快速傅立葉變換FFT算法實驗

1、實驗二 快速傅立葉變換（FFT）算法實驗一 實驗目的1 加深對DFT算法原理和基本性質(zhì)的理解；2 熟悉FFT算法原理和FFT子程序的應用；3 學習用FFT對連續(xù)信號和時域信號進行譜分析的方法，了解可能出現(xiàn)的分析誤差及其原因，以便在實際中正確應用FFT。二 實驗設備計算機，CCS 2.0 版軟件，實驗箱，DSP仿真器，短接塊，導線。 三 基本原理1 離散傅立葉變換DFT的定義：將時域的采樣變換成頻域的周期性離散函數(shù)，頻域的采樣也可以變換成時域的周期性離散函數(shù)，這樣的變換稱為離散傅立葉變換，簡稱DFT。2 FFT是DFT的一種快速算法，將DFT的N2步運算減少為（N/2）log2N步，極大的提高了

2、運算的速度。3 旋轉(zhuǎn)因子的變化規(guī)律。4 蝶形運算規(guī)律。5 基2FFT算法。四 實驗步驟1 復習DFT的定義、性質(zhì)和用DFT作譜分析的有關內(nèi)容；2 復習FFT算法原理與編程思想，并對照DIT-FFT運算流程圖和程序框圖，了解本實驗提供的FFT子程序；3 閱讀本實驗所提供的樣例子程序；4 運行CCS軟件，對樣例程序進行跟蹤，分析結果；記錄必要的參數(shù)。5 填寫實驗報告。6 提供樣例程序?qū)嶒灢僮髡f明1） 實驗前的準備 “語音處理單元”的撥碼開關設置： S1:撥碼開關碼位備注1OFF：交流量輸入2OFF：交流量輸入S2: 撥碼開關：碼位備注1OFF：交流量輸入2OFF：揚聲器關閉3ON：幀同步脈沖接通4

3、ON：串口時鐘接通 在信號源單元中，設置左路信號源產(chǎn)生低頻正弦波信號，右路產(chǎn)生高頻正弦波信號。 實驗箱上電，用示波器分別觀測OUT1和OUT2輸出的模擬信號，并調(diào)節(jié)電位器直至低頻正弦波信號為100Hz/1V左右；高頻正弦波信號為6KHz/1V左右； 將S3中的撥碼開關2打到ON，用示波器觀測OUT1輸出的混疊信號波形。 用導線連接“信號源單元”中2號孔接口OUT1和語音處理單元中的2號孔接口“IN”；正確完成計算機、DSP仿真器和實驗箱的連接后，系統(tǒng)上電. 2）實驗過程 啟動CCS 2.0，用Project/Open打開“ExpFFT01.pjt”工程文件；雙擊“ExpFFT01.pjt” 及

4、“Source”可查看各源程序；加載“ExpFFT01.out”； 在主程序中，k+處設置斷點；單擊“Run”運行程序，或按F5運行程序；程序?qū)⑦\行至斷點處停止； 用View / Graph / Time/Frequency打開一個圖形觀察窗口； 設置該觀察圖形窗口變量及參數(shù)；采用雙蹤觀察在啟始地址分別為0x3000h和0x3080h，長度為128的單元中數(shù)值的變化，數(shù)值類型為16位有符號整型變量，這兩段存儲單元中分別存放的是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的輸入信號和對該信號進行FFT變換后的結果； 單擊“Animate”運行程序，或按F10運行；調(diào)整觀察窗口并觀察變換結果； 單擊“Halt”暫停程序運行，關

5、閉窗口，本實驗結束；實驗結果：在CCS2.0環(huán)境，同步觀察輸入信號波形及其FFT變換結果；五 思考題1 對于不同的N，幅頻特性會相同嗎？為什么？2 FFT進行譜分析，可以應用的什么方面？六 實驗報告要求1 簡述實驗原理及目的；2 結合實驗中所給定典型序列幅頻特性曲線，與理論結果比較，并分析說明誤差產(chǎn)生的原因以及用FFT作譜分析時有關參數(shù)的選擇方法。3 總結實驗所得主要結論。七 程序參數(shù)說明extern void InitC5402(void)extern void OpenMcBSP(void)extern void CloseMcBSP(void)extern void READAD50(v

