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文檔簡介
1、<p> 課 程 設 計 報 告</p><p> 課程名稱 </p><p> 系 別: </p><p> 專業(yè)班級: </p><p> 學 號: </p>&l
2、t;p> 姓 名: </p><p> 課程題目: </p><p> 完成日期: </p><p> 指導老師: </p><p> 年 月 日</p><
3、p><b> 目錄</b></p><p> 1、前言 1</p><p> 2、項目概況 1</p&g
4、t;<p> 3、正文 2</p><p> 3.1設計目的和意義 2</p><p> 3.1.1設計目的
5、 2</p><p> 3.1.2設計意義 2</p><p> 3.2設計的目標與總體方案 2</
6、p><p> 3.2.1設計目標 2</p><p> 3.2.2設計的總體方案 2</p><p> 3.3設計方法及內(nèi)容
7、 3</p><p> 3.3.1運用MATLAB程序求解沖擊響應、階躍響應及單位序列響應 3</p><p> 3.3.2系統(tǒng)的零輸入響應、零狀態(tài)響應 5</p>
8、;<p> 3.3.3連續(xù)時間信號卷積和離散時間信號卷積 7</p><p> 3.3.4繪制系統(tǒng)的幅頻響應和相頻響應圖 10</p><p> 3.3.5繪制系統(tǒng)的零極點圖并分析系統(tǒng)穩(wěn)定性
9、 12</p><p> 3.4結(jié)論 13</p><p> 4、致謝 14</p>
10、;<p> 5、參考文獻 14</p><p><b> 前言</b></p><p> 人們之間的交流是通過消息的傳播來實現(xiàn)的,信號則是消息的表現(xiàn)形式,消息是信號的具體內(nèi)容。</p><p> 《信號與系統(tǒng)
11、》課程是一門實用性較強、涉及面較廣的專業(yè)基礎課,該課程是將學生從電路分析的知識領域引入信號處理與傳輸領域的關鍵性課程,對后續(xù)專業(yè)課起著承上啟下的作用. 該課的基本方法和理論大量應用于計算機信息處理的各個領域,特別是通信、數(shù)字語音處理、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號分析等領域,應用更為廣泛。</p><p> 近年來,計算機多媒體教序手段的運用逐步普及,大量優(yōu)秀的科學計算和系統(tǒng)仿真軟件不斷涌現(xiàn),為我們實現(xiàn)計算機輔助教學和
12、學生上機實驗提供了很好的平臺。通過對這些軟件的分析和對比,我們選擇MATLAB語言作為輔助教學工具,借助MATLAB強大的計算能力和圖形表現(xiàn)能力,將《信號與系統(tǒng)》中的概念、方法和相應的結(jié)果,以圖形的形式直觀地展現(xiàn)給我們,大大的方便我們迅速掌握和理解老師上課教的有關信號與系統(tǒng)的知識。</p><p> MATLAB 是MathWork 公司于1984 年推出的一套面向工程和科學運算的高性能軟件。它具有強大的矩陣計
13、算能力和良好的圖形可視化功能,為用戶提供了非常直觀和簡潔的程序開發(fā)環(huán)境,因此被稱為第四代計算機語言。MATLAB 強大的圖形處理功能及符號運算功能,為我們實現(xiàn)信號的可視化及系統(tǒng)分析提供了強有力的工具。MATLAB 強大的工具箱函數(shù)可以分析連續(xù)信號、連續(xù)系統(tǒng),同樣也可以分析離散信號、離散系統(tǒng),并可以對信號進行各種分析域計算,如相加、相乘、移位、反折、傅里葉變換、拉氏變換、Z 變換等等多種計算。</p><p>
14、此次課程設計是在MATLAB軟件下進行LTI連續(xù)系統(tǒng)的分析仿真,有助于我對該連續(xù)信號的分析和理解。MATLAB 強大的功能為此次求連續(xù)信號沖激階躍響應、系統(tǒng)零輸入、零狀態(tài)響應,及幅頻相頻等各種信號求解提供很好的視覺效果,對我們有很大的學習幫助。</p><p><b> 工程概況</b></p><p> 此次的信號與系統(tǒng)課程設計的任務是在MATLAB軟件下進行L
