性,第個圖是帶阻的幅度特性,其中綠色表示的是通帶部分,紅色表示是過度代部分,藍色的是阻帶部分,其實阻帶在負半軸還有一個跟它一樣的波形,只是沒有表示出來。</p><p
83、> 3.4 切比雪夫I型低通濾波器的幅頻特性設計</p><p> 3.4.1 程序的實現(xiàn)</p><p> 程序中主要的部分就是求Cn,程序如下:</p><p> if abs(w/wp)<=1</p><p> cn=cos(N*acos(w/wp));</p><p><b>
84、 else</b></p><p> cn=N*log(w/wp+sqrt((w/wp).^2-1));</p><p> cn=(exp(cn)+exp(-cn))/2;</p><p><b> end</b></p><p><b> 所用到的庫函數(shù)有</b></p&
85、gt;<p> [N,Wc]=cheb1ord(wp,ws,ap,as,'s');</p><p> [b,a]=cheby1(N,ap,Wc,'s');</p><p> w=linspace(1,400,100)*2*pi;</p><p> H=freqs(b,a,w);</p><p&
86、gt; 這一部分是實現(xiàn)求出階數(shù)N以及截止頻率Wc,[b,a]=cheby1(N,ap,Wc,'s')是求得系統(tǒng)函數(shù)H(z)的分子和分母的多項式的系數(shù),H=freqs(b,a,w)用于取得數(shù)字濾波器的頻率所對應的幅度。</p><p> 3.4.2 結果及分析</p><p> 運行程序后可以看到菜蛋提示,按照要求輸入</p><p><b
87、> 請輸入有關的參數(shù)</b></p><p><b> fp的值100</b></p><p><b> fs的值120</b></p><p><b> ap的值2</b></p><p><b> as的值50</b><
88、;/p><p> 其結果運行如下圖10:</p><p> 圖10 切比雪夫I型低通濾波器的幅頻特性</p><p> 圖10中第一個圖是帶增益即分貝db的形式求其特性圖,圖2是幅度即頻譜的絕對值的特性。</p><p> 3.5 雙線性變換法設計巴特沃斯低通數(shù)字濾波器</p><p> 3.5.1 程序的實現(xiàn)
89、</p><p> 這個程序的實現(xiàn)主要是求N和數(shù)字系統(tǒng)函數(shù),其各自的主要程序部分如下:</p><p><b> 首先求得階數(shù)N</b></p><p> Us=2*tan(0.5*Ws)/T;Up=2*tan(0.5*Wp)/T;Ksp=Us/Up;</p><p> ksp=sqrt((10^(0.1*ap)
90、-1)/(10^(0.1*as)-1));</p><p> N=-log10(ksp)/log10(Ksp);</p><p> N=fix(N)+1;</p><p> -------------------------------------</p><p> 這一部分是實現(xiàn)將數(shù)字濾波器的頻率W與模擬濾波器中的系統(tǒng)函數(shù)相互轉(zhuǎn)換得
91、到數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)</p><p> Uc=Up*(10^(0.1*ap)-1)^(-1/(2*N));</p><p> W=linspace(0,1,100)*pi;</p><p> s=(2*(1-exp(-j.*W)))./(T*(1+exp(-j.*W)));</p><p><b> Ha=Uc^N;<
92、;/b></p><p> for i=0:1:N-1;</p><p> sk(i+1)=Uc*exp(j*pi*(0.5+(2*i+1)./(2*N)));</p><p> Ha=Ha./(s-sk(i+1));</p><p><b> end</b></p><p> H
93、=abs(Ha);</p><p> 3.5.2 結果以及分析</p><p> 圖11 雙線性變換法實現(xiàn)的數(shù)字低通濾波器的幅度特性</p><p> 圖12 雙線性變換法實現(xiàn)的數(shù)字低通濾波器的沖擊響應</p><p> 從圖11可以看出,這個通過雙線性變換法求得的低通濾波器是符合要求的數(shù)字濾波器,圖12是它的沖擊響應,由于沖擊響
94、應是虛數(shù)的,所以分別做了在平面上和絕對值這2個圖示。</p><p> 3.6利用凱塞窗設計高通濾波器</p><p> 3.6.1 程序的實現(xiàn)</p><p> 這個設計可以采用庫函數(shù)法也可以采用公式法,本設計采用利用公式的做法,其部分重要的程序如下:</p><p> 以下這部分是求函數(shù)中幅度函數(shù)w(n)</p>&
95、lt;p> for n=0:63</p><p> b=a*sqrt(1-((2*n/63-1))^2);x=1;</p><p> for k=1:20</p><p><b> s=1;</b></p><p><b> for i=1:k</b></p><
