工程信号处理MATLAB实验指导书v1p0_2008完全版

伍星机电工程学院KUST-HMI联合实验室

2008.02目录

1信号分析基础 (3)

1.1实验1典型时间信号的波形图 (3)

1.2实验2信号数据文件的读取与显示 (4)

2确定信号的频谱分析 (4)

2.1实验3周期信号的傅立叶级数三角函数展开式 (4)

2.2实验4非周期信号的傅立叶变换 (4)

2.3实验5时域有限信号的周期延拓 (5)

3时域分析 (5)

3.1实验6自相关和互相关分析 (5)

4随机信号分析 (5)

4.1实验7随机信号的数字特征 (5)

4.2实验8随机信号的功率谱分析 (6)

5系统分析概述 (6)

5.1实验9线性系统的主要性质 (6)

5.2实验10测定系统特性参数的方法 (7)

6模拟信号的离散化 (7)

6.1实验11时域采样定理 (7)

6.2实验12时域截断与泄露 (7)

7离散傅立叶变换 (7)

7.1实验13离散傅立叶变换 (7)

7.2实验14用X K计算信号的频谱 (8)

8快速傅立叶变换及其工程应用 (8)

8.1实验15快速傅立叶变换 (8)

8.2实验16快速傅立叶变换的应用 (9)【预备知识】

机械工程测试技术、机械控制工程、MATLAB、虚拟仪器技术等。

【资料检索方法】

1.校图书馆相关书籍。

2.校图书馆数据库：维普中文科技期刊全文数据库，万方会议论文全文库，

万方硕博论文全文库，Elsevier外文期刊数据库，国外免费学位论文全文

数据库，超星电子图书系统。

3.互联网搜索引擎：www.baidu.com，www.google.com，scholar.google.com。1信号分析基础

1.1实验1典型时间信号的波形图

【实验目的】

(1)熟悉MATLAB环境，掌握与信号处理相关的常用MATLAB语句和命令；

(2)熟悉MATLAB生成典型信号的方法；

(3)掌握MATLAB绘制信号波形图的方法；

(4)掌握M脚本文件和函数文件的编制方法。

【实验内容】

(1)熟悉各种典型信号生成的关键参数，对于大多数的连续时间信号，两个

关键要素是信号的起止时间、信号的幅值、频率等；

(2)编制确定信号和随机信号的M自定义函数文件，包括的典型信号如下：

z确定信号

周期信号：正弦信号(MySin)，三角波信号(MyTri)，方波信号(MySquare)。

非周期信号：准周期信号(MyStdPeriod)，矩形脉冲信号(MyImpulse)，指数衰减正弦信号(MyExpSin)。

z随机信号：白噪声信号(MyWhiteNoise)