15、TI連續(xù)系統(tǒng)的分析仿真。技術(shù)內(nèi)容是:根據(jù)時域分析原理,利用MATLAB軟件求解系統(tǒng)零狀態(tài)響應,沖激響應。技術(shù)指標是:沖激響應函數(shù)impulse(b,a),階躍響應step(b,a),零狀態(tài)lsim(b,a,x,t)。在做課程設計中首先是對MATLAB軟件的了解和認識,掌握一些MATLAB軟件的基本常用函數(shù)的用法,對MATLAB軟件進行程序操作。同時利用MATLAB軟件也能對書本上的知識進行驗證,在MATLAB軟件下編寫函數(shù)程序,然后運行
16、程序,與書本上的信號的求解進行對照分析和比較。對MATLAB軟件進行一定的了解和運用之后,開始做此次課程設計——LTI連續(xù)系統(tǒng)的分析仿真,用MATLAB軟件對此次課程設計的系統(tǒng)零狀態(tài)響應、沖激響應進行繪圖求解,并且記錄其分析過程。對所做的LTI連續(xù)系統(tǒng)的分析仿真課程設計完成以后撰寫論文,說明自己的實習過程和實習心得等內(nèi)容。</p><p><b> 正文</b></p>&l
17、t;p> 3.1設計的目的和意義</p><p><b> 3.1.1設計目的</b></p><p> 熟悉MATLAB軟件,并掌握和運用MATLAB軟件執(zhí)行一些簡單的命令,利用該軟件完成給定的實驗內(nèi)容:LTI連續(xù)系統(tǒng)的分析仿真。</p><p> (1)熟悉和掌握常用的用于信號與系統(tǒng)時域仿真分析的MATLAB函數(shù);</p
18、><p> (2)掌握連續(xù)時間信號的MATLAB產(chǎn)生,掌握連續(xù)時間信號的MATLAB編程;</p><p> ?。?)牢固掌握系統(tǒng)的單位沖激響應,階躍響應,零輸入響應,零狀態(tài)響應等的概念;</p><p> (4)掌握利用MATLB中的Simulink軟件來對系統(tǒng)中的模型進行仿真和分析;</p><p> 掌握MATLAB描述LTI系統(tǒng)的常
19、用方法及有關函數(shù),并學會利用MATLAB求解LTI系統(tǒng)響應,繪制相應曲線。</p><p> 基本要求:掌握用MATLAB描述連續(xù)時間信號和離散時間信號的方法,能夠編寫MATLAB程序,實現(xiàn)各種信號的時域變換和運算,并且以圖形的方式再現(xiàn)各種信號的波形。掌握線性時不變連續(xù)系統(tǒng)的時域數(shù)學模型用MATLAB描述的方法,掌握零狀態(tài)、零輸入、階躍響應等方程的求解編程,并能用Simulink對一些系統(tǒng)進行仿真。</p
20、><p> 3.1.2 設計意義</p><p> 通過此次課程設使我能夠掌握MATLAB軟件的一些基本知識,通過MATLAB能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)信號的表示及可視化,能夠用MATLAB 分析常用連續(xù)時間信號的時域特性,能夠用MATLAB 求連續(xù)系統(tǒng)的沖激階躍響應、系統(tǒng)零輸入、零狀態(tài)響應及幅頻相頻等,不管是在以后的學習,還在工作中都能夠提供給我們很大的幫助,使復雜的連續(xù)時域信號的分析變得很簡單,讓人
21、看了一目了然。此次課程設計能夠用到MATLAB軟件對連續(xù)系統(tǒng)時域分析進行仿真,對我來說具有重要的意義,同時對此次課程設計也有重要的意義。</p><p> 3.2設計的目標與總體方案</p><p> 3.2.1 設計目標</p><p> ?。?)熟悉MATLAB軟件平臺;</p><p> ?。?)掌握MATLAB編程方法、常用語句和
22、可視化繪圖技術(shù);</p><p> ?。?)編程實現(xiàn)常用信號及其運算MATLAB實現(xiàn)方法;</p><p> ?。?)通過MATLAB軟件對LTI連續(xù)系統(tǒng)時域進行分析仿真。</p><p> 3.2.2設計的總體方案</p><p> (1)首先到圖書館和上網(wǎng)查找關于MATLAB的有關資料,并記錄下來進行知識匯總。</p>
23、<p> ?。?)掌握MATLAB軟件的基本知識,熟悉MATLAB軟件,并掌握和運用MATLAB軟件執(zhí)行一些簡單的命令。</p><p> ?。?)對MATLAB軟件進行簡單的程序運行。</p><p> ?。?)運用MATLAB數(shù)值求解連續(xù)系統(tǒng)的零輸入響應、零狀態(tài)響應、沖激響應和階躍響應。</p><p> 3.3設計方法及內(nèi)容</p>
