重慶大學(xué)光電學(xué)院數(shù)字信號處理實驗

1、實驗題目離散時間信號分析實驗時間2017年10月24日實驗地點主教1118實驗成績實驗性質(zhì)驗證性設(shè)計性綜合性教師評語：出勤率好原理正確方案合理實驗結(jié)果正確回答問題正確報告規(guī)范一、實驗?zāi)康?掌握各種常用的序列，理解其數(shù)學(xué)表達式和波形表示。2掌握在計算機中生成及繪制數(shù)字信號波形的方法。3掌握序列的相加、相乘、移位、反轉(zhuǎn)等基本運算及計算機實現(xiàn)與作用。4掌握線性卷積軟件實現(xiàn)的方法。5掌握計算機的使用方法和常用系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件的使用。6通過編程，上機調(diào)試程序，進一步增強使用計算機解決問題的能力。二、 實驗內(nèi)容1、 用matlab編制信號產(chǎn)生子程序，產(chǎn)生以下典型信號序列。2、 利用MATLAB編程完成序

2、列(5)和(6)的移位、反轉(zhuǎn)、加法、乘法等運算，并繪制運算后序列的波形。3、 利用MATLAB編制一個計算兩個序列線性卷積的通用程序，計算上述兩序列，并繪制卷積后序列的波形。 三、實驗原理1序列的基本概念離散時間信號在數(shù)學(xué)上可用時間序列x(n)來表示，其中x(n)代表序列的第n個數(shù)字，n代表時間的序列。注意：x(n)只在n為整數(shù)時才有意義, n不是整數(shù)時無定義, 但不能認(rèn)為是0。離散時間信號可以是由模擬信號通過采樣得到，例如對模擬信號xa(t)進行等間隔采樣，采樣間隔為T，得到一個有序的數(shù)字序列xa(nT)就是離散時間信號，簡稱序列。2常用序列單位脈沖序列（單位抽樣）、單位階躍序列、矩形序列、

3、實指數(shù)序列、復(fù)指數(shù)序列、正弦型序列等。3序列的基本運算3.1 序列的加法：z(n)=x (n)+y(n)加法用于序列的合成。它把兩個序列中位置序號相同的樣本相加，形成新的樣本序列。3.2 序列的乘法：z(n)=x(n)×y(n)序列的乘法是一種非線性運算，它用于信號的調(diào)制。它把兩個序列中位置序號相同的樣本相乘，形成新的樣本序列。4序列的卷積上式的運算關(guān)系稱為卷積運算，式中代表兩個序列卷積運算。兩個序列的卷積是一個序列與另一個序列反褶后逐次移位乘積之和，故稱為離散卷積，也稱兩序列的線性卷積。四個步驟：（1）反轉(zhuǎn)：先將x(n)和h(n)的變量n換成m，變成x(m)和h(m) ，再將h(m

4、)以縱軸為對稱軸反轉(zhuǎn)成h(-m) 。（2）移位：將h(-m)移位n，得h(n-m) 。當(dāng)n為正數(shù)時，右移n位；當(dāng)n為負(fù)數(shù)時，左移n位。（3）相乘：將h(n-m)和x(m)的對應(yīng)點值相乘。（4）求和：將以上所有對應(yīng)點的乘積累加起來，即得y(n) 。四、使用儀器、器材計算機，MATLAB軟件五、實驗過程原始記錄（實驗源程序、圖標(biāo)、計算等）1、用matlab編制信號產(chǎn)生子程序，產(chǎn)生以下典型信號序列。2、利用MATLAB編程完成序列(5)和(6)的移位、反轉(zhuǎn)、加法、乘法等運算，并繪制運算后序列的波形。3、利用MATLAB編制一個計算兩個序列線性卷積的通用程序，計算上述兩序列，并繪制卷積后序列的波形。六

5、、實驗結(jié)果分析1如何產(chǎn)生方波信號序列和鋸齒波信號序列？答：方波信號由square函數(shù)可得，鋸齒波信號由循環(huán)語句產(chǎn)生。%方波T=0:0.001:2*pi; %方波的時間向量y=square(6*T); %方波w=6,周期為T=2*pi/6subplot(2,1,1);plot(T,y); %畫方波title('方波');axis(T(1)-1 T(end)+1 -2 2); %坐標(biāo)軸區(qū)域hold on%鋸齒波x=-10:10;y=;for i=1:21 %rem為取余函數(shù)，此循環(huán)使得y(i)交替取值1和-1if rem(i,2)=0 y(i)=-1;else y(i)=1;end

