《数字信号处理课程设计指导书》-通信11级

《数字信号处理课程设计》指导书光电信息与通信工程学院通信工程专业2013年12月2目录一、课程设计基本信息┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1二、课程设计目的与要求┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1三、选题与学时安排┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1四、课程设计时间安排与考核方法┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1五、课程设计内容┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄2设计题目1任务书┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄9设计题目2任务书┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄10设计题目3任务书┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄11设计题目4任务书┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄12设计题目5任务书┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄13设计题目6任务书┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14设计题目7任务书┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄15设计题目8任务书┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄16六、课程设计报告要求┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄17七、数字信号处理课程设计环节参考资料及网站┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄173一．课程设计基本信息1、课程性质：专业课，必修2、适用专业：通信工程3、课程设计学时/学分：1周（20学时）/1学分二．课程设计目的和要求1、目的：本课程设计是为了配合数字信号处理的理论教学、加强实践环节而开设的。其目的在于通过综合运用数字信号处理的理论知识完成频谱分析以及滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，并利用MATLAB编程工具进行计算机实现，从而巩固数字信号处理的理论知识，培养学生解决实际问题的能力，提高学生对所学知识的综合应用能力，并从实践上初步实现对数字信号的处理，完成数字信号处理应用设计。通过课程设计，主要达到以下目的：⑴使学生增进对MATLAB的认识，加深对数字信号处理理论的理解。⑵使学生掌握数字信号处理中频谱分析的概念及方法。⑶使学生掌握数字信号处理中IIR和FIR滤波器的设计。⑷使学生了解并掌握用MATLAB实现IIR和FIR滤波器的设计方法、过程。2、要求：根据所学知识独立完成基本设计任务，对于创新设计可以不受大纲限制，经老师审核同意并在条件允许的情况下，可以自行命题。本课程设计以实验室实验为主，采取较为灵活的教学方式，大部分时间由学生自己操作，必要时配合少量的理论讲授。主要采用MATLAB软件加以实现。三．选题与学时安排1、选题：本课程设计共安排8个设计题目。每班4～5人为1组，1人1套设备，每组选作不同的题目，题目选定并由指导教师批准后，即可开始设计。4个班共分4个批次。2、学时安排：整个课程设计为期一周，共20学时，具体学时安排如下：4学时学习设计题目相关知识，查阅资料，掌握实现的原理；4学时用MATLAB语言编成实现题目要求；4学时软件调试；4学时进一步完善功能，现场检查、答辩；4学时完成课程设计报告。四．