24、<p> 3.3.1 學習并掌握MATLAB運行程序</p><p> MATLAB軟件具有強大的功能,它對所有的信號能進行視圖化,還有它具有豐富的庫函數(shù),能夠給用戶進行選擇來編寫程序, 它的主要特點是:① 高效的數(shù)值計算及符號計算功能,能使用戶從繁雜的數(shù)學運算分析中解脫出來;② 具有完備的圖形處理功能,實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化;③ 友好的用戶界面及接近數(shù)學表達式的自然化語言,使學者易于學習和掌握
25、;④ 功能豐富的應用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等) ,為用戶提供了大量方便實用的處理工具。 MATLAB 強大的圖形處理功能及符號運算功能,為我們實現(xiàn)信號的可視化及系統(tǒng)分析提供了強有力的工具。</p><p> MATLAB 強大的工具箱函數(shù)可以分析連續(xù)信號、連續(xù)系統(tǒng),以下是對MATLAB軟件的一些基本應用:</p><p> 3.3.2連續(xù)系統(tǒng) </p>&
26、lt;p><b> ;</b></p><p><b> ; </b></p><p> 1、系統(tǒng)的沖激和階躍響應 </p><p> 沖擊響應:一個LTI系統(tǒng),當其初始狀態(tài)為零時,輸入為單位沖擊函數(shù)所引起的響應稱為單位沖激響應,簡稱沖激響應。</p><p> 階躍響應:一個LTI
27、系統(tǒng),當其初始狀態(tài)為零時,輸入為單位階躍函數(shù)所引起的響應稱為單位階躍響應,簡稱階躍響應。</p><p> MATLAB程序運行如下:</p><p><b> 沖激階躍響應程序</b></p><p> a=[1 4 4];b=[1 3];</p><p> subplot(2,1,1);</p>
28、<p> impulse(b,a);</p><p> title('系統(tǒng)的沖激響應波形h(t)')</p><p> subplot(2,1,2);</p><p> step(b,a);</p><p> title('系統(tǒng)的階躍響應波形g(t)')</p><p&
29、gt; 圖3—1連續(xù)系統(tǒng)的沖激及階躍響應的波形</p><p> Simulink仿真如下</p><p> 圖3—2 連續(xù)系統(tǒng)的沖激及階躍響應的Simulink仿真</p><p> 圖3—3沖激及階躍響應的Simulink仿真波形</p><p> (2).系統(tǒng)的零輸入和零狀態(tài)響應</p><p> 對
30、于設計的系統(tǒng)給定一般激勵信號,建立仿真模型,仿真分析系統(tǒng)的響應。求解所設計的系統(tǒng)的零輸入響應,零狀態(tài)響應。</p><p> 零輸入響應:LTI系統(tǒng)的完全響應可以分為零輸入響應和零狀態(tài)響應。零輸入響應是激勵為零時僅有系統(tǒng)的初始狀態(tài)所引起的響應,用表示。零狀態(tài)響應是系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零時僅由輸入信號引起的響應,用表示。</p><p><b> 零輸入響應程序</b>
31、</p><p><b> clear all</b></p><p><b> syms t;</b></p><p> [r p]=residue([1 3],[1 4 4])</p><p> A=r.*exp(p*t);</p><p><b>
32、ft=sum(A)</b></p><p><b> r =</b></p><p><b> 1</b></p><p><b> 1</b></p><p><b> p =</b></p><p><
33、b> -2</b></p><p><b> -2</b></p><p><b> ft =</b></p><p> 2*exp(-2*t)</p><p><b> 零狀態(tài)程序</b></p><p> a=[1 4
34、4];</p><p><b> b=[1 3];</b></p><p><b> p=0.05;</b></p><p><b> t=0:p:5;</b></p><p> x=exp(-t);</p><p> lsim(b,a,x,t
