Matlab环境下采样定理的验证

学号11700105天津城建大学数字信号处理设计说明书Matlab环境下采样定理的验证起止日期：2013年12月23日至2014年1月3日学生姓名仍然让人班级电信1班成绩指导教师(签字)计算机与信息工程学院2014年1月3日天津城建大学课程设计任务书2012—2013学年第1学期计算机与信息工程学院电子信息工程专业11电信1班班级课程设计名称：数字信号处理设计题目：Matlab环境下采样定理的验证完成期限：自2014年12月23日至2014年1月3日共2周设计依据、要求及主要内容：一．课程设计依据时域采样定理和频域采样定理是数字信号处理中的重要理论，在掌握采样定理内容及原理的基础上，编写Matlab程序验证采样定理。二．课程设计内容1.连续信号00()sin()(),100,10,50*2*tftAetutA画出连续信号的时域波形及频谱特性曲线2.对信号进行采样得到采样序列，画出采样频率分别是200Hz，100Hz，60Hz时的采样序列波形；3.对不同采样频率下的采样序列进行频谱分析，绘制出幅频曲线，对比各频率下采样序列的幅频曲线有无区别；4.由采样序列恢复出连续信号，画时域波形，对比原连续时间信号波形；5.信号1,013()27,14260,nnxnnn其它，编写程序分别对()jXe=FT[x(n)]在02上等间隔采样32点和16点，得到3216()()XkXk和，再分别对3216()()XkXk和进行32点和16点IFFT得到3216()()xnxn和，分别画出()jXe，3216()()XkXk和的频谱图，并画出x(n),3216()()xnxn和的波形，进行对比。三．课程设计要求1.要求独立完成设计任务。2.课程设计说明书封面格式要求见《天津城市建设学院课程设计教学工作规范》附表13.课程设计的说明书要求简洁、通顺，计算正确，图纸表达内容完整、清楚、规范。4.运行程序，观察并保存程序运行结果，能够对运行结果进行结果分析。5.课设说明书要求：1)说明题目的设计原理和思路、采用方法及程序。2)详细说明调试方法和调试过程，并给程序加注释。3)给出程序运行结果，并对其进行说明和分析。指导教师（签字）：系/教研室主任（签字）：批准日期：2013年12月19日目录第1章数字信号处理介绍......................................................11.1背景知识...............................................................11.2MATLAB软件介绍........................................................1第2章设计目的及要求....................................................................................................................................22.1设计目的...............................................................22.2设计要求...............................................................2第3章设计原理..................................................................................................................................................33.1整体设计原理...........................................................33.2时域采样定理...........................................................33.2.1时域采样定理公式的推导...............................................33.2.2采样信号的恢复...................................................33.3频域采样定理...........................................................43.3.1频域采样定理公式的推导............................................4第4章设计过程的实现....................................................................................................................................54.1设计步骤...............................................................54.2设计步骤框图...........................................................5第5章设计结果及分析....................................................................................................................................65.1用MATLAB设计程序对应图形..............................................65.2设计分析...............................................................85.2.1时域采样定理的分析...............................................85.2.2频域采样定理的分析...............................................8总结...........................................................................................................................................................................9参考文献................................................................................................................................................................10附录.........................................................................................................................................................................111第1章数字信号处理介绍1.1背景知识数字信号处理是20世纪60年代，随着信息学科和计算机学科的高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科。它的重要性日益在各个领域的应用中表现出来。数字信号处理是把信号用数字或符号表示成序列，通过计算机或通用（专用）信号处理设备，用数字的数值计算方法处理（例如：滤波、变换、增强、估计、识别等），达到提取有用信息便于应用的目的。数字信号处理（DigitalSignalProcessing,简称DSP）是一门设计许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。DSP有两种含义：DigitalSignalProcessing（数字信号处理）、DigitalSignalProcessor（数字信号处理器）。我们常说的DSP指的是数字信号处理器。数字信号处理器是一种适合完成数字信号处理运算的处理器。广义来说，数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。但很多人认为：数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法。随着数字电路与系统技术以及计算机技术的发展，数字信号处理技术也相应地得到发展，其应用领域十分广泛。1.2MATLAB软件介绍MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。经过不断完善MATLAB已经发展成为适合多学科，多种工作平台的功能强大大大型软件。成为线性代数,自动控制理论，数理统计，数字信号处理，时间序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。MATLAB的语言特点：(1)语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。(2)运算符丰富。(3)MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。(4)程序限制不严格，程序设计自由度大。(5)MATLAB的图形功能强大。(6)MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。2第2章设计目的及要求2.1设计目的1理解并掌握序列的采样定理的条件，并进行验证；2学会运用MATLAB验证函数的采样定理；3学会运用MATLAB画出函数的幅频曲线；2.2设计要求1掌握利用MATLAB在数字信号处理中的基本应用，并会对结果用所学知识进行分析；2对连续信号进行采样，在满足采样定理和不满足采用定理两种情况下对连续信号和采样信号进行FFT频谱分析；3从采样信号中恢复原信号，对不同采样频率下的恢复信号进行比较分析。3第3章设计原理3.1整体设计原理利用Matlab对连续信号进行采样，对比采样频率max2ffs，max2ffs，max2ffs三种情况下的频谱，并与理想频谱进行分析，进而从实验上验证时域采样定理。由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。3.2时域采样定理模拟信号经过(A/D)变换转换为数字信号的过程称为采样，信号采样后其频谱产生了周期延拓，每隔一个采样频率fs，重复出现一次。为保证采样后信号的频谱形状不失真，采样频率必须大于信号中最高频率成分的两倍，这称之为采样定理。3.2.1时域采样定理公式的推导（1）对模拟信号)(txa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jX是原模拟信号频谱)(ajX以采样角频率s（Ts/2）为周期进行周期延拓。公式为：)](ˆ[)(ˆtxFTjXaa)(1nsajnjXT（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。理想采样信号)(ˆtxa和模拟信号)(txa之间的关系为naanTttxtx)()()(ˆ对上式进行傅立叶变换，得到：dtenTttxjXtjnaa])()([)(ˆdtenTttxtjna)()(＝在上式的积分号内只有当nTt时，才有非零值，因此：