数字信号处理课程设计报告

数字信号处理课程设计报报告本科生课程设计报告课程名称数字信号处理课程设计指导教师赵亚湘学院信息科学与工程学院专业班级通信工程1301班姓名学号数字信号处理课程设计报报告目录摘要......................................................................1一、课程设计目的...........................................................2二、课程设计内容...........................................................2三、设计思想和系统功能分析.................................................33.2问题二的设计分析.......................................................43.3问题三的设计分析.......................................................53.4问题四的设计分析.......................................................63.5GUI的设计分析.........................................................7四、数据测试分析..........................................................84.1问题一数据测试分析.....................................................84.2问题二数据测试分析....................................................114.3问题三数据测试分析....................................................164.4问题四数据测试分析....................................................194.5GUI测试分析..........................................................27五、问题及解决方案.......................................................295.1设计过程.............................................................295.2遇到的具体问题........................................................30六、设计心得体会..........................................................31参考文献.................................................................32附录数字信号处理课程设计报报告1摘要通信工程专业的培养目标是具备通信技术的基本理论和应用技术，能从事电子、信息、通信等领域的工作。鉴于我校充分培养学生实践能力的办学宗旨，对本专业学生的培养要进行工程素质培养、拓宽专业口径、注重基础和发展潜力。特别是培养学生的创新能力，以实现技术为主线多进行实验技能的培养。通过《数字信号处理》课程设计这一重要环节，可以将本专业的主干课程《数字信号处理》从理论学习到实践应用，对数字信号处理技术有较深的了解，进一步增强学生动手能力和适应实际工作的能力。数字信号处理课程主要是采用计算机仿真软件，以数值计算的方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、估计与识别等加工处理，以达到提取信息便于使用的目的。数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。数字信号处理的核心算法是离散傅立叶变换(DFT)，是DFT使信号在数字域和频域都实现了离散化，从而可以用通用计算机处理离散信号。而使数字信号处理从理论走向实用的是快速傅立叶变换(FFT)，FFT的出现大大减少了DFT的运算量，使实时的数字信号处理成为可能、极大促进了该学科的发展。数字信号处理课程设计主要使用的仿真软件是MATLAB,MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户接口、连接其它编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。关键词：数字信号处理MATLAB课程设计DFT数字信号处理课程设计报报告2一、课程设计目的1．全面复习课程所学理论知识，巩固所学知识重点和难点，将理论与实践很好地结合起来；2．提高综合运用所学知识独立分析和解决问题的能力；3．熟练使用一种高级语言进行编程实现。二、课程设计内容课程设计选题组五：1.设一序列xn（）含有三种频率成分：1232,2.05,1.9,fkHzfkHzfkHz采样频率10sfkHz，分别取1264,128NN点数据作频谱特性分析，分别绘出xn（）、xn（）的64点DFT、64点xn（）补0到128点时的DFT、128点xn（）的DFT波形，比较说明在哪种情况下可以清楚地分别出信号的频率分量。2.