96、p><b> s=s*i;end</b></p><p> x=((b/2)^(k)/s)^(2)+x;end</p><p> y=1;for k=1:20</p><p><b> s=1;</b></p><p><b> for i=1:k</b><
97、;/p><p><b> s=s*i;end</b></p><p> y=((a/2)^(k)/s)^(2)+y;end</p><p> w(n+1)=x/y;end</p><p> -----------------------</p><p> 這一部分是設計實際單位取樣響應函數(shù)&
98、lt;/p><p> wc=(wp+ws)/2;</p><p> N=-20*log10(min(1-10^(-ap/20),10^(-as/20)));</p><p> N=N+rem(N,2);</p><p> hn=fir1(N,wc/pi,'high',kaiser(N+1,b));</p>&
99、lt;p> 3.6.2 結果以及分析</p><p> 圖13 凱塞窗窗函數(shù)以及其高通濾波器的幅度特性</p><p> 圖14 凱塞窗下的高通濾波器的理想和實際的沖擊響應</p><p> 分析:圖13體現(xiàn)了凱塞窗的窗口函數(shù)的頻域特性以及其對應的高通濾波器的幅度特性,圖15展現(xiàn)了其理想和實際中沖擊響應的差別,可以看出實際的沖擊響應和理想的沖擊響應還
100、是有區(qū)別的。</p><p><b> 第四章 結束語 </b></p><p> 通過2個星期緊張的課程設計,不用說,收獲肯定是不少的。雖然自己在選修課上有學習matlab,但是所做的實驗還與數(shù)字信號處理所做的實驗不同,平時數(shù)字信號處理實驗中讓我感受到的提高已經(jīng)很充裕了,這次的課程設計更讓我受益非淺。</p><p> 經(jīng)過總結,在本次
101、的課程設計中我的收獲成果主要有:</p><p> 1、鞏固我所學過的數(shù)字信號處理課程的有關知識,同時也讓我發(fā)現(xiàn)了平時掌握不牢固或錯誤的地方。例如平時很不注意的數(shù)字角頻率和頻率有可能混了,以前對雙線性法的原理不大懂,通過這次的實驗讓我對它的公式進行了研究,從而掌握了這點知識,通過課程設計,讓我們平時不大會的從低通到高通、帶通、阻帶的變換在這次設計中學會了如何去轉(zhuǎn)變,并且掌握了其原理,印象更深刻。</p&g
102、t;<p> 2、讓我對matlab這軟件有了更深的了解已經(jīng)它與數(shù)字信號處理這門課程之間的緊密關系,matlab中是采用數(shù)組和距陣的方式處理數(shù)據(jù),如何將數(shù)字信號處理有關的資料以數(shù)組和距陣進行編程是我們學習的一個方面,通過這次的課程設計,讓我發(fā)現(xiàn)了數(shù)字信號處理在matlab中的應用,同時也激發(fā)了我利用這軟件來實現(xiàn)數(shù)字信號處理有關問題的興趣。</p><p> 3、它提高我檢查錯誤以及調(diào)試的能力。在
103、這次課程設計中錯誤是難免的,有時候2個小時都在想同一個問題,但當自己能夠?qū)㈠e誤檢測出來并且逐漸積累了調(diào)試的經(jīng)驗時,愉悅的心情是無法比擬的。</p><p> 本次課程設計中,有機地結合了理論與實踐,既考察了我們對理論知識的掌握情況,還反映出我們實際動手能力和編程能力,更主要的是它激起我們創(chuàng)新思維,提高了自己獨立分析問題和解決問題的能力,這就是它的吸引力所在,我會為了能編寫出程序好幾個小時都在研究如何編程,這在無
104、形中以及提高了我各方面的能力。</p><p> 時間雖然短暫,但這次課程設計所給的絕不會是短暫的效果,無論是在知識上,還是在思想上都給我烙下了深刻的印象,我想,這次對于這次課程設計我獲得的已經(jīng)滿足了,謝謝老師在這段時間的指導。</p><p><b> 參考文獻</b></p><p> [1] Sanjit K. K. Mitra,D
105、igital Signal Processing: A Computer-Based Approach,2000</p><p> [2] Richard G. Lyons,Understanding Digital Signal Processing,科學出版社</p><p> [3]趙樹杰等,數(shù)字信號處理,西安電子科技大學出版社,1997.10</p><p&
106、gt; [4] 丁玉美等,數(shù)字信號處理—時域離散隨機信號處理,西電出版社,2002.11</p><p> [5] 陳懷琛等,MATLAB及在電子信息課程中的應用,電子工業(yè)出版社出版,2002.4</p><p> [6]李麗 王振領,MATLAB工程計算及應用,人民郵電出版社,2001.9</p><p> [7] 陳懷琛等譯,《數(shù)字信號處理及其MATLA
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