RZ8663型信号与系统实验讲义Word版.docx
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RZ8663型信号与系统实验讲义Word版
实验一抽样定理与信号恢复
一、实验目的
1.观察离散信号频谱,了解其频谱特点;
2.验证抽样定理并恢复原信号。
二、实验原理
1.离散信号不仅可从离散信号源获得,而且也可从连续信号抽样获得。
抽样信号Fs(t)=F(t)·S(t)。
其中F(t)为连续信号(例如三角波),S(t)是周期为Ts的矩形窄脉冲。
Ts又称抽样间隔,Fs=
称抽样频率,Fs(t)为抽样信号波形。
F(t)、S(t)、Fs(t)波形如图1-1。
图1-1连续信号抽样过程
将连续信号用周期性矩形脉冲抽样而得到抽样信号,可通过抽样器来实现,实验原理电路如图1-2所示。
2.连续周期信号经周期矩形脉冲抽样后,抽样信号的频谱
它包含了原信号频谱以及重复周期为fs(fs=
、幅度按
Sa(
)规律变化的原信号频谱,即抽样信号的频谱是原信号频谱的周期性延拓。
因此,抽样信号占有的频带比原信号频带宽得多。
以三角波被矩形脉冲抽样为例。
三角波的频谱
F(jω)=
抽样信号的频谱
Fs(jω)=
式中
取三角波的有效带宽为3
作图,其抽样信号频谱如图1-3所示。
图1-3抽样信号频谱图
如果离散信号是由周期连续信号抽样而得,则其频谱的测量与周期连续信号方法相同,但应注意频谱的周期性延拓。
3.抽样信号在一定条件下可以恢复出原信号,其条件是fs≥2Bf,其中fs为抽样频率,Bf为原信号占有频带宽度。
由于抽样信号频谱是原信号频谱的周期性延拓,因此,只要通过一截止频率为fc(fm≤fc≤fs-fm,fm是原信号频谱中的最高频率)的低通滤波器就能恢复出原信号。
如果fs<2Bf,则抽样信号的频谱将出现混迭,此时将无法通过低通滤波器获得原信号。
图1-4实际低通滤波器在截止频率附近频率特性曲线
在实际信号中,仅含有有限频率成分的信号是极少的,大多数信号的频率成分是无限的,并且实际低通滤波器在截止频率附近频率特性曲线不够陡峭(如图1-4所示),若使fs=2Bf,fc=fm=Bf,恢复出的信号难免有失真。
为了减小失真,应将抽样频率fs取高(fs>2Bf),低通滤波器满足fm<fc<fs-fm。
为了防止原信号的频带过宽而造成抽样后频谱混迭,实验中常采用前置低通滤波器滤除高频分量。
本实验采用有源低通滤波器作信号恢复电路。
信号抽样与恢复实验流程图如图1-5所示。
图1-5信号抽样与恢复实验流程图
三、实验内容
1.观察抽样信号波形
①在信号发生器部分,将J702置于“三角”,选择P702信号输出为三角波,拨动开关K701选择为“函数”;按S702使P702信号输出的频率为1kHz,调节电位器W701,使P702信号输出的幅值为1Vpp(用示波器观测信号输出P702点)。
②连接P702与P601,输入抽样原始信号F(t),连接P701与P602,输入抽样脉冲
信号S(t)。
③参考表1-1,拨动地址开关SW704改变抽样脉冲信号S(t)的频率,用示波器观测TP603在不同抽样脉冲信号频率下的抽样信号波形Fs(t)(注意:
此时需把拨动开关K601拨到“空”位置)。
抽样脉冲信号
Fs(t)的波形
3kHz
6kHz
12kHz
1234(SW704选择开关)
f(频率)
/T(占空比)
0101
3k
1/2
0110
3k
1/4
0111
3k
1/8
1001
6k
1/2
1010
6k
1/4
1011
6k
1/8
1101
12k
1/2
1110
12k
1/4
1111
12k
1/8
表1-1抽样脉冲选择
(注:
地址开关的不同组合,信号发生器P701端输出不同频率和占空比的抽样脉冲)
2.验证抽样定理与信号恢复
(1)在上述实验的基础上,拨动开关K601拨到“2k”位置,选择截止频率fc1=2kHz的滤波器,在TP604观测在不同抽样脉冲信号频率下恢复的信号波形F'(t)。
