数字信号处理上机作业

数字信号处理上机作业学院：电子工程学院班级：021215组员：实验一：信号、系统及系统响应1、实验目的(1)熟悉连续信号经理想采样前后的频谱变化关系，加深对时域采样定理的理解。(2)熟悉时域离散系统的时域特性。(3)利用卷积方法观察分析系统的时域特性。(4)掌握序列傅里叶变换的计算机实现方法，利用序列的傅里叶变换对连续信号、离散信号及系统响应进行频域分析。2、实验原理与方法(1)时域采样。(2)LTI系统的输入输出关系。3、实验内容及步骤(1)认真复习采样理论、离散信号与系统、线性卷积、序列的傅里叶变换及性质等有关内容，阅读本实验原理与方法。(2)编制实验用主程序及相应子程序。①信号产生子程序，用于产生实验中要用到的下列信号序列：a.xa(t)=A*e^-at*sin(Ω0t)u(t)b.单位脉冲序列：xb(n)=δ(n)c.矩形序列：xc(n)=RN(n),N=10②系统单位脉冲响应序列产生子程序。本实验要用到两种FIR系统。a.ha(n)=R10(n);b.hb(n)=δ(n)+2.5δ(n-1)+2.5δ(n-2)+δ(n-3)③有限长序列线性卷积子程序用于完成两个给定长度的序列的卷积。可以直接调用MATLAB语言中的卷积函数conv。conv用于两个有限长度序列的卷积，它假定两个序列都从n=0开始。调用格式如下：y=conv(x,h)4、实验结果分析①分析采样序列的特性。a.取采样频率fs=1kHz,，即T=1ms。b.改变采样频率，fs=300Hz，观察|X(e^jω)|的变化，并做记录(打印曲线)；进一步降低采样频率，fs=200Hz，观察频谱混叠是否明显存在，说明原因，并记录(打印)这时的|X(e^jω)|曲线。程序代码如下：closeall;clearall;clc;A=50;a=50*sqrt(2)*pi;m=50*sqrt(2)*pi;fs1=1000;fs2=300;fs3=200;T1=1/fs1;T2=1/fs2;T3=1/fs3;N=100;n=[0:N-1];x1=A*exp(-a*n*T1).*sin(m*n*T1);x2=A*exp(-a*n*T2).*sin(m*n*T2);x3=A*exp(-a*n*T3).*sin(m*n*T3);w=linspace(-pi,pi,10000);X1=x1*exp(-j*n'*w);X2=x2*exp(-j*n'*w);X3=x3*exp(-j*n'*w);figure(1)subplot(1,3,1)plot(w/pi,abs(X1));xlabel('\omega/π');ylabel('|H(e^j^\omega)|')title('采样频率为1000Hz时的频谱图');subplot(1,3,2)plot(w/pi,abs(X2));xlabel('\omega/π');ylabel('|H(e^j^\omega)|')title('采样频率为300Hz时的频谱图');subplot(1,3,3)plot(w/pi,abs(X3));xlabel('\omega/π');ylabel('|H(e^j^\omega)|')title('采样频率为200Hz时的频谱图');②时域离散信号、系统和系统响应分析。a.观察信号xb(n)和系统hb(n)的时域和频域特性；利用线性卷积求信号xb(n)通过系统hb(n)的响应y(n)，比较所求响应y(n)和hb(n)的时域及频域特性，注意它们之间有无差别，绘图说明，并用所学理论解释所得结果。b.观察系统ha(n)对信号xc(n)的响应特性。程序代码如下：closeall;clearall;clc;xbn=[1];xcn=ones(1,10);han=ones(1,10);hbn=[1,2.5,2.5,1];yn=conv(xbn,hbn);n1=0:length(xbn)-1;n2=0:length(hbn)-1;subplot(2,1,1);stem(n1,xbn,'.')xlabel('n');ylabel('xb(n)')title('xb(n)的时域特性曲线')subplot(2,1,2);stem(n2,hbn,'.')xlabel('n');ylabel('hb(n)')title('hb(n)的时域特性曲线')figure(2)subplot(2,1,1);n1=[0:length(xbn)-1];w=linspace(-pi,pi,10000);Xbn=xbn*exp(-j*n1'*w);subplot(2,1,1);plot(w/pi,abs(Xbn));xlabel('\omega/π');ylabel('幅度')title('DTFT[xb[n]的频谱');n2=[0:length(hbn)-1];w=linspace(-pi,pi,10000);Hb=hbn*exp(-j*n2'*w);subplot(2,1,2);plot(w/pi,abs(Hb));xlabel('\omega/π');ylabel('幅度')title('DTFT[hb(n)]的频谱');figure(3)n1=0:length(yn)-1;n2=0:length(hbn)-1;subplot(2,1,1);stem(n1,yn,'.')xlabel('n');ylabel('y(n)')title('y(n)的时域特性曲线')subplot(2,1,2);stem(n2,hbn,'.')xlabel('n');ylabel('hb(n)')title('hb(n)的时域特性曲线')figure(4)subplot(2,1,1);n1=[0:length(yn)-1];w=linspace(-pi,pi,10000);Y=yn*exp(-j*n1'*w);subplot(2,1,1);plot(w/pi,abs(Y));xlabel('\omega/π');ylabel('幅度')