6、endsubplot(2,1,2);plot(x,y);title('鋸齒波')2、實驗中所產(chǎn)生的正弦序列的頻率是多少？是否是周期序列？答：實驗中正弦序列的頻率是10HZ，是周期序列。實驗題目用FFT進行譜分析實驗時間2017年11月21日實驗地點主教1118實驗成績實驗性質(zhì)驗證性設(shè)計性綜合性教師評語：出勤率好原理正確方案合理實驗結(jié)果正確回答問題正確報告規(guī)范一、實驗?zāi)康模?）進一步加深DFT算法原理和基本性質(zhì)的理解（因為FFT只是DFT的一種快速算法，所以FFT的運算結(jié)果必然滿足DFT的基本性質(zhì)）。熟悉FFT程序結(jié)構(gòu)及編程方法。（2）熟悉應(yīng)用FFT對確定信號進行譜分析方法，熟悉

7、FFT算法原理和FFT子程序的應(yīng)用。（3）學(xué)習(xí)用FFT對連續(xù)信號和時域離散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(yīng)有FFT。二、 實驗內(nèi)容(1）用matlab編程產(chǎn)生并畫出信號x1(n)、x2(n)、x3(n)、x4(n)、x5(n)。（2）用matlab編制FFT函數(shù)對上述信號進行頻譜分析，并畫出上述信號譜圖。三、實驗原理一個序列x(n)的離散時間傅里葉變換就是它的頻譜函數(shù)。四、使用儀器、器材計算機，MATLAB五、實驗過程原始記錄（實驗源程序、圖標(biāo)、計算等）（1）用matlab編程產(chǎn)生并畫出信號x1(n)、x2(n)、x3(n)、x4(n)、x5(n)。（2

8、）用matlab編制FFT函數(shù)對上述信號進行頻譜分析，并畫出上述信號譜圖。六、實驗結(jié)果分析1.說明FFT長度N改變對頻譜的影響答：FFT隨長度N增加，主瓣寬度減小，分辨率提高，主峰位置也較準(zhǔn)確2.簡要回答以下問題：在N=8時，x2(n)和x3(n)的幅頻特性會相同嗎？為什么？N=16呢？FFT在什么條件下也可以用來分析周期信號序列的頻譜？如果正弦信號系統(tǒng)sin(2f0k),f0=0.1Hz，用16點FFT來做DFT運算，得到的頻譜是信號本身的真實譜嗎？為什么？（1）答：不相同。當(dāng)N=8時，序列x1(n)和x2(n)中相同的元素值對應(yīng)的 n 值是不同的，所乘的旋轉(zhuǎn)因子的值也不同，因而得到的最終結(jié)

9、果也是不同的。同理，N=16時，所得的幅頻特性也是不同的。（2）答：由于FFT算法對序列長度的要求是 N=2M，M為正整數(shù)。所以，當(dāng)周期信號序列一個周期的長度滿足 N=2M（M為正整數(shù)）的條件時，F(xiàn)FT可以用來分析周期信號的頻譜。不是真實的頻譜。因為序列的周期N=10不是 2 的整數(shù)次冪，所以不是真實的。實驗題目用雙線性變換法設(shè)計IIR數(shù)字濾波器實驗時間2017年11月21日實驗地點主教1118實驗成績實驗性質(zhì)驗證性設(shè)計性綜合性教師評語：出勤率好原理正確方案合理實驗結(jié)果正確回答問題正確報告規(guī)范一、實驗?zāi)康?. 掌握用雙線性變換法設(shè)計IIR DF的原理及具