三点平滑滤波器（FIR）的表达式为因此M点平滑滤波器的表达式可表示成101()()MkynxnkM令：247()cos()50Snn1()cos()10SnnS1是低频正弦信号，S2是高频正弦信号令12xnsnsn（）（）（）要求：（1）M=3时，写出平滑滤波器的单位脉冲响应h(n)（2）分别画出1()sn、2()sn、xn（）和M=3时的输出()yn的波形图。并分析平滑滤波器的特性。（3）改变M的值（如令M=5，7，11），画出它们对应的输出()yn。分析M的大小对滤波器的影响。（4）对于四个不同的M值，分别画出滤波器对应的幅频特性曲线。3.利用巴特沃斯滤波器原型设计一个数字带通滤波器，使其满足：12120.4,0.5,3dB0.2,0.7,30dBpppsssAA采用数字域频率变换法、双线性变换法。T＝1。(要求：应尽量避免使用现成的工具箱函数)1()(()(1)(2))3ynxnxnxn数字信号处理课程设计报报告34.倒频系统实现倒频是目前对讲机采用的一种语音保密技术。它是将信号的高频和低频进行交换，即将信号的高频部分搬到低频段，而将低频部分搬到高频段。倒频后的信号和原始信号具有相同的频带范围。由于原始语音信号的频率成分被置乱从而降低了可懂度，起到语音保密作用。在接受端采用同样的倒频器再将信号恢复。倒频系统的工作原理如图所示，设输入信号的最高角频率为m。图中HP是理想高通滤波器，其截止角频率为b，LP为理想低通滤波器，其截止角频率为m，根据倒频系统的原理框图，要求：（1）读入或录制一段语音信号（2）利用FFT分析语音信号频谱分布特性。（3）选择角频率b和m，设计相应的低通、高通滤波器，画出滤波器的幅频特性。（4）利用倒频系统对语音信号进行加密和解密，画出语音信号在加密前和加密后的时域和频域波形图，并通过语音回放验证加密和解密的效果。三、设计思想和系统功能分析3.1问题一的设计分析设计要求：因为f1=2Hz,f2=2.05Hz,f3=1.9Hz采样频率为fs=10Hz,所以构造余弦序列x(n)=cos(2nf1/fs)+cos(2nf2/fs)+cos(2nf3/fs)，该序列满足上述三个频率分量，分别取128,6421NN点数据作频谱特性分析，分别绘出x(n),x(n)的64点DFT、64点x(n)补0到128点时的DFT、128点x(n)的DFT波形。设计原理：1.设x(n)是一个长度为M的有限长序列，则定义x(n)的N点离散傅里叶变换为：10()[()](),k=0,1,&,N-1(3.1.1)NknNnXkDFTxnxnW数字信号处理课程设计报报告42.DFT是信号分析与处理中的一种重要变换。因直接计算DFT的计算量与变换区间长度N的平方成正比，当N较大时，计算量太大，所以行谱分析和信号的实时处理采用快速傅里叶变换(简称FFT)。/21/211/22/21200()()()()()NNkrkkrkNNNNrrXkxrWWxrWXkWXk3.进行MATLAB仿真时采用函数Y=fft(y,N)可以对离散序列进行N点DFT变换，将时域上的信号变换到频域，进行归一化得到频谱特性。4.N点DFT是在频率区间[0,2]对时域离散信号的频谱进行N点等间隔采样，而采样点之间的频谱时看不到的。就好像从N个栅栏缝隙中观察信号的频谱情况，仅得到N个缝隙中看到的频谱函数值。因此称这种现象为栅栏效应。由于栅栏效应，有可能漏掉大的频谱分量，为了把原来被“栅栏”挡住的频谱分量检测出来，对于有限长序列，可以在原序列尾部补零；对于无限长序列，可以增大截取长度及DFT的变换空间，从而使频率的采样间隔变小，增加频域采样点数和采样点位置，使原来漏掉的某些频谱分来那个被检测出来。3.2问题二的设计分析设计要求：M点平滑滤波器：101()()MkynxnkM12xnsnsn（）（）（）绘制1()sn、2()sn、xn（）和M=3时的输出()yn的波形图，并分析平滑滤波器的特性。改变M的值（如令M=5，7，11），画出它们对应的输出()yn，分析M的大小对滤波器的影响，对于四个不同的M值，分别画出滤波器对应的幅频特性曲线。设计原理：1.三点平滑滤波器是一个线性时不变的有限冲激响应系统，将输出延时一个抽样周期，可得到三点平滑滤波器的因果表达式，生成的滤波器表示为：1()(()(1)(2))3ynxnxnxn归纳上式可得101()()MkynxnkM此式表示了一个因果M点平滑FIR滤波器。数字信号处理课程设计报报告52.对线性离散时间系统，若y1(n)和y2(n)分别是输入序列x1(n)和x2(n)的响应，则输入)(2)(1)(nxnxnx的输出响应为)(2)(1)(nynyny，则系统称为线性系统。3.对于离散时不变系统，若y1(n)是x1(n)的响应，则输入x(n)=x1(n-n0)的输出响应为y(n)=y1(n-n0)，则称系统为时不变系统。4.运用函数y=filter(A,B,X)计算输入信号x的滤波输出，其中B,A分别表示为滤波器传递函数的分子和分母系数向量（按降幂排列）。Y=filter(B,A,X)，输入X为滤波前序列，Y为滤波结果序列，B/A提供滤波器系数，B为分子，A为分母整个滤波过程是通过下面差分方程实现的：na)-y(n1)+a(na-……-1)-y(na(2)-nb)-x(n1)+b(nb++1)-x(nb(2)+x(n)b(1)=y(n)a(1)利用filter函数构造M点平滑滤波器。5.进行MATLAB仿真时采用函数Y=fft(y,N)可以对离散序列进行N点DFT变换，利用MATLAB离散傅里叶变换函数对序列进行频谱变换，将时域上的信号变换到频域，进行归一化得到频谱特性。通过MATLAB频谱波形图分