抽样脉冲信号
F'(t)波形
3kHz
6kHz
12kHz
(2)在上述实验的基础上,拨动开关K601拨到“4k”位置,选择截止频率fc1=4kHz的滤波器,在TP604观测在不同抽样脉冲信号频率下恢复的信号波形F'(t)。
抽样脉冲信号
F'(t)波形
3kHz
6kHz
12kHz
四、实验报告要求
1.整理数据,正确填写表格,总结离散信号频谱的特点;
2.整理在不同抽样频率(三种频率)情况下,F(t)与F′(t)波形,比较后得出结论;
3.比较F(t)分别为正弦波和三角形,其Fs(t)的频谱特点。
五、实验设备
1.双踪示波器1台
2.信号系统实验箱1台
实验二矩形脉冲信号的分解和合成
一、实验目的
1.分析典型的矩形脉冲信号,了解矩形脉冲信号谐波分量的构成;
2.观察矩形脉冲信号通过多个数字滤波器后,分解出各谐波分量的情况;
3.观察矩形脉冲信号分解出的各谐波分量可以通过叠加合成出原矩形脉冲信号。
二、实验原理
1.信号的频谱与测量
信号的时域特性和频域特性是对信号的两种不同的描述方式。
对于一个时域的周期信号
,只要满足狄利克莱(Dirichlet)条件,就可以将其展开成三角形式或指数形式的傅里叶级数。
例如,对于一个周期为T的时域周期信号
,可以用三角形式的傅里叶级数求出它的各次分量,在区间
内表示为
即将信号分解成直流分量及许多余弦分量和正弦分量,研究其频谱分布情况。
图2-1信号的时域特性和频域特性
信号的时域特性与频域特性之间有着密切的内在联系,这种联系可以用图2-1来形象地表示。
其中图2-1(a)是信号在幅度—时间—频率三维座标系统中的图形;图2-1(b)是信号在幅度--时间座标系统中的图形即波形图;把周期信号分解得到的各次谐波分量按频率的高低排列,就可以得到频谱图。
反映各频率分量幅度的频谱称为振幅频谱。
图2-1(c)是信号在幅度--频率座标系统中的图形即振幅频谱图。
反映各分量相位的频谱称为相位频谱。
在本实验中只研究信号振幅频谱。
周期信号的振幅频谱有三个性质:
离散性、谐波性、收敛性。
测量时利用了这些性质。
从振幅频谱图上,可以直观地看出各频率分量所占的比重。
测量方法有同时分析法和顺序分析法。
同时分析法的基本工作原理是利用多个滤波器,把它们的中心频率分别调到被测信号的各个频率分量上。
当被测信号同时加到所有滤波器上,中心频率与信号所包含的某次谐波分量频率一致的滤波器便有输出。
在被测信号发生的实际时间内可以同时测得信号所包含的各频率分量。
在本实验中采用同时分析法进行频谱分析,如图2-2所示。
信号合成
信号分解
图2-2用同时分析法进行频谱分析
其中,P801出来的是基频信号,即基波;P802出来的是二次谐波;P803的是三次谐波,依此类推。
2.矩形脉冲信号的频谱
一个幅度为E,脉冲宽度为τ,重复周期为T的矩形脉冲信号,如图2-3所示。
图2-3周期性矩形脉冲信号
其傅里叶级数为:
该信号第
次谐波的振幅为:
由上式可见第
次谐波的振幅与
、
、
有关。
3.信号的分解提取
进行信号分解和提取是滤波系统的一项基本任务。
当我们仅对信号的某些分量感兴趣时,可以利用选频滤波器,提取其中有用的部分,而将其它部分滤去。
目前DSP数字信号处理系统构成的数字滤波器已基本取代了传统的模拟滤波器,数字滤波器与模拟滤波器相比具有许多优点。
用DSP构成的数字滤波器具有灵活性高、精度高和稳定性高,体积小、性能高,便于实现等优点。
因此在这里我们选用了数字滤波器来实现信号的分解。
在数字滤波器模块上,选用了有8路输出的D/A转换器TLV5608(U502),因此设计了8个滤波器(一个低通、六个带通、一个高通)将复杂信号分解提取某几次谐波。
分解输出的8路信号可以用示波器观察,测量点分别是TP801、TP802、TP803、TP804、TP805、TP806、TP807、TP808。
4.信号的合成
矩形脉冲信号通过8路滤波器输出的各次谐波分量可通过一个加法器,合成还原为原输入的矩形脉冲信号,合成后的波形可以用示波器在观测点TP809进行观测。