10、體設(shè)計方法，熟悉用雙線性變換法設(shè)計IIR DF的計算機編程。2. 觀察用雙線性變換法設(shè)計的DF的頻響特性，了解雙線性變換法的特點。3. 熟悉用雙線性變換法設(shè)計BW和CB型DF的全過程。二、實驗內(nèi)容1、讀懂所給參考程序，熟悉程序的整體結(jié)構(gòu)和功能。2、設(shè)計一個CB型低通DF，通帶截頻fp=3000Hz，衰耗滿足Apmax=3dB，阻帶截頻fT=3400Hz,衰耗ATmin=31dB,取樣頻率fs=8000Hz。寫出其模擬濾波器方程及數(shù)字濾波器方程。3、設(shè)計一個BW型低通DF，滿足：通帶截頻fp=100Hz，衰耗滿足Apmax=3dB，阻帶截頻fT=400Hz,衰耗ATmin=15dB,取樣頻率fs

11、=2000Hz。寫出其模擬濾波器方程及數(shù)字濾波器方程。4、設(shè)計一個BW型高通DF，滿足：通帶截頻fp=400Hz，衰耗滿足Apmax=3dB，阻帶截頻fT=350Hz,衰耗ATmin=15dB,取樣頻率fs=1000Hz。寫出其模擬濾波器方程及數(shù)字濾波器方程。5、設(shè)計一個CB型帶通DF，滿足：通帶邊界頻率為100Hz500Hz，通帶衰耗小于3dB，過渡帶寬20Hz，阻帶衰耗大于15dB，取樣頻率fs=2000Hz。寫出其模擬濾波器方程及數(shù)字濾波器方程。三、實驗原理 為了克服沖激響應(yīng)不變法產(chǎn)生的頻率混疊現(xiàn)象，這是從S平面到Z平面的標(biāo)準(zhǔn)變換zesT的多值對應(yīng)關(guān)系導(dǎo)致的，為了克服這一缺點，產(chǎn)生了雙線

12、性變換法。雙線性變換法的映射函數(shù)：固定其中一個變量，則另一個是線性的?；蛘哒f，這種變換對于s和z是雙線性的。 這說明模擬角頻率和數(shù)字角頻率的關(guān)系是非線性的，但是沒出現(xiàn)混疊。在把變換為時產(chǎn)生了非線性畸變。為了克服它帶來的問題，通常要使按上式預(yù)修正，以抵消畸變的影響。根據(jù)上述變換關(guān)系，可以寫出：設(shè)計IIR數(shù)字濾波器的一般步驟：把給出的數(shù)字濾波器的性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬濾波器的性能指標(biāo)根據(jù)轉(zhuǎn)換后的性能指標(biāo)，通過濾波器階數(shù)選擇函數(shù)，來確定濾波器的最小階數(shù)N和固有頻率Wn；由最小階數(shù)N得到低通濾波器原型；由固有頻率Wn把模擬低通濾波器原型轉(zhuǎn)換為低通、高通、帶通、帶阻濾波器運用脈沖響應(yīng)不變法或雙線性變換法把模

13、擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器。四、使用儀器、器材計算機，matlab五、實驗過程原始記錄（實驗源程序、圖標(biāo)、計算等）1、讀懂所給參考程序，熟悉程序的整體結(jié)構(gòu)和功能。2、設(shè)計一個CB型低通DF，通帶截頻fp=3000Hz，衰耗滿足Apmax=3dB，阻帶截頻fT=3400Hz,衰耗ATmin=31dB,取樣頻率fs=8000Hz。寫出其模擬濾波器方程及數(shù)字濾波器方程。3、設(shè)計一個BW型低通DF，滿足：通帶截頻fp=100Hz，衰耗滿足Apmax=3dB，阻帶截頻fT=400Hz,衰耗ATmin=15dB,取樣頻率fs=2000Hz。寫出其模擬濾波器方程及數(shù)字濾波器方程。4、 設(shè)計一個BW型高通DF，

14、滿足：通帶截頻fp=400Hz，衰耗滿足Apmax=3dB，阻帶截頻fT=350Hz,衰耗ATmin=15dB,取樣頻率fs=1000Hz。寫出其模擬濾波器方程及數(shù)字濾波器方程。5、 設(shè)計一個CB型帶通DF，滿足：通帶邊界頻率為100Hz500Hz，通帶衰耗小于3dB，過渡帶寬20Hz，阻帶衰耗大于15dB，取樣頻率fs=2000Hz。寫出其模擬濾波器方程及數(shù)字濾波器方程。六、實驗結(jié)果分析1、與脈沖響應(yīng)不變設(shè)計法相比較，簡述雙線性變換設(shè)計法的優(yōu)缺點。雙線性變換法優(yōu)點：克服多值映射得關(guān)系，可以消除頻率的混疊缺點：時域到頻域的變換是非線性的，在高頻處有較大的失真脈沖響應(yīng)不變法的優(yōu)點：1，模擬頻率到