(3)使用上述M函数产生如下信号：

z幅值为5，频率为10Hz的正弦信号；

z幅值为1，频率为8Hz的三角波信号；

z幅值为2.5，频率为20Hz，占空比为50%的方波信号；

z使用两个幅值为1的正弦信号构成一个准周期信号；

z幅值为10，脉宽为1，时间范围0~6s的矩形脉冲信号；

z幅值为5，频率为20Hz，衰减系数为-10的指数衰减正弦信号；

z幅值范围为-3~3的白噪声信号。

1.2实验2信号数据文件的读取与显示

【实验目的】

(1)熟悉MATLAB环境，掌握数据文件生成与读取相关的常用MATLAB语

句和命令；

(2)掌握用根据数据文件绘制信号波形图的方法。

【实验内容】

(1)单边指数信号使用MySin函数产生一个幅值为5、频率为10Hz的正弦

信号，并写入数据文件MySin.txt；

(2)读取MySin.txt数据文件，绘制信号波形图（title为MySin.txt）。

【参考MATLAB函数】fopen, fscanf, fprintf, fclose等。

2确定信号的频谱分析

2.1实验3周期信号的傅立叶级数三角函数展开式

【实验目的】

(1)理解周期信号傅立叶级数三角函数展开式的物理意义。

【实验内容】

(1)分别使用2、5、10、20、30个MySin函数构造一个幅值为5、频率为

20Hz的方波信号，并在同一个图形中绘制全部图形；

(2)分别使用2、5、10、20、30个MySin函数构造一个幅值为5、频率为

20Hz的三角波信号，并在同一个图形中绘制全部图形。

2.2实验4非周期信号的傅立叶变换

【实验目的】

(1)理解傅立叶变换的物理意义，熟练掌握连续时间信号频谱的计算方法；

(2)掌握按定义公式编程直接计算傅立叶变换的方法。

【实验内容】

(1)编制矩形脉冲信号(MyImpulse)的M自定义函数文件，并使用该函数产

生一个幅值为10、脉宽为0.5s、时间范围0~6s的矩形脉冲信号；

(2)使用傅立叶积分计算一个幅值为10、脉宽为0.5s、时间范围0~6s的矩形

脉冲信号的傅立叶变换，并绘制其频谱图；

(3)编制傅立叶变换的M函数(MyFourierT)。

(4)使用MyFourierT函数计算一个幅值为5、频率为20Hz的正弦信号的傅

立叶变换，并绘制其频谱图。

2.3实验5时域有限信号的周期延拓

【实验目的】

(1)理解时域有限信号周期延拓对频谱的影响。

【实验内容】

(1)使用MyExpSin函数，产生一个幅值为5、频率为20Hz、衰减系数为-10、

时间范围为0~1s的指数衰减正弦信号x(t)；用MyFourierT函数计算其傅

立叶变换X(f)，并绘制其频谱图；

(2)将步骤(1)中获得指数衰减正弦信号x(t)进行周期延拓，延拓周期为2s，

使用MyFourierT函数计算其傅立叶变换X’(f)，将X(f)和X’(f)绘制同一

个频谱图中。

3时域分析

3.1实验6自相关和互相关分析

【实验目的】

(1)理解时域自相关和互相关的物理意义，熟练掌握连续时间信号相关分析

的计算方法。

(2)掌握按定义公式编程直接计算相关分析的方法。

【实验内容】

(1)编制直接相关(MyDirectCorrelate)的M函数。

(2)使用MyDirectCorrelate函数，计算一个由MySquare函数生成的幅值为5、

频率为20Hz的方波信号x(t)的自相关R xx(τ)，并绘制其图形；

(3)使用MyWhiteNoise函数生成一个幅值为5白噪声信号n(t)，使用

MyDirectCorrelate函数计算n(t)的自相关R xx(τ)，并绘制其图形。

(4)使用MySin函数生成一个幅值为1、频率为10Hz的正弦信号x(t)；使用

MyWhiteNoise函数生成一个幅值为5白噪声信号n(t)；令信号y(t)=x(t)+

n(t)；使用MyDirectCorrelate函数计算x(t)与y(t)的互相关R xy(τ)，并绘

制其图形。

4随机信号分析

4.1实验7随机信号的数字特征

【实验目的】

(1)理解随机信号数字特征的物理意义，熟练掌握随机信号数字特征的计算

方法。

(2)掌握按定义公式编程计算随机信号数字特征的方法。

【实验内容】

(1)编制均值(MyMean)、方差(MyVariance)、均方值(MySMR)、概率密度函

数(MyProbability)的M函数。

(2)使用MyMean、MyVariance和MySMR函数，计算一个由MySin函数生

成的幅值为5、频率为10Hz的正弦信号x(t)的数字特征，在正弦信号图

形上绘出三个数字特征的不同色彩的直线并显示图例。

(3)使用MyProbability函数，计算一个由MySin函数生成的幅值为5、频率

为10Hz的正弦信号x(t)和一个由MyWhiteNoise函数生成的幅值为5白

噪声信号n(t)的概率密度函数P(x)，并绘制其图形。

4.2实验8随机信号的功率谱分析

【实验目的】

(1)理解时域自功率谱密度和互谱密度的物理意义，熟练掌握连续时间信号

功率谱分析的计算方法。

(2)掌握使用幅值谱编程计算功率谱密度的方法。

【实验内容】

(1)使用MyFourierT函数编制功率谱密度(MyPowerSpectrum)的M函数。

(2)使用MyPowerSpectrum函数，计算一个由MySquare函数生成的幅值为

5、频率为20Hz的方波信号x(t)的自功率谱密度G xx(f)，并绘制其图形；

(3)使用MyWhiteNoise函数生成一个幅值为5白噪声信号n(t)，使用

MyPowerSpectrum函数计算n(t)的自功率谱密度G xx(f)，并绘制其图形。

(4)使用MySin函数生成一个幅值为1、频率为10Hz的正弦信号x(t)；使用

