數(shù)字信號(hào)處理上機(jī)指導(dǎo)

1、數(shù)字信號(hào)處理上機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書光電信息與通信工程學(xué)院電了信息工程專業(yè)北京信息科技大學(xué)2011年11月實(shí)驗(yàn)一離散傅里葉變換的性質(zhì)及應(yīng)用3實(shí)驗(yàn)二iir數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)5實(shí)驗(yàn)一 離散傅里葉變換的性質(zhì)及應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解dft的性質(zhì)及其應(yīng)用2. 熟悉matlab編程特點(diǎn)二、實(shí)驗(yàn)儀器及材料計(jì)算機(jī)，matlab軟件三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求1驗(yàn)證dft性質(zhì)。(1) 已知序列兀(力)=45() + 33(n 一 1) + 23(n 一 2) + /( 一 3)，計(jì)算序列的6點(diǎn) dft的幅度、相位、實(shí)部及虛部,并用圖形表示相應(yīng)的x(n),|x(k),angle x(k), rex(q)lmx(£)。(2)

2、 編程求解xep (/?)和兀少)，驗(yàn)證dftlms)卜 rex伙)dftxop(n)= jimx伙)* (3)對(duì)序列x(n)=46(ii)4-3(n-1) + 2s(n-2) +-3),自行設(shè)計(jì)程序驗(yàn)證dft時(shí)移及頻移性質(zhì)。2. 利用dft實(shí)現(xiàn)兩序列的卷積運(yùn)算，并研究dft點(diǎn)數(shù)與混疊的關(guān)系。(1) 已知兩序列x(n)=/i(n) = 2n = 0,l,2,3(2)用克接法(即用線性卷積的立義計(jì)算,結(jié)果，并以圖形方式農(nóng)示結(jié)果;n-1 y(n) = v x(m) x h(n _ m),見下式)計(jì)算線性卷積y(n)=x(n)*h(n)的0<n< n-¥ n2-2m=0(3)

3、利用dft計(jì)算圓周卷積；分別令圓周卷積的點(diǎn)數(shù)為l=8, 10, 12,以圖形方式 表示結(jié)果。(4) 對(duì)比直接法和岡周卷積法所得的結(jié)果。3. 利用dft進(jìn)行譜分析。(1)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行譜分析x(r) = cos(8 加)+ 2 cos(l 6加)+ 0.5 cos(20 加)請(qǐng)問信號(hào)x(r)的最高頻率是多少?(2) 假定抽樣頻率fs = 64hz ,編程實(shí)現(xiàn)記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為n=16,32,64三種情況下的譜分 析。分別應(yīng)出其郵度譜，討論三種情況幅度譜的區(qū)別？幅度譜與頻率分辨率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。四、思考題1. 在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1中都驗(yàn)證了什么dft性質(zhì)？2. 說明為什么在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2中l(wèi)=8, 10, 12時(shí)采用

4、fft法對(duì)兩序列計(jì)算圓周卷積的 結(jié)果不同？與線性卷積y(n)=x(n)*h(n)的結(jié)果關(guān)系如何？3. 說明為什么在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2中為n =16,32,64三種情況下的譜分析結(jié)果不同？周期信 號(hào)的譜分析的點(diǎn)數(shù)應(yīng)該如何選??？五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 列出本實(shí)驗(yàn)編寫的所有文件及各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線，加注必要的說明；2. 対實(shí)驗(yàn)結(jié)果作理論計(jì)算，解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果；3. 冋答思考題；4. 總結(jié)實(shí)驗(yàn)體會(huì)及實(shí)驗(yàn)中存在的問題。六、本實(shí)驗(yàn)所用的部分matlab函數(shù)abs(x):対復(fù)數(shù)取模(對(duì)實(shí)數(shù)収絕對(duì)值)。angle(x):対復(fù)數(shù)取相角。real(x):対復(fù)數(shù)取實(shí)部。imag(x):對(duì)復(fù)數(shù)取虛部。y=conv(xl,x2):將序