电路中用8根导线分别控制各路滤波器输出的谐波是否参加信号合成,用导线把P801与P809连接起来,则基波参于信号的合成。
用导线把P802与P810连接起来,则二次谐波参于信号的合成,以此类推,若8根导线依次连接P801-P809、P802-P810、P803-P811、P804-P812、P805-P813、P806-P814、P807-P815、P808-P816,则各次谐波全部参于信号合成。
另外可以选择多种组合进行波形合成,例如可选择基波和三次谐波的合成;可选择基波、三次谐波和五次谐波的合成等等。
如果滤波器设计正确,则分解前的原始信号(观测TP501)和合成后的信号应该相同。
信号波形的合成电路图如图2-4所示。
图2-4信号合成电路图
三、实验内容
1.将J702置于“脉冲”位置,拨动开关K701选择“脉冲”,连接P702与P101;
2.按下选择键SW102,此时在数码管SMG102上将显示数字,继续按下按钮,直到显示数字“5”;
3.矩形脉冲信号的脉冲幅度
和频率
按要求给出,改变信号的脉宽
,测量不同
时信号频谱中各分量的大小。
示波器可分别在TP801、TP802、TP803、TP804、TP805、TP806、TP807和TP808上观测信号各次谐波的波形。
根据表3-1、表3-2中给定的数值进行实验,并记录实验获得的数据填入表中。
注意:
在调节输入信号的参数值(频率、幅度等)时,需在P702与P101连接后,用示波器在TP101上观测调节。
S704按钮为占空比选择按钮,每按下一次可以选择不同的占空比输出。
(1)
:
的数值按要求调整,测得的信号频谱中各分量的大小,其数据按表的要求记录。
表2-1
的矩形脉冲信号的频谱
,T=
,
,
,
谐波频率
1f
2f
3f
4f
5f
6f
7f
8f以上
理论值
电压峰峰值
测量值
电压峰峰值
(2)
:
矩形脉冲信号的脉冲幅度
和频率
不变,
的数值按要求调整,测得的信号频谱中各分量的大小,其数据按表的要求记录。
表2-2
的矩形脉冲信号的频谱
,T=
,
,
,
谐波频率
1f
2f
3f
4f
5f
6f
7f
8f以上
理论值
电压峰峰值
测量值
电压峰峰值
注意4个跳线器K801、K802、K803、K804应放在左边位置。
4个跳线器的功能为:
当置于左边位置时,只是连通;当置于右边位置时,可分别通过W801、W802、W803、W408调节各路谐波的幅度大小。
4.将上述矩形脉冲信号(
,
,
)分解得到的各次谐波信号,按表2-3的要求,分别接入信号合成模块,在输出端观察并记录合成结果,调节电位器W805可改变合成后信号的幅度。
表2-3矩形脉冲信号的各次谐波之间的合成
波形合成要求
合成后的波形
基波与三次谐波合成
三次与五次谐波合成
基波与五次谐波合成
基波、三次与五次谐波合成
基波、二、三、四、五、六、七及
八次以上高次谐波的合成
没有二次谐波的其他谐波合成
没有五次谐波的其他谐波合成
没有八次以上高次谐波的其他谐波合成
5.将上述矩形脉冲信号(
,
,
)分解得到的各次谐波信号,按表2-3的要求,分别接入信号合成模块,在输出端观察并记录合成结果,调节电位器W805可改变合成后信号的幅度。
四、实验报告要求
1.按要求记录和分析各实验数据,填写表2-1、表2-2;
2.据示波器上的显示结果,画图填写表2-3;
3.矩形脉冲信号为例,总结周期信号的分解与合成。
五、实验设备
1.信号与系统实验箱1台
2.双踪示波器1台
六、思考题
1.
的矩形脉冲信号在哪些谐波分量上幅度为零?
请画出基波信号频率为5kHz的矩形脉冲信号的频谱图(取最高频率点为10次谐波)。
2.方波信号在哪些谐波分量上幅度为零?
请画出信号频率为2kHz的方波信号的频谱图(取最高频率点为10次谐波)
3.要提取一个
的矩形脉冲信号的基波和2、3次谐波,以及4次以上的高次谐波,你会选用几个什么类型(低通?
带通?
…)的滤波器?
