数字信号处理实验指导书长江大学电信学院2010年6月
数字信号处理实验指导书 长江大学电信学院 2010 年 6 月
目录实验一离散时间信号分析2实验二离散时间系统分析实验三用FFT进行谱分析..8.12实验四利用FFT实现快速卷积.实验五IIR数字滤波器的设计.15实验六FIR数字滤波器的设计.:18.22实验七数字信号处理综合设计
目 录 实验一 离散时间信号分析.2 实验二 离散时间系统分析.4 实验三 用 FFT 进行谱分析.8 实验四 利用 FFT 实现快速卷积.12 实验五 IIR 数字滤波器的设计.15 实验六 FIR 数字滤波器的设计.18 实验七 数字信号处理综合设计.22 1
实验一离散时间信号分析一、实验目的1.掌握各种常用的序列，理解其数学表达式和波形表示。2.掌握在计算机中生成及绘制数字信号波形的方法。3掌握序列的相加、相乘、移位、反褶等基本运算及计算机实现与作用。4.掌握线性卷积软件实现的方法。5.掌握计算机的使用方法和常用系统软件及应用软件的使用。6.通过编程，上机调试程序，进一步增强使用计算机解决问题的能力。二、实验原理1.序列的基本概念离散时间信号在数学上可用时间序列(x(n))来表示，其中x(n）代表序列的第n个数字，n代表时间的序列，n的取值范围为-oo<n<o的整数，n取其它值x(n)没有意义。离散时间信号可以是由模拟信号通过采样得到，例如对模拟信号x。（）进行等间隔采样，采样间隔为T，得到（x，（nT））一个有序的数字序列就是离散时间信号，简称序列。2.常用序列常用序列有：单位脉冲序列（单位抽样）S(n)、单位阶跃序列u(n)、矩形序列Rx（n）实指数序列、复指数序列、正弦型序列等。3.序列的基本运算序列的运算包括移位、反褶、和、积、标乘、累加、差分运算等。4.序列的卷积运算Zx(m)h(n-m)= x(n)* h(n)y(n)= m=0上式的运算关系称为卷积运算，式中*代表两个序列卷积运算。两个序列的卷积是一个序列与另一个序列反褶后逐次移位乘积之和，故称为离散卷积，也称两序列的线性卷积。其计算的过程包括以下4个步骤。(1）反褶：先将x(n)和h(n)的变量n换成m，变成x(m)和h(m)，再将h(m)以纵轴为对称轴反裙成h(-m)。(2）移位：将h(-m)移位n，得h(n-m）。当n为正数时，右移n位；当n为负数时，左移n位。(3）相乘：将h(n一m）和x(m)的对应点值相乘。（4）求和：将以上所有对应点的乘积累加起来，即得y(n)。2
实验一 离散时间信号分析 一、实验目的 1．掌握各种常用的序列，理解其数学表达式和波形表示。 2．掌握在计算机中生成及绘制数字信号波形的方法。 3．掌握序列的相加、相乘、移位、反褶等基本运算及计算机实现与作用。 4．掌握线性卷积软件实现的方法。 5．掌握计算机的使用方法和常用系统软件及应用软件的使用。 6．通过编程，上机调试程序，进一步增强使用计算机解决问题的能力。 二、实验原理 1．序列的基本概念 离散时间信号在数学上可用时间序列 来表示，其中 代表序列的第 n 个数字， n 代表时间的序列，n 的取值范围为 nx )}({ nx )( n 的整数，n 取其它值 没有意义。离散 时间信号可以是由模拟信号通过采样得到，例如对模拟信号 进行等间隔采样，采样间 隔为 T，得到 一个有序的数字序列就是离散时间信号，简称序列。 nx )( tx )( a nTx )}({ a 2．常用序列 常用序列有：单位脉冲序列（单位抽样） n)( 、单位阶跃序列 、矩形序列 、 实指数序列、复指数序列、正弦型序列等。 nu )( nR )( N 3．序列的基本运算 序列的运算包括移位、反褶、和、积、标乘、累加、差分运算等。 4．序列的卷积运算 nhnxmnhmxny )()()()()( m 上式的运算关系称为卷积运算，式中代表两个序列卷积运算。两个序列的卷积是一个 序列与另一个序列反褶后逐次移位乘积之和，故称为离散卷积，也称两序列的线性卷积。其 计算的过程包括以下 4 个步骤。 （1）反褶：先将 和 的变量 换成 ，变成 和 ，再将 以纵 轴为对称轴反褶成 h 。 nx )( m) nh )( n m mx )( mh )( mh )( ( （2）移位：将 移位 mh )( n ，得 mnh )( 。当 为正数时，右移 n 位；当 n 为负数时， 左移 位。 n n （3）相乘：将 和 的对应点值相乘。 mnh )( mx )( （4）求和：将以上所有对应点的乘积累加起来，即得 ny )( 。 2
