丹陽(yáng)信號(hào)分析與處理實(shí)踐實(shí)習(xí)報(bào)告

吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院CollegeofInstrumentation&ElectricalEngineering,JilinUniversity吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院CollegeofInstrumentation&ElectricalEngineering,JilinUniversity信號(hào)分析與處理實(shí)踐實(shí)習(xí)報(bào)告姓名王丹陽(yáng)班級(jí)一班學(xué)號(hào)65120120專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器指導(dǎo)教師田寶鳳信號(hào)分析與處理實(shí)踐實(shí)習(xí)報(bào)告學(xué)生姓名王丹陽(yáng)所在專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)學(xué)號(hào)65120120實(shí)習(xí)時(shí)間6.30~7.9指導(dǎo)教師田寶鳳實(shí)習(xí)地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)樓444（一）實(shí)習(xí)目的1、加深對(duì)信號(hào)系統(tǒng)與信號(hào)處理理論的理解，學(xué)會(huì)信號(hào)處理的基本知識(shí)和方法，并在基本技能方面得到系統(tǒng)訓(xùn)練；2、熟悉MATLAB編程環(huán)境，掌握MATLAB編程基本技能，以及程序調(diào)試仿真方法，能夠采用MATLAB語(yǔ)言和工具進(jìn)行信號(hào)處理；3、掌握現(xiàn)代信號(hào)分析與處理技術(shù)，包括信號(hào)頻譜分析和數(shù)字濾波器（FIR、IIR）設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)功能檢測(cè)的基本方法；4、將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的動(dòng)手能力，為信號(hào)系統(tǒng)與信號(hào)處理知識(shí)的應(yīng)用、后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)以及今后從事相關(guān)科學(xué)研究和實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。（二）實(shí)習(xí)內(nèi)容要求:用語(yǔ)言簡(jiǎn)要描述每個(gè)部分的實(shí)習(xí)內(nèi)容，不用寫出具體實(shí)現(xiàn)程序，但要給出每個(gè)內(nèi)容對(duì)應(yīng)主要知識(shí)點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。（不夠可加頁(yè)）1、Matlab編程基礎(chǔ)實(shí)習(xí)內(nèi)容如下：熟悉MATLAB數(shù)據(jù)類型，MATLAB編程環(huán)境；編寫MATLAB程序，產(chǎn)生正弦序列，單位脈沖序列，矩形序列，并采用多種畫圖方式畫出連續(xù)與離散的信號(hào)波形；畫出波形，改變以及采樣間隔，觀察波形變化，進(jìn)一步理解采樣定理。本節(jié)主要知識(shí)點(diǎn)為MATLAB編程語(yǔ)言基本語(yǔ)句的應(yīng)用，如plot、stem、subplot、figure、square、filter語(yǔ)句等，以及eyes()、zeros()、ones()語(yǔ)句。在每段程序的開始三行通常加上clc,clear,closeall，表示清空之前的語(yǔ)句，圖形。關(guān)于卷積部分，要用到conv()函數(shù)算出結(jié)果畫出波形，同時(shí)也要采用理論計(jì)算或傅里葉反變換，畫出理想卷積的波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：正弦波2、信號(hào)頻譜分析實(shí)習(xí)內(nèi)容如下：利用FFT分析連續(xù)周期、連續(xù)非周期、離散周期、離散非周期信號(hào)的頻譜，理解連續(xù)與離散傅里葉變換之間關(guān)系，明確FFT(DFT)的真正含義；研究傅里葉變化與拉氏(z)變換的關(guān)系。具體內(nèi)容有：利用FFT，分析并畫出以下信號(hào)的頻譜：；矩形脈沖、正負(fù)方波;；通過(guò)與各信號(hào)的傅里葉變換（計(jì)算頻譜）的對(duì)比分析，研究數(shù)字譜分析存在的問(wèn)題；通過(guò)改變時(shí)間域的采樣間隔、截?cái)嚅L(zhǎng)度以及后面補(bǔ)零等措施，分析混疊、泄漏以及柵欄效應(yīng)。各信號(hào)頻譜圖如下：正負(fù)方波矩形脈沖對(duì)于FFT快速算法，需計(jì)算出FS、FT、DFS、DTFT與離散傅里葉變換DFT之間的關(guān)系，時(shí)域的連續(xù)對(duì)應(yīng)頻域的非周期、時(shí)域的周期對(duì)應(yīng)頻域的離散。首先要采樣，采樣頻率fs，t設(shè)定為周期T的整數(shù)倍，然后用FFT算法，根據(jù)連續(xù)周期函數(shù)計(jì)算出的與DFT的關(guān)系，可知y=fft(x)/N,畫出頻譜圖用到abs()、angle()函數(shù)，對(duì)于頻域變量f=k*fs/N。在畫圖時(shí)采用fftshift()畫出理想的對(duì)稱頻譜圖。頻譜中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)泄露、混疊、柵欄效應(yīng)：由于對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行等間距采樣時(shí)不能滿足采樣定理，采樣后的頻率會(huì)重疊，高于采樣頻率的部分頻率被重建成低于采樣，是為混疊；當(dāng)?shù)谝惠斎腩l率不是fs/n的整數(shù)倍時(shí)發(fā)生泄露；而柵欄效應(yīng)是指對(duì)采樣信號(hào)頻譜分析時(shí)，只可以看到所取點(diǎn)，而其余點(diǎn)會(huì)被擋住，可能使有用頻率漏樣。