15、數(shù)字頻率的轉(zhuǎn)換時線性的；2，數(shù)字濾波器單位脈沖響應(yīng)的數(shù)字表示近似原型的模擬濾波器單位脈沖響應(yīng)，因此時域特性逼近好。缺點：會產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，只適合帶限濾波器實驗題目數(shù)字音效處理器的設(shè)計與實現(xiàn)實驗時間2017年12月11日實驗地點主教1118實驗成績實驗性質(zhì)驗證性設(shè)計性綜合性教師評語：出勤率好原理正確方案合理實驗結(jié)果正確回答問題正確報告規(guī)范二、 實驗?zāi)康臄?shù)字音效處理器，是用數(shù)字音頻信號處理技術(shù)來提升和達到各種聲音效果的電子裝置或者音頻變換系統(tǒng)，包括均衡器、數(shù)字混響器、立體聲、特殊音效器等。其通過對音頻進行增益處理、時間處理、頻率處理，改變了原始音頻的特征，從而達到某些需要特殊環(huán)境，如音樂廳、錄音

16、室、戶外才能達到的特殊聲音效果。通過項目實踐，學(xué)生能夠體會到數(shù)字信號處理技術(shù)在數(shù)字音效處理方面的應(yīng)用。在實用過程中比較處理前后的語音回放效果，學(xué)生能親切地、身臨其境地體會到實驗的效果，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實踐能力。二、實驗內(nèi)容1、 對于任意的語音信號進行采樣，對采樣后的語音信號進行頻譜分析。2、 通過人機交互界面完成功能控制，如語音采集、播放、音效處理等按鍵、滑動條控制，要求界面簡單易懂，功能豐富，盡量反應(yīng)使用者的視覺和使用需求。3、 實現(xiàn)均衡算法，要求設(shè)計增益可調(diào)的濾波器，鍵入以分貝為單位的增益值或衰減值，改變對應(yīng)中心頻率處的幅值。4、 變聲，將現(xiàn)場采集的音頻信號，實現(xiàn)

17、男女變聲。5、 混音，要求將多路音頻混合播出，可調(diào)單路音頻的掩飾時間和衰減系數(shù)。6、 其他（學(xué)生自由發(fā)揮）。三、實驗原理1、頻譜是頻率譜密度的簡稱，是頻率的分布曲線。復(fù)雜振蕩分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩，這些諧振蕩的幅值按頻率排列的圖形叫做頻譜。頻譜廣泛應(yīng)用于聲學(xué)、光學(xué)和無線電技術(shù)等方面。頻譜將對信號的研究從時域引入到頻域，從而帶來更直觀的認(rèn)識。把復(fù)雜的機械振動分解成的頻譜稱為機械振動譜，把聲振動分解成的頻譜稱為聲譜，把光振動分解成的頻譜稱為光譜，把電磁振動分解成的頻譜稱為電磁波譜，一般常把光譜包括在電磁波譜的范圍之內(nèi)。分析各種振動的頻譜就能了解該復(fù)雜振動的許多基本性質(zhì)，因此頻譜分析已經(jīng)成為分析各種復(fù)雜振動的一項基本方法。2、均衡器（Equalizer），是一種可以分別調(diào)節(jié)各種頻率成分電信號放大量的電子設(shè)備，通過對各種不同頻率的電信號的調(diào)節(jié)來補償揚聲器和聲場的缺陷，補償和修飾各種聲源及其它特殊作用，一般調(diào)音臺上的均衡器僅能對高頻、中頻、低頻三段頻率電信號分別進行調(diào)節(jié)。在通信系統(tǒng)中，在系帶系統(tǒng)中插入均衡器能夠減小碼間干擾的影響。3、通過自己發(fā)音，共振峰頻率的改變是基本重采樣實現(xiàn)的，從重采樣原理知道