三、主要实验仪器及材料微型计算机、Matlab6.5教学版、TC编程环境。四、实验内容1.知识准备认真复习以上基础理论，理解本实验所用到的实验原理。2.离散时间信号（序列）的产生利用MATLAB或C语言编程产生和绘制下列有限长序列：（1）单位脉冲序列s(n)(2）单位阶跃序列u(n)（3）矩形序列Rg(n)(4）正弦型序列x(n)=Asin(=n+)5″3（5）任意序列x(n)=8(n)+28(n-1)+38(n-2)+48(n-3)+58(n-4)h(n)=8(n)+28(n-1)+8(n-2)+28(n-3)3.序列的运算利用MATLAB或C语言编程完成上述两序列的移位、反褶、和、积、标乘、累加等运算，并绘制运算后序列的波形。4.卷积运算利用MATLAB或C语言编制一个计算两个序列线性卷积的通用程序，计算上述两序列x(n)*h(n)，并绘制卷积后序列的波形。5.上机调试并打印或记录实验结果。6．完成实验报告。五、思考题1.如何产生方波信号序列和锯齿波信号序列？2．实验中所产生的正弦序列的频率是多少？是否是周期序列？六、实验报告要求1.简述实验原理及目的。2.列出计算卷积的公式，画出程序框图，并列出实验程序清单（可略）（包括必要的程序说明）。3.记录调试运行情况及所遇问题的解决方法。4.给出实验结果，并对结果作出分析。5.简要回答思考题。3
三、主要实验仪器及材料 微型计算机、Matlab6.5 教学版、TC 编程环境。 四、实验内容 1．知识准备 认真复习以上基础理论，理解本实验所用到的实验原理。 2．离散时间信号（序列）的产生 利用 MATLAB 或 C 语言编程产生和绘制下列有限长序列： （1）单位脉冲序列 n)( （2）单位阶跃序列 nu )( （3）矩形序列 )( 8 nR （4）正弦型序列 ) 35 sin()( nAnx （5）任意序列 nnnnx n n )4(5)3(4)2(3)1(2)()( nnnnh n )3(2)2()1(2)()( 3．序列的运算 利用 MATLAB 或 C 语言编程完成上述两序列的移位、反褶、和、积、标乘、累加等运 算，并绘制运算后序列的波形。 4．卷积运算 利用 MATLAB 或 C 语言编制一个计算两个序列线性卷积的通用程序，计算上述两序列 nhnx )()( ，并绘制卷积后序列的波形。 5．上机调试并打印或记录实验结果。 6．完成实验报告。 五、思考题 1．如何产生方波信号序列和锯齿波信号序列？ 2．实验中所产生的正弦序列的频率是多少？是否是周期序列？ 六、实验报告要求 1．简述实验原理及目的。 2．列出计算卷积的公式，画出程序框图，并列出实验程序清单（可略）（包括必要的程 序说明）。 3．记录调试运行情况及所遇问题的解决方法。 4．给出实验结果，并对结果作出分析。 5．简要回答思考题。 3
实验二离散时间系统分析一、实验目的1.掌握离散时间信号与系统的时域分析方法。2．掌握序列傅氏变换的计算机实现方法，利用序列的傅氏变换对离散信号、系统及系统响应进行频域分析。3.熟悉理想采样的性质，了解信号采样前后的频谱变化，加深对采样定理的理解。二、实验原理1.离散时间系统一个离散时间系统是将输入序列变换成输出序列的一种运算。若以T-1来表示这种运算，则一个离散时间系统可由下图来表示：TII图离散时间系统输出与输入之间关系用下式表示y(n) = T[x(n)]离散时间系统中最重要、最常用的是线性时不变系统。2.离散时间系统的单位脉冲响应设系统输入x(n)=(n)，系统输出y(n)的初始状态为零，这是系统输出用h(n)表示，即h(n)=T[S(n)]，则称h(n)为系统的单位脉冲响应。Zx(m)h(n-m) = x(n)* h(n)可得到：(n)=4.m=-0该式说明线性时不变系统的响应等于输入序列与单位脉冲序列的卷积。3.连续时间信号的采样采样是从连续信号到离散时间信号的过渡桥梁，对采样过程的研究不仅可以了解采样前后信号时域何频域特性发生的变化以及信号内容不丢失的条件，而且有助于加深对拉氏变换、傅氏变换、Z变换和序列傅氏变换之间关系的理解。对一个连续时间信号进行理想采样的过程可以表示为信号与一个周期冲激脉冲的乘积，即：xa(t)=x(t)8r(t)4
实验二 离散时间系统分析 一、实验目的 1．掌握离散时间信号与系统的时域分析方法。 2．掌握序列傅氏变换的计算机实现方法，利用序列的傅氏变换对离散信号、系统及系 统响应进行频域分析。 3．熟悉理想采样的性质，了解信号采样前后的频谱变化，加深对采样定理的理解。 二、实验原理 1．离散时间系统 一个离散时间系统是将输入序列变换成输出序列的一种运算。若以 来表示这种运 算，则一个离散时间系统可由下图来表示： T ][ T ][ 图 离散时间系统 输出与输入之间关系用下式表示 nxTny )]([)( 离散时间系统中最重要、最常用的是线性时不变系统。 2．离散时间系统的单位脉冲响应 设系统输入 nnx )()( n)] ，系统输出 的初始状态为零，这是系统输出用 表示， 即 ny )( nh )( Tnh ([)( ，则称 为系统的单位脉冲响应。 nh )( 可得到： nhnxmnhmxny )()()()()( m 该式说明线性时不变系统的响应等于输入序列与单位脉冲序列的卷积。 3．连续时间信号的采样 采样是从连续信号到离散时间信号的过渡桥梁，对采样过程的研究不仅可以了解采样前 后信号时域何频域特性发生的变化以及信号内容不丢失的条件，而且有助于加深对拉氏变 换、傅氏变换、Z 变换和序列傅氏变换之间关系的理解。 对一个连续时间信号进行理想采样的过程可以表示为信号与一个周期冲激脉冲的乘 积，即： ˆ ttxtx )()()( a Ta 4