信号分析与处理课程设计

课程设计(综合实验)报告

( 20   -- 20   年度第  一 学期)

名    称：                         

  题    目： 串级控制系统的自动整定          

院    系：  控制与计算机工程学院

班    级：           

学    号：       

学生姓名：         

指导教师：             

设计周数：                  

成    绩：                   

日期：    年   月   日

一、课程设计(综合实验)的目的与要求

《信号分析与处理（自）》课程设计

任  务  书

1，的与要求

是使学生通过上机使用Matlab工具进行数字信号处理技术的仿真练习，加深对《信号分析与处理（自）》课程所学基本理论和概念的理解，培养学生应用Matlab等工具进行数字信号处理的基本技能和实践能力，为工程应用打下良好基础。

2，内容

（1）mtlab基本使用方法，掌握Matlab数字信号处理的基本编程技术。掌握数字信号的基本概念。

1）使用Matlab（生成几种典型数字信号（正弦信号、周期信号、高斯随机信号等），2）编程计算离散信号的特征值（均值、方差等）。

3）进行信号加减运算。

（2）atlab编程实现典型离散信号（正弦信号、周期信号）的离散傅立叶变换，显示时域信号和频谱图形（幅值谱和相位谱）；以正弦周期信号为例，观察讨论基本概念（混叠、泄漏、整周期截取、频率分辨率等）。

（3）任意数字滤波器(分别采用IIR和FIR方法)，并对某类型信号进行滤波，并对结果进行显示和分析。

3 进度计划

1．提交完成设计内容的程序

2．提交设计报告

5 考核方式

课程设计报告、设计内容演示和答辩相结合。

考核内容：考勤、纪律、课程设计报告、实际编程能力和基本概念掌握程度等。

一，使用Matlab（生成几种典型数字信号（正弦信号、周期信号、高斯随机信号等）

1，正弦信号

n=0:0.1:20;

 y0=sin(pi/4*n+2);

 plot(n,y0)

图形

正弦离散信号

n=0:0.1:20;

 y0=sin(pi/4*n+2);

stem(n,y0,'.')

图形

周期信号

n=0:0.1:4*pi;

y1=sawtooth(n,0.5);

plot(n,y1)

图形

周期离散信号

n=0:0.1:4*pi;

y1=sawtooth(n,0.5);

stem(n,y1,'.') 

图形

高斯随机信号

n=0:0.2:20;

y1=randn(1,length(n)); 

plot(n,y1)

图形

高斯离散随机信号

n=0:0.2:20;

y1=randn(1,length(n)); 

stem(n,y1,'.')

图形

2编程计算离散信号的特征值（均值与方差），以正弦信号为例

n=0:0.1:20;

 y0=sin(pi/4*n+2);

x1=mean(y0)

x2=var(y0)

x1 =

   -0.0527

x2 =

0.5013

3，进行信号加减运算（以加法为例）

n=0:0.1:20;

y0=sin(pi/4*n+2);

y1=sawtooth(n,0.5);

x1=y0+y1;

plot(n,x1)

图形

二，mtlab编程实现典型离散信号（正弦信号、周期信号）的离散傅立叶变换，显示时域信号和频谱图形（幅值谱和相位谱）；以正弦周期信号为例，观察讨论基本概念（混叠、泄漏、整周期截取、频率分辨率等）。

正弦信号

N=;

n=0:1:N-1;

y=sin(n*pi/4); 

y1=fft(y,N);

Wk=2*n/N; 

subplot(311);stem(n,y,'.');

subplot(312);stem(Wk,abs(y1),'.');

subplot(313);stem(Wk,angle(y1),'.');

图形

周期信号

N=;

n=0:1:N-1;

y=square(n*pi/5);  

y1=fft(y,N); 

Wk=2*n/N; 

subplot(311);stem(n,y,'.');

subplot(312);stem(Wk,abs(y1),'.');

subplot(313);stem(Wk,angle(y1),'.');

图形

高斯随机信号

N=;

n=0:1:N-1;

 y=randn(1,N);   

y1=fft(y,N); 

Wk=2*n/N; 

subplot(311);stem(n,y,'.');

subplot(312);stem(Wk,abs(y1),'.');

subplot(313);stem(Wk,angle(y1),'.');

图形

2以正弦周期信号为例，观察讨论基本概念（混叠、泄漏、整周期截取、频率分辨率等）。

混叠

N=128;

k=0:N-1;

wk=2*k/N;

w=pi/5;

n=[0:40];

x=sin(n*pi/4); ;

x1=fft(x,N);

xn1=ifft(x1,N);

x2=fft(x,N/4);

xn2=ifft(x2,N/4);

subplot(5,1,1);stem(n,x,'.');                       %信号源 xlabel('n');ylabel('x');title('正弦信号')

subplot(5,1,2);stem(wk,abs(x1),'.');

xlabel('\\omega/\\pi');ylabel('幅度');title('128点的dft的幅频特性')

subplot(5,1,3);stem(0:length(xn1)-1,xn1,'.');

xlabel('\\omega/\\pi');ylabel('x');title('128点的dft的还原信号')

subplot(5,1,4);stem(abs(x2),'.');

xlabel('wk');ylabel('幅度');title('32点的dft的幅频特性')

subplot(5,1,5);stem(0:length(xn2)-1,xn2,'.');

xlabel('n');ylabel('x');title('32点的dft的还原信号')