35、);</p><p> title('零狀態(tài)響應y(t)')</p><p> 圖3—4零狀態(tài)響應波形</p><p> 零狀態(tài)的Simulink的仿真</p><p> 圖3—5零狀態(tài)響應的Simulink仿真</p><p> 圖3—6零狀態(tài)響應Simulink仿真波形</p>
36、<p> 3.3.3連續(xù)時間信號卷積和離散時間信號卷積</p><p> 1.連續(xù)時間信號卷積;</p><p> 2.離散時間信號卷積</p><p> 1、連續(xù)時間信號卷積</p><p> function [f,k]=sconv(f1,f2,k1,k2,p)</p><p> %計算連
37、續(xù)信號卷積積分f(t)=f1(t)*f2(t)</p><p> %f: 卷積積分f(t)對應的非零樣值向量</p><p> %K: f(t)的對應時間向量</p><p> %f1: f1(t)的非零樣值向量</p><p> %f2: f2(t)的非零樣值向量</p><p> %K
38、1: 序列f1(t)的對應時間向量</p><p> %K2: 序列f2(t)的對應時間向量</p><p> %p: 取樣時間間隔</p><p> f1=0.5*(0:0.01:2);f2=0.5*(0:0.01:2);k1=0:0.01:2;k2=0:0.01:2;p=0.01;</p><p> f=con
39、v(f1,f2); %計算序列1與序列2的卷積和</p><p><b> f=f*p;</b></p><p> k0=k1(1)+k2(1); %計算序列f非零樣值的起點位置</p>
40、;<p> k3=length(f1)+length(f2)-2; %計算卷積和f非零樣值得寬度</p><p> k=k0:p:k0+k3*p; %確定卷積和f非零樣值的時間向量</p><p> subplot(3,3,1)
41、</p><p> plot(k1,f1) %在子圖1繪制f1(t)時域波形圖</p><p> title('f1(t)')</p><p> xlabel('t')</p><p> ylabel('
42、f1(t)')</p><p> subplot(3,3,4)</p><p> plot(k2,f2) %在子圖2繪制f2(t)時域波形圖</p><p> title('f2(t)')</p><p> xlabel
43、('t')</p><p> ylabel('f2(t)')</p><p> subplot(3,3,7)</p><p> plot(k,f); %畫卷積f(t)的時域波形</p><p> h=get(
44、gca,'position');</p><p> h(3)=2.5*h(3);</p><p> set(gca,'position',h) %將第三個子圖的橫坐標范圍擴為原來的2.5倍</p><p> title(' f(t)=f1(
45、t)*f2(t)')</p><p> xlabel('t')</p><p> ylabel('f(t)')</p><p> 2、離散時間信號卷積</p><p> function [f,k]=dconv(f1,f2,k1,k2)</p><p> %The fu
46、nction of compute f=f1*f2</p><p> %f: 卷積和序列f(k)對應的非零樣值向量</p><p> %k: 序列f(k)的對應序號向量</p><p> %f1: 序列f1(k)非零樣值向量</p><p> %f2: 序列f2(k)非零樣值向量</p><p>
47、 %k1: 序列f1(k)的對應序號向量 </p><p> %k2: 序列f2(k)的對應序號向量</p><p> f1=[1,2,1];f2=ones(1,5);k1=[-1 0 1];k2=-2:2;</p><p> f=conv(f1,f2) %計算序列f1與f2的卷積
48、和f</p><p> k0=k1(1)+k2(1); %計算序列f非零樣值的起點位置</p><p> k3=length(f1)+length(f2)-2; %計算卷積和f的非零樣值的寬度</p><p> k=k0:k0+k3
49、 %確定卷積和f非零樣值得序號向量</p><p> subplot(3,3,1)</p><p> stem(k1,f1) %在子圖1繪制序列f1(k)時域波形圖 </p><p> title('f1(n)')
50、</p><p> xlabel('n')</p><p> ylabel('f1(n)')</p><p> subplot(3,3,4)</p><p> stem(k2,f2) %在子圖2繪制序列f2(k)時域波形圖 <