數(shù)字譜分析存在的問(wèn)題有泄漏、混疊、柵欄效應(yīng)等。擴(kuò)展內(nèi)容窗函數(shù)截?cái)鄬?duì)信號(hào)y=cos(2*pi*t)頻譜如下：矩形窗對(duì)信號(hào)產(chǎn)生泄漏最大，而哈明窗最小。窗函數(shù)在信號(hào)分析中起到便于信號(hào)分析的作用，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)對(duì)信號(hào)分析至關(guān)重要。3、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)內(nèi)容如下：研究數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)思想，理解數(shù)字頻率與模擬頻率的關(guān)系，掌握數(shù)字系統(tǒng)處理模擬信號(hào)的方法；掌握窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器的方法，理解FIR線性相位的重要意義。具體內(nèi)容有：設(shè)計(jì)FIR數(shù)字低通濾波器，截止頻率，要求在不同窗口長(zhǎng)度（N=15，33）下，分別求出h(n)，畫出相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性曲線，觀察3dB帶寬和20dB帶寬，總結(jié)窗口長(zhǎng)度N對(duì)濾波特性的影響；設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的輸入信號(hào)（數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)），驗(yàn)證所設(shè)計(jì)濾波器的頻率特性；，用四種窗函數(shù)設(shè)計(jì)線性相位低通濾波器，掌握窗函數(shù)在FIR設(shè)計(jì)中的重要意義。繪制相應(yīng)的幅頻特性曲線，觀察3dB和20dB帶寬以及阻帶最小衰減，比較四種窗函數(shù)對(duì)濾波特性的影響；人體心電信號(hào)的主要頻率范圍為0.05～100Hz，根據(jù)ecg函數(shù)，設(shè)計(jì)采樣率、噪聲（高頻及基線漂移），仿真含噪的人體心電信號(hào)，對(duì)比分析加入噪聲前后心電信號(hào)的頻譜，設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器(采樣率、濾波器截止頻率)，濾除心電信號(hào)中的高頻及基線漂移。各低通濾波器圖信號(hào)等圖如下：fir1是用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)線性相位FIR數(shù)字濾波器的工具箱函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)線性相位FIR數(shù)字濾波器的標(biāo)準(zhǔn)窗函數(shù)法設(shè)計(jì)。調(diào)用格式及功能：hn=fir1(M,wc,'ftype',window)。數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)H(ejω)用下式表示：H(ejω)=|H(ejω)|ejθ(ω)|H(ejω)|稱為幅頻特性函數(shù);θ(ω)稱為相頻特性函數(shù)。幅頻特性表示信號(hào)通過(guò)該濾波器后各頻率成分振幅衰減情況，而相頻特性反映各頻率成分通過(guò)濾波器后在時(shí)間上的延時(shí)情況。wp和ωs分別稱為通帶邊界頻率和阻帶截止頻率。通帶頻率范圍：0≤|ω|≤ωp，在通帶中(1－δ1)<|H(ejω)|≤1，阻帶頻率范圍：ωs≤|ω|≤π，在阻帶中，|H(ejω)|≤δ2。ωp到ωs稱為過(guò)渡帶。4、綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)內(nèi)容如下：利用計(jì)算機(jī)的“錄音機(jī)”功能，采集一段小于10s的音頻信號(hào)（“語(yǔ)音信號(hào)采集及處理”），存于文件.wav，利用MATLAB的wavread函數(shù)，讀取采集數(shù)據(jù)，提取其數(shù)據(jù)采集頻率等參數(shù)；對(duì)該信號(hào)加入仿真噪聲，送至播放器播放，試聽；根據(jù)加噪音頻信號(hào)的頻譜特征，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器對(duì)該音頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理，給出設(shè)計(jì)指標(biāo)；將濾波后的語(yǔ)音信號(hào)，送至播放器播放，與加噪前的語(yǔ)音信號(hào)對(duì)比，分析濾波效果；畫出各步驟涉及信號(hào)的時(shí)域與頻域?qū)Ρ确治鰣D。綜合設(shè)計(jì)一項(xiàng)運(yùn)用了多種MATLAB語(yǔ)句處理，加入了對(duì)音頻的處理。在這里要注意的是采樣頻率fs為Fs，為固定已知數(shù)。（三）實(shí)習(xí)總結(jié)要求:對(duì)整體“信號(hào)分析與處理實(shí)踐”的實(shí)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，包括自我評(píng)價(jià)和心得體會(huì)。在為期10天多的“信號(hào)分析與處理實(shí)踐”實(shí)習(xí)中，我學(xué)習(xí)態(tài)度積極認(rèn)真，加深了對(duì)信號(hào)系統(tǒng)與信號(hào)處理理論的理解，并且學(xué)會(huì)了信號(hào)處理的基本知識(shí)和方法，并在基本技能方面得到了系統(tǒng)的訓(xùn)練。掌握MATLAB編程基本技能，以及程序調(diào)試仿真方式。對(duì)于MATLAB，懂得了應(yīng)當(dāng)如何恰當(dāng)?shù)氖褂貌⒄莆掌渚幊袒痉绞?。例如在每段程序的開始三行通常加上clc,clear,closeall，表示清空原來(lái)的窗口、圖形，關(guān)于卷積部分，要用到conv()函數(shù)算出結(jié)果畫出波形，同時(shí)也要采用理論計(jì)算或傅里葉反變換。還有