5、列xl(n)與序列x2(n)做線性卷積，結(jié)果賦給序列y(n)。y=fft(x,l):將序列門)做1點(diǎn)快速傅立葉變換，結(jié)果賦給序列y(n)oy=iffi(x,l):將序列x(n)做l點(diǎn)快速傅立葉反變換，結(jié)果賦給序列y(n)。stem(x,y):以x為橫坐標(biāo)，y為縱坐標(biāo)畫離散曲線。實(shí)驗(yàn)二iir數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉iir數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理與方法。2、掌握數(shù)字濾波器的計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)方法。3、通過觀察對(duì)實(shí)際心電圖信號(hào)的濾波作用，學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器在實(shí)際中的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)儀器及材料計(jì)算機(jī)，matlab軟件三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求1. 設(shè)計(jì)巴特沃斯低通數(shù)字濾波器對(duì)人體心電信號(hào)進(jìn)行濾波(1) 人體心電圖

6、信號(hào)在測(cè)量過程中會(huì)受到工業(yè)高頻干擾，所以必須經(jīng)過低通濾波處理, 才能作為判斷心臟功能的有用信息。以下為一個(gè)實(shí)際心電圖信號(hào)采樣序列x(n),其中存在 高頻干擾，采樣周期t=1秒。在實(shí)驗(yàn)中，以x(n)作為輸入序列，濾除其中干擾成分。x(n)=-4,-2,0,-4,-6,-4,-2,-4,-6,-6,-4,-4,-6,-6,-2,6,12,8,0,-16,-38,-60,-84,-90,-66,-32,-4,-2,-4,8 ,12,12,10,6,6,6,4,0,0,0,0,0,-2,-4,0,0,0,-2,-2,0,0,-2,-2,-2,-2,0對(duì)序列x(n)用fft做頻譜分析，生成x(n)的頻譜

7、圖。(2) 用沖激響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃斯低通iir數(shù)字濾波器h(z)o設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)為：在通帶內(nèi)頻率低于0.2兀時(shí)，最大衰減小于2db；在肌帶內(nèi)0.371,7i頻率區(qū)間上，最小衰減大于25db。寫出數(shù)字濾波器h的表達(dá)式，畫岀濾波器的幅頻響應(yīng)曲線|h(ejo) |。(3) 用所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)實(shí)際心電圖信號(hào)采樣序列x(n)進(jìn)行濾波處理，編寫程序，求 濾波厲的序列y(n),并分別畫出濾波前后的心電圖信號(hào)波形圖和頻譜圖。2. 用help查看內(nèi)部函數(shù)cheblord.m及chebyl.m, 了解調(diào)用格式。編程設(shè)計(jì)教材習(xí)題62,求模擬濾波器ha(s)的衣達(dá)式，畫出該模擬濾波器頻響。3模擬濾波器的數(shù)字化用

8、內(nèi)部函數(shù)impinvar及bilinear實(shí)現(xiàn)教材習(xí)題6-5,求數(shù)字濾波器h的衣達(dá)式。四、思考題1. 對(duì)比實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1屮濾波前后心電圖信號(hào)x(n), y(n),說明濾波器的作用。2. 雙線性變換與沖激不變法比較有何優(yōu)缺點(diǎn)？五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 列岀本實(shí)驗(yàn)編寫的所有文件及各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線，加注必耍的說明；2. 回答思考題；3. 總結(jié)實(shí)驗(yàn)體會(huì)及實(shí)驗(yàn)屮存在的問題。六、本實(shí)驗(yàn)所用的部分matlab函數(shù) l=length(x):求序列x長(zhǎng)度。 y=fft(x,l):將序列x(n)做l點(diǎn)快速傅立葉變換，結(jié)果賦給序列y(n)。 n,wn = buttord(wp,ws,rprs,0)：計(jì)算模擬 butterw

9、orth 濾波器的最小階次 n 和 截止頻率為wn。其中wp,ws為模擬角頻率，單位為rad/s, rp,rs的單位為db。 b,a = butter(n,wn,9j：設(shè)計(jì)模擬截止頻率為 wn (rad/s)的口 階 butterworth 低通 濾波器，返冋值為模擬濾波器的系數(shù)。 n,wn = buttord(wp,ws,rp,rs):計(jì)算數(shù)字butterworth濾波器的最小階次n和截 止頻率為wn。其中wp,ws為數(shù)字角頻率/pi,例如數(shù)字角頻率為0.2pi,則賦值 時(shí)為0.2。rp,rs的單-位為db。 b,a = butter(n,wn)：設(shè)計(jì)數(shù)字截止頻率為wn的n階butterwo