51、/p><p> title('f2(n)')</p><p> xlabel('n')</p><p> ylabel('f2(n)')</p><p> subplot(3,3,7)</p><p> stem(k,f)
52、 %在子圖3繪制序列f(k)時域波形圖 </p><p> title('f1(n)與f2(n)的卷積和f(n)')</p><p> xlabel('n')</p><p> ylabel('f(n)')</p><p> h=get(gca,'
53、;position');</p><p> h(3)=2.5*h(3);</p><p> set(gca,'position',h) % 將第三個子圖的橫坐標范圍擴為原來的2.5倍</p><p> 3.3.4系統(tǒng)的幅頻響應和相頻響應</p><p> 沖擊響應反映了系
54、統(tǒng)的時域特性,而頻率響應反映了系統(tǒng)的頻域特性二者的關系為:</p><p> 通常頻率響應函數(shù)(系統(tǒng)函數(shù))可定義為系統(tǒng)響應的傅里葉變換與激勵的傅里葉變換之比,即:</p><p> 它是頻率的復函數(shù),可寫為:,其中是角頻率為的輸出與輸入信號幅度之比,稱為幅頻特性;是輸出與輸入信號的相位差,稱為相頻特性。由于是函數(shù)的傅里葉變換,根據(jù)奇偶性可知是的偶函數(shù),是的奇函數(shù)。</p>
55、<p><b> 幅頻相頻程序</b></p><p> a=[1 4 4];b=[1 3];h=20;</p><p> [h,w]=freqs(b,a,h) %求系統(tǒng)響應函數(shù)H(jw),設定h個頻率點</p><p> h1=abs(h); %求幅頻響應&l
56、t;/p><p> h2=angle(h); %求相頻響應</p><p> subplot(2,1,1);</p><p> plot(w,h1)</p><p><b> grid</b></p><p> xlabel('角頻率(W)
57、9;);</p><p> ylabel('幅度');</p><p> title('H(jw)的幅頻特性');</p><p> subplot(2,1,2);</p><p> plot(w,h2*180/pi);</p><p><b> grid</b
58、></p><p> xlabel('角頻率(w)');</p><p> ylabel('相位(度)');</p><p> title('H(jw)的相頻特性');</p><p> 圖3—7幅頻及相頻特性波形</p><p> 4.繪制系統(tǒng)的零極點圖
59、,分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)的零極點與時域特性的關系,零極點與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關系。</p><p> 對于LTI系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)是復變量或的有理分式,它是或的有理多項式與之比,即:</p><p> 其中的根稱為系統(tǒng)函數(shù)的極點,的根稱為系統(tǒng)函數(shù)的零點。</p><p> 對于連續(xù)系統(tǒng)若系統(tǒng)函數(shù)的極點都在s平面的左半平面則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng),若系統(tǒng)函數(shù)的一階極點在s平面
60、的縱軸上則稱該系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài),的二階及二階以上的極點在s平面的縱軸上則該系統(tǒng)不穩(wěn)定,系統(tǒng)若系統(tǒng)函數(shù)的極點都在s平面的右半平面則該系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。</p><p> 連續(xù)系統(tǒng)若系統(tǒng)函數(shù):</p><p><b> 程序</b></p><p><b> clear all</b></p><p
61、> b=[1 3]; % 系統(tǒng)函數(shù)分子多項式系數(shù)</p><p> a=[1 4 4]; % 系統(tǒng)函數(shù)分母多項式系數(shù)</p><p> sys=tf(b,a); % 傳遞函數(shù) H(s)</p><p> pzmap(sys);