6、oid)extern void WRITEAD50(void)void kfft(pr,pi,n,k,fr,fi,l,il)：基2快速傅立葉變換子程序，n為變換點數(shù)，應滿足2的整數(shù)次冪，k為冪次（正整數(shù)）；數(shù)組x ：輸入信號數(shù)組，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存放于地址為3000H307FH存儲 器中，轉(zhuǎn)為浮 點型后，生成x數(shù)組，長度128；數(shù)組mo：FFT變換輸出數(shù)組，長度128，浮點型，整型后，寫入 3080H30FFH存儲器中。八 子程序流程圖：實驗三 有限沖擊響應濾波器（FIR）算法實驗一、 實驗目的1 掌握用窗函數(shù)法設計FIR數(shù)字濾波器的原理和方法；2 熟悉線性相位FIR數(shù)字濾波器特性；3 了解各種

7、窗函數(shù)對濾波特性的影響。二、實驗設備計算機，CCS 2.0 版軟件，實驗箱，DSP仿真器三、實驗原理1 有限沖擊響應數(shù)字濾波器的基礎理論；2 模擬濾波器原理（巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器）；3 數(shù)字濾波器系數(shù)的確定方法。四、實驗步驟1 復習如何設計FIR數(shù)字濾波。閱讀本實驗原理，掌握設計步驟；2 閱讀本實驗所提供的樣例子程序；3運行CCS軟件，對樣例程序進行跟蹤，分析結果；4填寫實驗報告。5樣例程序?qū)嶒灢僮髡f明1） 實驗前準備“語音處理單元”的撥碼開關設置： S1:撥碼開關碼位備注1OFF：交流量輸入2OFF：交流量輸入S2: 撥碼開關：碼位備注1OFF：交流量輸入2OFF：揚

8、聲器關閉3ON：幀同步脈沖接通4ON：串口時鐘接通 在信號源單元中，設置左路信號源產(chǎn)生低頻正弦波信號，右路產(chǎn)生高頻正弦波信號。 實驗箱上電，用示波器分別觀測OUT1和OUT2輸出的模擬信號，并調(diào)節(jié)電位器直至低頻正弦波信號為100Hz/1V左右；高頻正弦波信號為6KHz/1V左右； 將S3中的撥碼開關2打到ON，用示波器觀測OUT1輸出的混疊信號波形。 用導線連接“信號源單元”中2號孔接口OUT1和語音處理單元中的2號孔接口“IN”；正確完成計算機、DSP仿真器和實驗箱的連接后，系統(tǒng)上電. 2）實驗過程 啟動CCS 2.0，用Project/Open打開“FIRtestN01.pjt工程文件；雙

9、擊“FIRtestN01.pjt”和“Source”可查看各源程序；加載“FIRtestN01.out”； 在主程序，k+處，設置斷點；用View / Graph / Time/Frequency打開一個圖形觀察窗口；設置觀察圖形窗口變量及參數(shù)為：采用雙蹤觀察啟始地址分別為0x3000H和0x3100H，長度為256的單元中數(shù)值的變化，數(shù)值類型為16位有符號整型變量，這兩段存儲單元中分別存放的是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的輸入信號和對該信號進行FIR變換后的結果； 單擊“Animate”運行程序，或按F10運行程序；調(diào)整觀察窗口并觀察濾波結果； 單擊“Halt”暫停程序運行，激活“FIRtestN01.c

10、”的編輯窗口；實驗程序說明：該程序為51階FIR低通濾波器算法程序，采用矩形窗函數(shù)實現(xiàn)，數(shù)組h和xmid長度均為51，fs為采樣頻率，fstop為濾波器截止頻率，可以修改以上參數(shù)來改變?yōu)V波器性能。 重新“Rebuild All”后，并加載“Load”，單擊“Animate”，可得到不同的實驗結果；實驗結果：在CCS2.0環(huán)境，同步觀察輸入信號及其FIR低通濾波結果。五、思考題1 如果給定通帶截止頻率和阻帶截止頻率以及阻帶最小衰減，如何用窗函數(shù)法設計線性相位低通濾波器？寫出設計步驟。2 定性說明本實驗中，3dB截止頻率的理論值在什么位置？是否等于理想低通的截止頻率？3 如果要求用窗函數(shù)法設計帶通