课程设计时间安排与考核方法1、时间安排：4第1天：老师布置设计任务，讲解设计要求，提示设计要点。第2天：查阅资料（在图书馆或上网），弄清题目要求，提出解决方案。第3～4天：根据题目要求，编写程序并调试程序。第5天：撰写设计报告。2、考核方法：以出勤率和上机率、程序调试过程与结果和设计报告三部分综合评定课程设计成绩。三部分所占比例分别是：出勤率和上机率占20%，程序调试过程与结果占50%，课程设计报告占30%。⑴要求设计的程序和波形、设计报告必须独立完成，并鼓励创新。⑵设计报告交打印件，内容必须齐全、完整、工整。属于下述情形之一的，课程设计按不及格论处：⑴课程设计报告雷同的；⑵凡是没有请假就不参加设计的；⑶不参加开题的，不按规定答辩的，未按时完成设计报告的。五．课程设计内容1、课程设计题目总表（1）线性卷积与圆周卷积演示程序的设计（线性移不变离散时间系统的求解）（2）奈奎斯特采样定理岩石程序的设计（时域采样频域周期延拓）（3）频域采样定理演示程序的设计（频域采样时域周期延拓）（4）模拟滤波器设计演示程序的设计（从ALPF到AHPF、ABPF、ABSF幅度特性对比演示）（5）B型数字低通滤波器的设计（使用冲击响应不变法设计）（6）C型（I）数字低通滤波器的设计（使用双线性变换法设计）（7）基于窗函数设计法线性相位型FIR数字低通滤波器设计（8）基于频率抽样设计法线性相位型FIR数字低通滤波器设计2、设计题目要求细则（1）线性卷积与圆周卷积演示程序的设计（线性移不变离散时间系统的求解）目的：①熟练掌握MATLAB工具软件在工程设计中的使用；5②熟练掌握线性卷积与圆周卷积的关系及LSI离散时间系统系统响应的求解方法。要求：①动态演示线性卷积的完整过程；②动态演示圆周卷积的完整过程；③对比分析线性卷积与圆周卷积的结果。步骤：①可输入任意2待卷积序列x1(n)、x2(n)，长度不做限定。测试数据为：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}；②分别动态演示两序列进行线性卷积x1(n)﹡x2(n)和圆周卷积x1(n)⊙x2(n)的过程；要求分别动态演示翻转、移位、乘积、求和的过程；③圆周卷积默认使用2序列中的最大长度，但卷积前可以指定卷积长度N用以进行混叠分析；④根据实验结果分析两类卷积的关系。⑤假定时域序列x1(n)、x2(n)的长度不小于10000，序列内容自定义。利用FFT实现快速卷积，验证时域卷积定理，并与直接卷积进行效率对比。（2）奈奎斯特采样定理演示程序的设计（时域采样频域周期延拓）目的：①熟练掌握MATLAB工具软件在工程设计中的使用；②熟练掌握奈奎斯特采样定理在数字信号处理中的重要意义。要求：①动态演示时域采样与频域周期延拓现象；②说明频域混叠现象与抗混叠滤波器设置的必要性。步骤：①假设频域归一化三角波的频带宽度fc=100Hz，对应的时域信号为：y(t)=fc[sinc(fct/4)]2/2；②要求输入采样频率fs（根据程序处理需要指定范围）后，在时域演示信号波形、采样脉冲及采样后信号；在频域演示对应的信号频谱、采样脉冲及频域周期拓延；③追加一高频干扰信号，经抗混叠滤波器后，再行采样，说明抗混叠滤波器的作用。注：sinc(x)=sin(πx)/(πx)。（3）频域采样定理演示程序的设计（频域采样时域周期延拓）目的：①熟练掌握MATLAB工具软件在工程设计中的使用；②熟练掌握频域采样定理在数字信号处理中的重要意义。要求：①动态演示频域采样与时域周期延拓现象；②动态演示频域采样与时域周期延拓序列主值区域的关系；6③说明频域采样点数M不小于时域序列长度N的必要性。步骤：①产生一时域序列信号，长度为N；对其频谱进行采样，取得M个频谱抽样值；②动态演示通过M个频谱抽样值恢复时域序列的过程（M根据程序处理需要指定范围），在频域演示原信号频谱及其抽样值信号；在动态演示时域原始序列及由频谱抽样值恢复的周期延拓时域序列。③动态演示频域采样与时域周期延拓序列主值区域的关系；④分析说明M大于等于N的必要性。（4）模拟滤波器设计演示程序的设计（从ALPF到AHPF、ABPF、ABSF幅度特性对比演示）目的：①熟悉和巩固模拟滤波器的设计方法和原理②熟练掌握MATLAB工具软件在工程设计中的使用；③熟练掌握模拟滤波器的设计过程及由ALPF到各型模拟滤波器的幅频特性对比。