图形

泄露

N=;

k=0:N-1;

wk=2*k/N

n1=[0:32];                 %长度较短的矩形窗

w=pi/4;

x1=sin(w*n1);

xk1=fft(x1,N)

n2=[0:128];                %?长度较长的矩形窗

x2=sin(w*n2);

xk2=fft(x2,N);

subplot(4,1,1);stem(n1,x1,'.');

xlabel('n1');ylabel('x1');title('短长度信号');

subplot(4,1,2);stem(wk,abs(xk1),'.');

xlabel('wk');ylabel('幅度');title('点信号的点dft的幅频特性');

subplot(4,1,3);stem(n2,x2,'.');

xlabel('n2');ylabel('x2');title('长长度信号');

subplot(4,1,4);stem(wk,abs(xk2),'.');

xlabel('wk');ylabel('幅度');title('?长信号的点dft的幅频特性');

图形

整周期截取

N=;

k=0:N-1;

wk=2*k/N;

w=pi/4;

n1=[0:N];

x1=sin(w*n1);

xk1=fft(x1,N);

n2=[0:40];

x2=sin(w*n2);

xk2=fft(x2,N);

subplot(4,1,1);stem(n1,x1,'.');

xlabel('n1');ylabel('x1');title('整周期截取信号');

subplot(4,1,2);stem(wk,abs(xk1),'.');

xlabel('wk');ylabel('幅度');title('整周期的点dft的幅频特性');

subplot(4,1,3);stem(n2,x2,'.');

xlabel('n2');ylabel('x2');title('非整周期截取信号');

subplot(4,1,4);stem(wk,abs(xk2),'.');

xlabel('wk');ylabel('幅度');title('·费整周期的点dft的幅频特性');

图形

频率分辨率

N=;

k1=0:N-1;

k2=0:127;

wk1=2*k1/N;

wk2=2*k2/N;

w=pi/4;

n1=[0:N];                    %观察时间较大

x1=sin(n1*w);

xk1=fft(x1,N);

xk11=fft(x1,128);

n2=[0:32];                   %观察时间较小

x2=sin(n2*w);

xk2=fft(x2,N);

xk22=fft(x2,128);

subplot(3,2,1);stem(n1,x1,'.');

xlabel('n1');ylabel('x1');title('观察时间较大的信号');

subplot(3,2,3);stem(wk1,abs(xk1),'.');

xlabel('wk1');ylabel('·ù');title('观察时间较大的信号的点dft的幅频特性');

subplot(3,2,5);stem(wk2,abs(xk11),'.');

xlabel('wk2');ylabel('·ù');title('观察时间较大的信号的128点dft的幅频特性');

subplot(3,2,2);stem(n2,x2,'.');

xlabel('n2');ylabel('x2');title('?观察时间较小的信号');

subplot(3,2,4);stem(wk1,abs(xk2),'.');

xlabel('wk1');ylabel('·ù');title('观察时间较小的信号的点dft的幅频特性');

subplot(3,2,6);stem(wk2,abs(xk22),'.');

xlabel('wk2');ylabel('·ù');title('观察时间较小的信号的128点dft的幅频特性');

图形

三，任意数字滤波器(分别采用IIR和FIR方法)，并对某类型信号进行滤波，并对结果进行显示和分析

FIR数字滤波器

t=0:0.02/32:0.06;

u1=sin(2*pi*50*t)+0.8*sin(2*pi*150*t);

b=fir1(32,100/800);

f=0:1:800;

h=freqz(b,1,f,1600);

y=conv(u1,b);

subplot(411);

plot(t,u1);

axis([0,0.06,-2,2]);

hold on;

n=0:32;

subplot(412);

stem(n,b);

axis([0,32,-0.05,0.15])

hold on;

subplot(413);

plot(f,abs(h));

hold on;

subplot(414);

plot(t(1:96),y(1:96));

hold on;

图形

IIR数字滤波器

wp= 2*pi*400；

ws= 2*pi*600；

Rp= 0.3；

Rs= 60 ；

fs=1000; 

[N,wn]=cheb1ord(wp,ws,Rp,Rs,'s'); 

[z,p,k]=cheb1ap(N,Rp);

 [b,a]=zp2tf(z,p,k); 

[bt,at]=lp2lp(b,a,wn); 

[bz,az]=impinvar(bt,at,fs);

 [h,f]=freqz(bz,az,512,fs); 

 hdb=20*log(abs(h)); 

subplot(1,2,1);plot(f,abs(h)) 

xlabel('频率/Hz');ylabel('幅值') subplot(1,2,2);

plot(f,hdb) xlabel('频率/Hz');ylabel('幅值(dB)') 

x=0:0.1:30; 

y1=10*sin(pi*x/12); figure(2); 

subplot(2,2,1); 

plot(x,y1);

grid title('正弦信号') y2=randn(1,length(x));

 subplot(2,2,2); plot(x,y2);grid title('高斯随机信号') y3=y1+y2;

 subplot(2,2,3); plot(x,y3);grid title('滤波前信号'); 

y=filter(Bz,Az,y3); subplot(2,2,4); plot(x,y);grid title('滤波后信号');

图形

课程设计总结

通过这几天的课程设计与学习，我重温了一遍数字信号处理的基本概念及相关理论，巩固了MATLAB基本使用方法，掌握了MATLAB数字信号处理的基本编程技术，实现了典型离散信号的DFT及数字滤波器的设计与应用。 .数字信号处理是一门比较抽象的课程，通过MATLAB语言可以把抽象的理论用简洁直观的图形表示出来。 .MATLAB是一个很好的编程平台，我要在今后的学习中继续深入学习，让MATLAB发挥更大的作用，以帮助学习高深知识。 .数字信号处理课程设计虽然只有短短的一周，但是它是我们向工程问题靠近的很重要的训练，我体会理论知识必须联系实际，这样才是学习的最佳途径。