实验2信号的时域采样与频域采样

实验2信号的时域采样与频域采样1．实验目的时域采样理论与频域采样理论是数字信号处理中的重要理论。要求掌握模拟信号采样前后频谱的变化，以及如何选择采样频率才能使采样后的信号不丢失信息；要求掌握频率域采样会引起时域周期化的概念，以及频率域采样定理及其对频域采样点数选择的指导作用。2．实验原理与方法（1）时域采样定理的要点①对模拟信号()axt以间隔T进行时域等间隔理想采样，形成的采样信号的频谱ˆ()aXj是原模拟信号频谱()Xj以采样角频率s（2sT）为周期进行周期延拓。公式为1ˆˆ()FT()()TaaasnXjxtXjjn②采样频率s必须大于等于模拟信号最高频率的两倍以上，才能使采样信号的频谱不产生频谱混叠。利用计算机计算上式并不方便，下面我们导出另外一个公式，以便用计算机上进行实验。理想采样信号ˆ()axt和模拟信号()axt之间的关系为ˆ()()()aanxtxttnT对上式进行傅立叶变换，得到：ˆ()()()djtaanXjxttnTet-()()djtanxttnTet在上式的积分号内只有当tnT时，才有非零值，因此：ˆ()()jnTaanXjxnTe上式中，在数值上()()axnTxn，再将T代入，得到：ˆ()()jnanXjxne上式的右边就是序列的傅立叶变换()jXe，即ˆ()()jaTXjXe上式说明理想采样信号的傅立叶变换可用相应的采样序列的傅立叶变换得到，只要将自变量用T代替即可。（2）频域采样定理的要点①对信号()xn的频谱函数()jXe在0,2上等间隔采样N点，得到2()()0,1,2,,1jNkNXkXekN则N点IDFT()NXk得到的序列就是原序列()xn以N为周期进行周期延拓后的主值区序列，公式为：()IDFT()()()NNNNixnXkxniNRn②由上式可知，频域采样点数N必须大于等于时域离散信号的长度M（即NM），才能使时域不产生混叠，则N点IDFT()NXk得到的序列()Nxn就是原序列()xn，即()()Nxnxn。如果NM，()Nxn比原序列尾部多NM个零点；如果NM，则(n)=IDFT()NNxXk发生了时域混叠失真，而且()Nxn的长度N也比()xn的长度M短，因此，()Nxn与()xn不相同。在数字信号处理的应用中，只要涉及时域或者频域采样，都必须服从这两个采样理论的要点。对比上面叙述的时域采样原理和频域采样原理，得到一个有用的结论：这两个采样理论具有对偶性：“时域采样频谱周期延拓，频域采样时域信号周期延拓”。因此放在一起进行实验。3．实验内容及步骤（1）时域采样理论的验证010020030040050000.20.40.60.81f/Hz|Xa(jf)|图10.2.1()axt的幅频特性曲线给定模拟信号0()sin()()taxtAetut式中444.128A，502，0502rads，它的幅频特性曲线如图10.2.1所示。现用DFT（FFT）求该模拟信号的幅频特性，以验证时域采样理论。安照()axt的幅频特性曲线，选取三种采样频率，即1kHz,300Hz200HzsF，。观测时间选64pTms。为使用DFT，首先用下面公式产生时域离散信号，对三种采样频率，采样序列按顺序用1()xn，2()xn，3()xn表示。0()()sin()()nTaxnxnTAenTunT因为采样频率不同，得到的1()xn、2()xn、3()xn的长度不同，长度（点数）用公式psNTF计算。选FFT的变换点数为M=64，序列长度不够64的尾部加零。()FFT()0,1,2,3,,1XkxnkM式中，k代表的频率为2kkM要求：编写实验程序，计算1()xn、2()xn和3()xn的幅度特性，并绘图显示。观察分析频谱混叠失真。（2）频域采样理论的验证给定信号如下：1013()2714260nnxnnnelse编写程序分别对频谱函数()FT()jXexn在区间0,2上等间隔采样32点和16点，得到32()Xk和16()Xk：23232()()0,1,2,31jkXkXek21616()()0,1,2,15jkXkXek再分别对32()Xk和16()Xk进行32点和16点IFFT，得到32()xn和16()xn：323232()IFFT()0,1,2,31xnXkn161616()IFFT()0,1,2,15xnXkn分别画出()jXe、32()Xk和16()Xk的幅度谱，并绘图显示()xn、32()xn和16()xn的波形，进行对比和分析，验证总结频域采样理论。提示：频域采样用以下方法容易变程序实现。①直接调用MATLAB函数fft计算3232()FFT()Xkxn就得到()jXe在0,2的32点频率域采样32()Xk。②抽取32()Xk的偶数点即可得到()jXe在0,2的16点频率域采样16()Xk，即1632()(2),0,1,2,,15XkXkk。③当然也可以按照频域采样理论，先将信号()xn以16为周期进行周期延拓，取其主值区（16点），再对其进行16点DFT（FFT），得到的就是()jXe在0,2上的16点频率域采样16()Xk。4．思考题如果序列()xn的长度为M，希望得到其频谱()jXe在0,2上的N点等间隔采样，当NM时，如何用一次最少点数的DFT得到该频谱采样？5．实验报告要求（1）运行程序，打印要求显示的图形。（2）分析比较实验结果，简述由实验得到的主要结论。（3）简要回答思考题。（4）附上程序清单和有关曲线。