11、濾波器，且給定上下邊帶截止頻率，試求理論帶通的單位脈沖響應。六、實驗報告要求1 簡述實驗目的及理論。2 自己設計一串數(shù)據(jù)應用樣例子程序，進行濾波。3 總結設計FIR濾波器的主要步驟。4 描繪出輸入、輸出數(shù)組的曲線七、FIR程序參數(shù)說明系統(tǒng)函數(shù)對應的常系數(shù)線性差分方程：程序參數(shù)說明：extern void InitC5402(void)extern void OpenMcBSP(void)extern void CloseMcBSP(void)extern void READAD50(void)extern void WRITEAD50(void)void firdes (int m, doub

12、le npass)：輸入信號：輸入信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，寫入地址為3000H30FFH存儲器，16位整型；輸出信號：FIR低通濾波器輸出，寫入地址為3100H31FFH存儲器，16位整型。八、程序流程圖：實驗四 無限沖擊響應濾波器（IIR）算法實驗一、實驗目的1 熟悉設計IIR數(shù)字濾波器的原理與方法；2 掌握數(shù)字濾波器的計算機仿真方法；3 通過觀察對實際信號的濾波作用，獲得對數(shù)字濾波的感性認識。二、實驗設備計算機，CCS 2.0 版軟件，實驗箱，DSP仿真器，短接塊，導線。三、實驗原理1 無限沖擊響數(shù)字濾波器的基礎理論；2 模擬濾波器原理（巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器）；3 雙線

13、性變換的設計原理。四、實驗步驟1 復習有關巴特沃斯濾波器設計和用雙線性變換法設計IIR數(shù)字濾波器的知識；2 閱讀本實驗所提供的樣例子程序；3 運行CCS軟件，對樣例程序進行跟蹤，分析結果；4 填寫實驗報告。5樣例程序?qū)嶒灢僮髡f明 1）實驗前準備“語音處理單元”的撥碼開關設置： S1:撥碼開關碼位備注1OFF：交流量輸入2OFF：交流量輸入S2: 撥碼開關：碼位備注1OFF：交流量輸入2OFF：揚聲器關閉3ON：幀同步脈沖接通4ON：串口時鐘接通 在信號源單元中，設置左路信號源產(chǎn)生低頻正弦波信號，右路產(chǎn)生高頻正弦波信號。 實驗箱上電，用示波器分別觀測OUT1和OUT2輸出的模擬信號，并調(diào)節(jié)電位器

14、直至低頻正弦波信號為100Hz/1V左右；高頻正弦波信號為6KHz/1V左右； 將S3中的撥碼開關2打到ON，用示波器觀測OUT1輸出的混疊信號波形。 用導線連接“信號源單元”中2號孔接口OUT1和語音處理單元中的2號孔接口“IN”；正確完成計算機、DSP仿真器和實驗箱的連接后，系統(tǒng)上電. 2）實驗過程 啟動CCS 2.0，用Project/Open打開“ExpIIRokLP02.pjt”工程文件；雙擊“ExpIIRokLP02.pjt” ，雙擊“Source”可查看各源程序；加載“ExpIIRokLP02.out”； 在主程序最后，K+處，設置斷點；單擊“Run”，程序運行到斷點處； 用Vi

15、ew / Graph / Time/Frequency打開一個圖形觀察窗口；采用雙蹤觀察在啟始地址分別為0x3000h和0x3100h，長度為256的單元中數(shù)值的變化，數(shù)值類型為16位有符號整型變量，這兩段存儲單元中分別存放的是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的輸入信號和對該信號進行IIR低通濾波后的輸出信號； 單擊“Animate”運行程序，或按F10運行程序；調(diào)整觀察窗口，并觀察濾波結果； 單擊“Halt”暫停程序運行，激活“ExpIIRokLP02.c”的編輯窗口； 該IIR低通濾波器濾波性能參數(shù)為：采樣頻率為16KHz，通帶內(nèi)最大允許衰減3dB，阻帶內(nèi)最小衰減大于30dB，過度帶寬度為3.2KHz；通帶