MyWhiteNoise函数生成一个幅值为5白噪声信号n(t)；令信号y(t)=x(t)+

n(t)；使用MyPowerSpectrum函数计算x(t)与y(t)的互功率谱密度G xy(f)，并绘制其图形。

5系统分析概述

5.1实验9线性系统的主要性质

【实验目的】

(1)理解线性系统主要性质的物理意义，熟悉SIMULINK中常用子库。

(2)掌握使用SIMULINK进行系统仿真的方法。

【实验内容】

(1)进行线性系统的叠加性、比例性、微分性、积分性和频率保持性的仿真。

5.2实验10测定系统特性参数的方法

【实验目的】

(1)理解线性系统主要性质的物理意义，熟悉SIMULINK中常用子库。

(2)掌握使用SIMULINK进行系统仿真的方法。

【实验内容】

τ=、阶跃

(1)进行一阶系统阶跃信号输入测定法的仿真，其中一阶系统的1

信号幅值为10。

6模拟信号的离散化

6.1实验11时域采样定理

【实验目的】

(1)掌握时域采样定理的含义，及其在实际应用中需要注意的问题。

【实验内容】

(1)用实验验证采样定理。使用MySin函数生成一个幅值为3、频率为10Hz

的正弦信号x(t)，其中dt分别为0.1s、0.08、0.05s、0.005s。在四幅图中，绘出四个正弦信号波形及其单边幅值谱（使用MyFourierT函数）。

6.2实验12时域截断与泄露

【实验目的】

(1)掌握时域截断与泄露的物理意义，及其在实际应用中需要注意的问题。

(2)熟悉常用窗函数对时域截断与泄露的影响，及其各自的适用场合。

【实验内容】

(1)用实验验证截断导致的能量泄露。使用MySin函数生成一个幅值为3、

频率为10Hz的正弦信号x(t)，使用矩形窗截断x’(t)=x(t)×w(t)，使用

MyFourierT函数计算截断信号x’(t)的幅值谱，绘出其单边幅值谱。

(2)对比分别使用矩形窗和hanning窗对x(t)进行截断的效果，使用

MyFourierT函数计算截断信号x’(t)的幅值谱，在同一图中分别绘制时域

波形和频谱的对比图。

7离散傅立叶变换

7.1实验13离散傅立叶变换

【实验目的】

(1)理解离散傅立叶变换的物理意义，熟练掌握离散时间信号频谱的计算方

法；(2)掌握按定义公式编程直接计算离散傅立叶变换的方法。

【实验内容】

(1)按求和公式编制离散傅立叶变换的M函数(MyDFT)。

(2)使用MyFourierT和MyDFT函数分别计算一个幅值为5、频率为20Hz

的正弦信号的傅立叶变换，将计算结果绘制在同一窗口的一个图中进行

对比并显示图例。

7.2实验14用Xk计算信号的频谱

【实验目的】

(1)掌握基于DFT结果计算频谱的方法，及其在实际应用中需要注意的问

题。

(2)理解谱平均、加窗修正、补零的影响及频率分辨率的物理意义。

【实验内容】

(1)按定义式使用MyDFT函数编制功率谱（MyDFTPowerSpectrum）和幅值

相位谱(MyAmpPhaseSpectrum)的M函数。

(2)使用MyAmpPhaseSpectrum和MyDFTPowerSpectrum函数分别计算一个

幅值为5、频率为20Hz的正弦信号的幅值谱和功率谱，并将计算结果绘

制在同一窗口的两个图中。

(3)验证谱平均的作用。使用MySin函数生成一个幅值为2、频率为10Hz

的正弦信号x(t)；使用MyWhiteNoise函数生成一个幅值为5白噪声信号

n(t)；令信号y(t)=x(t)+ n(t)，并将其分为10段，每段1024点数据；使用

MyDFTPowerSpectrum函数分别计算第一段y(t)的功率谱，以及10段功

率谱的平均，将计算结果绘制在同一窗口的两个图中进行对比。

(4)用实验计算加窗的恢复系数。使用MyAmpPhaseSpectrum分别计算

hanning窗的幅值恢复系数和能量恢复系数。

(5)用实验验证补零对频率分辨率的影响。使用MyAmpPhaseSpectrum分别

计算一个1024点幅值为5、频率为20Hz的正弦信号的幅值谱和补零1024

点后2048点的幅值谱，并将计算结果绘制在同一窗口的两个图中进行对

比。

8快速傅立叶变换及其工程应用

8.1实验15快速傅立叶变换

【实验目的】

(1)理解快速傅立叶变换的物理意义，熟练掌握其计算方法；

(2)掌握按原理编程直接计算快速傅立叶变换。

【实验内容】

(1)按原理编制快速傅立叶变换的M函数(MyFFT)。

(2)使用MyFourierT、MyDFT和MyFFT函数分别计算一个幅值为5、频率

为20Hz的正弦信号的傅立叶变换，将计算结果绘制在同一窗口的一个

图中进行对比并显示图例。

8.2实验16快速傅立叶变换的应用

【实验目的】

(1)理解FFT与DFT之间的关系，及其在实际应用中需要注意的问题。

【实验内容】

(1)按快速相关原理编制快速相关的M函数(MyFastCorrelate)。分别使用

MyDirectCorrelate和MyFastCorrelate函数，计算一个由MySquare函数

生成的幅值为5、频率为20Hz的方波信号x(t)的自相关Rxx(τ)，并绘

制在同一图形中进行对比；

(2)按实倒谱原理编制实倒谱的M函数(MyRealCepstrum)。使用

MyRealCepstrum函数，计算一个由MySquare函数生成的幅值为5、频

率为20Hz的方波信号x(t)的功率谱的实倒谱，并绘图形；

(3)按相位补偿原理编制相位补偿频率细化的M函数(MyZoomFFT)，并设计

实验验证MyZoomFFT函数的正确性。

(4)按复调制原理编制复调制频率细化的M函数(MyCMFFT)，并设计实验

验证MyCMFFT函数的正确性。