62、 % 繪制零極點圖</p><p> title('連續(xù)系統(tǒng)的零極點圖')</p><p> 圖3-8連續(xù)系統(tǒng)的零極點圖</p><p> 分析:因為系統(tǒng)的極點都在y軸的左半平面,所以該改系統(tǒng)是個穩(wěn)定的系統(tǒng)。</p><p><b> 3.4 結(jié)論</b></p>&
63、lt;p> 通過實驗可知用MATLAB得出的結(jié)果同計算的結(jié)果是相符合的。連續(xù)系統(tǒng)的零狀態(tài)響應、沖激響應和階躍響應可以用程序方便的描繪出來。在實驗過程中可以通過控制時間跨度以達到合適的結(jié)果。波形圖所表達的物理意義較明確,但在實驗中也遇到了一些問題。利用MATLAB可以求得連續(xù)、有限時域的零狀態(tài)響應、沖激響應和階躍響應得到系統(tǒng),我們可以利用該軟件容易地得到系統(tǒng)的響應,減少了繁瑣的計算。MATLAB是求連續(xù)、有限時域的零狀態(tài)響應、沖激
64、響應和階躍響應是非常有效的方法,我們可以通過它來顯示出自己想要的圖形,增強對某些信號或響應的物理解釋,MATLAB在信號與系統(tǒng)中的應用,也有利于我們對其他學科的認識與發(fā)展.這樣我們就可以把知識的貫通與應用。</p><p> 這次的課程設計讓我真的很難忘,經(jīng)過十天的努力,終于順利完成了課程設計。開始做課程設計不知道從何入手,對課程設計很不了解,困難很多,經(jīng)過查閱資料,和同學討論,終于了解了許多。在做課程設計的過
65、程中,我學會了很多,最主要的是我學會了簡單的運用MATLAB軟件,同時對信號這門課的知識又弄懂了不少,增加了對信號課程的學習興趣。課程設計是每個大學生必須面臨的一項綜合素質(zhì)的考驗,如果說在我們的學習階段是一個知識的積累過程,那么現(xiàn)在的課程設計就是對過去所學的知識的綜合應用,是對理論進行深化和重新認識的實踐活動。在這期間,我們有艱辛的付出,當然也有豐收的喜悅。首先,學習能力和解決問題的信心都得到了提高。通過這次課程設計,我不僅對理論有了更
66、深一步的認識,還培養(yǎng)了自學能力和解決問題的能力,更重要的是,培養(yǎng)了克服困難的勇氣和信心。其次,培養(yǎng)自己團隊合作的精神。</p><p><b> 致謝</b></p><p> 經(jīng)過這十天的努力,信號與系統(tǒng)的課程設計也接近了尾聲,回頭看看自己的設計,感觸頗深。信號與系統(tǒng)課程設計是通信工程專業(yè)的基礎教育課程中的重要組成部分,它是計算機和通信專業(yè)結(jié)合的理論基礎,在這做
67、課程設計的十天中,在這里我對為我們進行課程設計輔導的蘇博妮老師表示衷心的感謝,感謝她的耐心講解和幫助,以及同學們的幫助使我能夠完成此次信號與系統(tǒng)的課程設計——LTI連續(xù)系統(tǒng)的分析仿真,同時我也學到了很多知識,例如:MATLAB軟件的掌握和應用。再次感謝在課程設計過程中給予我?guī)椭凸膭畹睦蠋熀屯瑢W們,有了他們的幫助,才使我的課程設計順利的完成了,使我深深的感受到團結(jié)就是力量。</p><p><b>
68、參考文獻:</b></p><p> [1]吳大正.信號與線性系統(tǒng)分析(第四版).北京:高等教育出版社.2010</p><p> [2]劉衛(wèi)國.MATLAB程序設計教程(第二版).北京:中國水利水電出版社.2010</p><p> [3]梁虹,梁潔,陳躍斌.信號與線性系統(tǒng)分析及MATLAB實現(xiàn).北京:電子工業(yè)出版社.2002 </p>
69、;<p> [4]韓利竹,王華.MATLAB 電子仿真與應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.</p><p> [5] 陳懷,高西全.MATLAB 及在電子信息課程中的應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.</p><p> [6] 程英松,黃學海,MATLAB精講.西安:西安工業(yè)出版社,2006.2</p><p> [7] 蔣
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