16、上限頻率：1.6KHz；阻帶下限截止頻率：4.8KHz?？梢孕薷囊陨蠀?shù)來改變?yōu)V波器性能。 修改“ExpIIRokLP02.c” 程序中“nlpass”和“nlstop”參數(shù)可改變IIR低通濾波器的濾波性能。 重新“Rebuild All”后，加載，單擊“Animate”，可得到不同的結果。實驗結果：在CCS2.0環(huán)境下，同步觀察輸入信號及其IIR低通濾波結果。五、思考題1試述用雙線性變換法設計數(shù)字濾波器的過程？2實驗中，計算每個二階濾波器的輸出序列時，如何確定計算點數(shù)？3對濾波前后的信號波形，說明數(shù)字濾波器的濾波過程與濾波作用。六、實驗報告要求1 簡述IIR濾波器的基本原理；2 對比FIR濾

17、波器與IIR濾波器的異同；3 描繪出輸入、輸出數(shù)組的曲線。七、IIR程序參數(shù)說明 系統(tǒng)函數(shù)：對應的常系數(shù)線性差分方程：程序參數(shù)說明：extern void InitC5402(void)extern void OpenMcBSP(void)extern void READAD50(void)extern void WRITEAD50(void)void biir2lpdes(double fs, double nlpass, double nlstop, double a, double b)：IIR低通濾波器參數(shù)設計子程序參數(shù)說明：fs：采樣頻率；nlpass：通帶上限頻率參數(shù)，nlstop

18、：阻帶下限截止頻率參數(shù)； 設置時，采樣頻率對應為1，應使“nlpass”和“nlstop”兩參數(shù)均要小于0.5，且“nlpass”要比“nlstop”小0.2，否則，將不能滿足阻帶的最大衰減大于30dB。數(shù)組a：存放IIR低通濾波器傳遞函數(shù)的極點計算結果，浮點型；數(shù)組b：存放IIR低通濾波器傳遞函數(shù)的零點計算結果，浮點型；輸入信號：輸入信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，寫入地址3000H30FFH單元，16位整型；輸出信號：濾波后信號，寫入地址3100H31FFH單元，16位整型，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出。八、子程序流程圖實驗五 離散余弦變換（DCT）算法實驗一、實驗目的 1、了解圖像處理中的常用算法； 2、學習

19、DCT算法的實現(xiàn)方法。二、實驗設備計算機，CCS 2.0 版軟件，實驗箱，仿真器，導線。三、實驗原理離散余弦算法是與離散傅立葉算法緊密相關的，屬于正弦類正交變換，由于其優(yōu)良的去冗余性能及高效快速算法的可實現(xiàn)性，被廣泛用于語音及圖像的有損和無損壓縮。在開始實驗之前，應了解以下基本原理。1 語音或圖象的壓縮手段；2 DCT變換在數(shù)據(jù)壓縮中的作用與應用。四、實驗步驟1 復習有關DCT的基礎知識；2 閱讀本實驗所提供的樣例子程序；3 運行CCS軟件，對樣例程序進行跟蹤，分析結果；4 填寫實驗報告。5 樣例程序?qū)嶒灢僮髡f明 1）實驗前準備 “語音處理單元”的撥碼開關設置： S1:撥碼開關碼位備注1OFF

20、：交流量輸入2OFF：交流量輸入S2: 撥碼開關：碼位備注1OFF：交流量輸入2OFF：揚聲器關閉3ON：幀同步脈沖接通4ON：串口時鐘接通 在信號源單元中，設置左路信號源產(chǎn)生低頻正弦波信號，右路產(chǎn)生高頻正弦波信號。 實驗箱上電，用示波器分別觀測OUT1和OUT2輸出的模擬信號，并調(diào)節(jié)電位器直至低頻正弦波信號為100Hz/1V左右；高頻正弦波信號為6KHz/1V左右； 將S3中的撥碼開關2打到ON，用示波器觀測OUT1輸出的混疊信號波形。 用導線連接“信號源單元”中2號孔接口OUT1和語音處理單元中的2號孔接口“IN”；正確完成計算機、DSP仿真器和實驗箱的連接后，系統(tǒng)上電. 2）實驗過程 啟動CCS 2.0，用Project/Open打開“ExpDCT01.pjt”工程文件；雙擊“Source”可查看各源程序；加載“ExpDCT01.out”； 在主程序最后，K+處，設置斷點； 用View / Graph / Time/Frequency打開兩個圖形觀察窗口；采用雙蹤觀察在啟始地址分別為0x3000h和0x3080h，長度為128的單元中數(shù)值的變化，數(shù)值類型為16位有符號整型變量，這兩段存儲單元中分別存放的是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的輸入信號和對該信號進行DCT變換和逆DCT變換后，重構信號的結果；