要求：①设定ALPF幅频特性指标，设计出ALPF；②动态演示由ALPF到模拟各型滤波器的幅频特性；③简要说明采用冲击响应不变法对AHPF和ABSF数字化时保护滤波器的作用。步骤：①设计过程详见教材相关内容；②使用巴特沃斯滤波器，其阶数N应该根据实际参数计算（计算公式和方法如教材所述），为方便作图，这里指定阶数为N=5，并假定通带截止频率ωp=1rad，阻带截止频率ωs=2rad，；③分别用不同颜色曲线绘制通带、过渡带和阻带。要求根据变换关系动态演示低通滤波器和目标滤波器的幅度特性。④简要说明采用冲击响应不变法对AHPF和ABSF数字化时保护滤波器的作用。（5）B型数字低通滤波器的设计（使用冲击响应不变法设计）目的：①掌握B型模拟滤波器设计原理与方法；②熟练掌握MATLAB工具软件在工程设计中的使用；③熟练掌握B型模拟滤波器的数字化设计过程。要求：①设定ALPF幅频特性指标，设计出ALPF及对应的DLPF；②对比分析ALPF与DLPF幅频特性是否一致；③产生一有干扰频率的时域序列（借助FFT分析说明其有干扰），使之通过所设计的DLPF，对滤波输出结果作出分析，说明输出结果。步骤：①根据给定设计指标（通带截止频率fp=100Hz，通带最大衰减αp=2dB，阻带截止频率7fs=120Hz，阻带最小衰减αs=60dB）设计B型模拟滤波器；②根据冲击响应不变法设计与之相应的DLPF；③给出所设计滤波器的幅度及幅度衰减特性并分析是否满足设计需要；④产生一有干扰频率的时域序列（借助FFT分析说明其有干扰），使之通过所设计的DLPF，对滤波输出结果作出分析，说明输出结果；⑤扩展部分：自拟指标，设计一个DBPF，并检验设计效果。（6）C型（I）数字低通滤波器的设计（使用双线性变换法设计）目的：①掌握C型模拟滤波器设计原理与方法；②熟练掌握MATLAB工具软件在工程设计中的使用；③熟练掌握C型模拟滤波器的数字化设计过程。要求：①设定ALPF幅频特性指标，设计出ALPF及对应的DLPF；②对比分析ALPF与DLPF幅频特性是否一致；③产生一有干扰频率的时域序列（借助FFT分析说明其有干扰），使之通过所设计的DLPF，对滤波输出结果作出分析，说明输出结果。步骤：①根据给定设计指标（通带截止频率ωp=0.4π，通带最大衰减αp=0.5dB，阻带截止频率ωs=0.6π，阻带最小衰减αs=50dB，令T=2）设计B型模拟滤波器；②根据双线性变换法设计与之相应的DLPF；③给出所设计滤波器的幅度及幅度衰减特性并分析是否满足设计需要；④产生一有干扰频率的时域序列（借助FFT分析说明其有干扰），使之通过所设计的DLPF，对滤波输出结果作出分析，说明输出结果。⑤扩展部分：自拟指标，设计一个DBPF，并检验设计效果。（7）基于窗函数设计法线性相位型FIR数字低通滤波器设计目的：①熟练掌握MATLAB工具软件在工程设计中的使用；②熟练掌握窗函数法设计线性相位型FIR滤波器的方法。要求：①根据给定ALPF幅频特性指标，生成与之相对应的模拟滤波器h(t)；②根据h(t)取得与之想对应的数字滤波器冲击响应函数h(n)；③选择适当的窗函数，构建线性相位型FIR的冲击响应函数hd(n)；④设计与之相对应的DLPF，对比分析DLPF幅频特性是否符合要求；⑤产生一有干扰频率的时域序列（借助FFT分析说明其有干扰），使之通过所设计的DLPF，对滤波输出结果作出分析，说明输出结果。8步骤：①根据给定设计指标（通带截止频率fb＝1000Hz，通带最大衰减αp=1dB，阻带截止频率fc＝1200Hz，阻带最小衰减αs=100dB，令T=2）生成与之相对应的模拟滤波器h(t)；②根据h(t)取得与之想对应的数字滤波器冲击响应函数h(n)；③选择适当的窗函数，构建线性相位型FIR的冲击响应函数hd(n)；④设计与之相对应的DLPF，给出窗函数及所设计滤波器的幅度特性，并对比理想冲激响应和实际冲击响应，对比分析DLPF幅频特性是否符合要求；⑤试说明不同窗函数对所设计数字滤波器性能的影响；⑥产生一有干扰频率的时域序列（借助FFT分析说明其有干扰），使之通过所设计的DLPF，对滤波输出结果作出分析，说明输出结果。（8）基于频率抽样设计法线性相位型FIR数字低通滤波器设计目的：①熟练掌握MATLAB工具软件在工程设计中的使用；②熟练掌握频率抽样法设计