title('DTFT[y(n)]的频谱');n2=[0:length(hbn)-1];w=linspace(-pi,pi,10000);Hb=hbn*exp(-j*n2'*w);subplot(2,1,2);plot(w/pi,abs(Hb));xlabel('\omega/π');ylabel('幅度')title('DTFT[hb(n)]的频谱');zn=conv(xcn,han);%以下为%系统ha(n)对信号xc(n)的频率响应特性的分析figure(5)n3=[0:length(zn)-1];w=linspace(-pi,pi,10000);Z=zn*exp(-j*n3'*w);subplot(2,1,1);plot(w/pi,abs(Z));xlabel('\omega/π');ylabel('幅度')title('DTFT[zn]的幅度谱');subplot(2,1,2);plot(w/pi,angle(Z));xlabel('\omega/π');ylabel('相位')title('DTFT[zn]的相位谱');图一：xb(n)与hb(n)时域曲线的对比图二：xb(n)与hb(n)频谱函数的对比图三：y(n)与hb(n)时域曲线的对比图四：y(n)与hb(n)频谱函数的对比图五：系统ha(n)对信号xc(n)的频率响应特性的分析包含z(n)幅度谱和相位谱③卷积定理的验证。（如下程序中Y1为直接线性卷积所得结果做DTFT，Y2为各自的DTFT相乘后所得的结果）程序代码如下：closeall;clearall;clc;x1=[1,3,4,0,2];x2=[3,2,0,0,1,5];n1=0:length(x1)-1;n2=0:length(x2)-1;y1=conv(x1,x2);m1=0:length(y1)-1;w=linspace(-pi,pi,10000);X1=x1*exp(-j*n1'*w);X2=x2*exp(-j*n2'*w);Y1=y1*exp(-j*m1'*w);Y2=X1.*X2;subplot(2,1,1);plot(w/pi,abs(Y1));xlabel('\omega/π');ylabel('幅度')title('DTFT[y1(n)]的特性曲线');subplot(2,1,2);plot(w/pi,abs(Y2));xlabel('\omega/π');ylabel('幅度')title('DTFT[y2(n)]的特性曲线');5、思考题(1)在分析理想采样序列特性的实验中，采样频率不同时，相应理想采样序列的傅里叶变换频谱的数字频率度量是否都相同？它们所对应的模拟频率是否相同？为什么？答：数字频率度量不相同，但他们所对应的模拟频率相同。由w=Ω*Ts得，采样间隔变化时模拟频率对应的数字频率会有相应的变化，故其度量会有所变化。(2)在卷积定理验证的实验中，如果选用不同的频域采样点数M值，例如，选M=10和M=20，分别做序列的傅里叶变换，求得的结果有无差异？答：有差别。DFT相当于序列频谱的等间隔采样，当取点少时，DFT包含序列频谱的信息会少，与序列频谱的误差会增大。取点多时，DFT会反映更多的频谱信息，误差会小，减轻了栅栏效应。二者因为误差而有差别。实验二：用FFT作谱分析1、实验目的(1)进一步加深DFT算法原理和基本性质的理解(因为FFT只是DFT的一种快速算法，所以FFT的运算结果必然满足DFT的基本性质)。(2)熟悉FFT算法原理和FFT子程序的应用。(3)学习用FFT对连续信号和时域离散信号进行谱分析的方法，了解可能出现的分析误差及其原因，以便在实际中正确应用FFT。2、实验步骤(1)复习DFT的定义、性质和用DFT作谱分析的有关内容。(2)复习FFT算法原理与编程思想，并对照DIT-FFT运算流图和程序框图，读懂本实验提供的FFT子程序。(3)编制信号产生子程序，产生以下典型信号供谱分析用：(4)编写主程序。(5)按实验内容要求，上机实验，并写出实验报告。3、实验内容(1)对2中所给出的信号逐个进行谱分析。程序代码如下：closeall;clearall;clc;N=32;n=0:999;x1n=ones(1,4);x2n=[1,2,3,4,4,3,2,1];x3n=[4,3,2,1,1,2,3,4];x4n=cos(0.25*pi*n);x5n=sin(0.125*pi*n);x6n=cos(8*pi*n)+cos(16*pi*n)+cos(20*pi*n);X1=fft(x1n,N);X2=fft(x2n,N);X3=fft(x3n,N);X4=fft(x4n,N);X5=fft(x5n,N);X6=fft(x6n,N);k=0:N-1;figure(1)stem(k,abs(X1));xlabel('k');ylabel('|X1(k)|');title('DFT(x1n)的幅频特性图');figure(2)stem(k,abs(X2));xlabel('k');ylabel('|X2(k)|');title('DFT(x2n)的幅频特性图');figure(3)stem(k,abs(X3));xlabel('k');ylabel('|X3(k)|');title('DFT(x3n)的幅频特性图');figure(4)stem(k,abs(X4));xlabel('k');ylabel('|X4(k)|');title('DFT(x4n)的幅频特性图');figure(5)stem(k,abs(X5));xlabel('k');ylabel('|X5(k)|');title('DFT(x5n)的幅频特性图');figure(6)stem(k,abs(X6));xlabel('k');ylabel('|X6(k)|');title('DFT(x6n)的幅频特性图');实验结果如下：x1n到x6n的32点DFT幅频特性图(2)令x(n)=x4(n)+x5(n