10、rth低通濾波器， 返冋值為模擬濾波器的系數(shù)。 y=filter(b,a,x):將序列x(n)通過濾波器濾波后生成序列y(n),濾波器的分母多項(xiàng) 式系數(shù)構(gòu)成a向量，分子多項(xiàng)式系數(shù)構(gòu)成b向量。 bz,az = impinvar(b,a, fs)：沖激響應(yīng)不變法，返回值為數(shù)字濾波器的系數(shù)bz、az。 其中fs為抽樣頻率。 bz,az = bilinear(b,a,fs):雙線性變換，返冋值為數(shù)字濾波器的系數(shù)bz、az。其中 fs為抽樣頻率。 h w=freqz(b,a)：由數(shù)字濾波器濾波器分母多項(xiàng)式系數(shù)構(gòu)成的a向量和分子多項(xiàng) 式系數(shù)構(gòu)成的b向量求系統(tǒng)頻響。 h w=freqs(b,a)：由模擬濾波

11、器濾波器分母多項(xiàng)式系數(shù)構(gòu)成的a向量和分子多項(xiàng) 式系數(shù)構(gòu)成的b向量求系統(tǒng)頻響。實(shí)驗(yàn)三fir數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 熟悉線性相位fir數(shù)字濾波器特性。2. 掌握用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)fir數(shù)字濾波器的原理和方法，理解各種窗函數(shù)對(duì)濾波性能 的影響。3. 掌握用頻率抽樣法設(shè)計(jì)fir數(shù)字濾波器的原理和方法，理解過渡帶上抽樣點(diǎn)數(shù)對(duì) 濾波性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)儀器及材料計(jì)算機(jī)，matlab軟件三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法1. 學(xué)習(xí)firl例程，用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)fir數(shù)字濾波器1) 設(shè)計(jì)線性相位數(shù)字低通濾波器，要求通帶截止頻率fp=.5kh乙，阻帶截止頻率 fst = 2.5khz，通帶最大衰減ap = db ,阻帶最小衰減

12、as =40db 0設(shè)采樣頻率為 fs=okhzf要求濾波器階數(shù)盡量低。選取合適的窗函數(shù)編程設(shè)計(jì)，求濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n),并畫出幅頻特性和和頻 特性曲線。2) 設(shè)計(jì)線性相位數(shù)字帶阻濾波器，要求阻帶截止頻率costh = 0.65 , ®=0.35/r, 通帶截止頻率co 山=0.83龍，co pi = 0.17兀通帶最大衰減勺=db ,阻帶最小衰減 as =50db o選取合適的窗函數(shù)編程設(shè)計(jì)，求濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(n),并畫出幅頻特性和相頻 特性曲線。2. 學(xué)習(xí)fk2例程，用頻率抽樣法設(shè)計(jì)fir數(shù)字濾波器，指標(biāo)同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1。四、思考題1 .總結(jié)窗函數(shù)法屮窗兩數(shù)主耍參數(shù)對(duì)

13、濾波性能的影響。2.頻率抽樣法設(shè)計(jì)fir濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 列岀本實(shí)驗(yàn)編寫的所有文件及各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線，加注必耍的說明；2. 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作理論計(jì)算，解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果；3. 冋答思考題；4. 總結(jié)實(shí)驗(yàn)體會(huì)及實(shí)驗(yàn)中存在的問題。六、參考firl implements the classical method of windowed linear-phase fir digital filter design.b = firl(n,wn)b = firl(n,wn；ftype,)b = fir 1 (n,wn, window)b = firl (nvn/ftype*,window)firl例程% design a 48th-order fir bandpass filter with passband 0.35 w 3 w 0.65:b = firl(48,0.35 0.65);freqz(b,l,512)fir2例程% design a 30th-order lowpass filter and overplot the desired f requency response w