。
实验三信号的频谱分析及应用
一、实验目的
1.了解模拟信号数字化的原理;
2.了解DSP数据采集软件;
3.了解使用硬件实验系统进行信号频谱分析的基本思路;
4.掌握使用RZ8663信号与系统实验平台进行实时信号频谱分析的方法;
5.了解语音信号特点;
6.理解滤波器的作用。
二、工作原理
微处理器对信号处理的前提是信号数字化,因此模拟信号首先要经过A/D使其成为数字信号。
RZ8663的AD芯片用的是10位串行TLV1572,它和DSP间的接口很简洁,只需4根线。
在DSP中编入相应采集软件后,模拟信号经AD数字化读入DSP中,DSP中后续软件即可对读入的数据进行处理:
进行卷积;滤波;DA输出;USB输出(虚拟仪表)等。
如将语音信号采集后直接从USB口输出,我们就可在计算机上观测到数字化后的语音信号。
DSP数字信号处理器可以对实时采集到的信号进行FFT运算以实现时域与频域的转换,FFT运算结果反映的是频域中各频率分量幅值的大小,从而使画出频谱图成为可能。
用DSP实验系统进行信号频谱分析的基本思路是:
先求取实时信号的采样值并送入硬件系统,同时将进行FFT运算的汇编程序调入实验系统,经运算求出对应的信号频谱数据,其结果在PC机屏幕上显示,使DSP硬件系统完成一台信号频谱分析仪的功能,如图1。
语音信号的频率成分比较丰富,一般频率分量分布在0-20kHz间,但语音的主要能量在300Hz到3400Hz间。
实际应用中为了线路的利用率,我们通常对语音信号进行带限处理,即将语音信号的频率成分限在一定的范围内。
带限处理实际上是对语音信号进行低通或带通滤波。
图1实验系统进行信号频谱分析的程序框图
三、实验内容
1.采集经AD转换后的周期方波、三角波和正弦波信号波形。
2.观测实时周期方波、三角波和正弦波信号的频谱。
3.观测非周期语音信号的波形和频谱。
4.自行设计一个数字滤波器对语音信号处理,并将处理结果从喇叭输出,比较处理前后语音变化。
四、实验步骤
(一)周期信号的时域和频谱分析
1.连接计算机和实验平台的USB接口,对实验平台加电;
2.按下SW102按钮选择DSP工作的程序,当程序号模块显示“7”时,即可进入信号采集和频谱分析实验;
3.连接P702和P101,将周期信号(2kHz方波、1kHz三角波和3kHz正弦波)分别送入DSP模块;
4.运行“数据采集软件”,实验平台将AD数据通过USB传至PC机,并保存于“数据采集软件”当前的文件夹中,数据文件名为:
*.tdms。
连续采集时间最长为60秒。
(本软件详细使用说明见附录一);
5.运行“信号分析软件”,软件界面有4个窗口,分别是:
原始时域信号,原始信号频谱,滤波处理后时域信号,处理后信号频谱,如图2。
图2信号的时域和频谱分析
软件操作简要说明:
a)窗口上方的“设定进度”用于选定分析数据的启始点;
b)右上角的文件管理器用于选定要分析的数据文件;
c)右上方两个旋钮中左侧“取点数”旋钮用于选定时域窗口一屏显示的点数;右侧“取点间隔”旋钮用于选定两次取数间的间隔时间;
d)滤波器参数设定区需设定滤波器类型和通阻带频率,频率单位为Hz,设定完后需“回车”确认;
f)时域和频域的分折结果能即时在相应的窗口显示。
(二)语音信号的时域和频谱分析
1.将麦克风连接到语音输入J501,语音信号输出J502联到P101,将语音信号送入DSP模块;
2.运行“数据采集软件”,连续采集时长不超过6秒的语音信号;
3.运行“信号分析软件”,观测语音原始时域信号,原始信号频谱,滤波处理后语音时域信号,处理后信号频谱;
4.将音乐信号输出J503联到P101,将音乐信号送入DSP模块;
5.运行“数据采集软件”,连续采集时长不超过6秒的音乐信号;
6.运行“信号分析软件”,观测音乐原始时域信号,原始信号频谱,滤波处理后音乐时域信号,处理后信号频谱。
(三)语音信号的带限处理
1.将音乐信号输出J503联到功放输入J504,仔细分辨输出音乐信号的特点;
2.设计数字带通滤波器:
点击MATLAB图标进入MATLAB工作环境。
在MATLAB指令窗下键入:
DSPM,再按回车键,MATLAB将出现“数字信号处理实验辅助分析与设计系统”主界面。
在FIR滤波器辅助设计中选择窗函数法,完成数字带通滤波器的设计(数字滤波器在线设计详细使用说明见附录二);
3.按下SW102按钮选择DSP工作的程序,当程序号模块显示“8”时,运行“滤波器设计”程序,出现如图3所示的界面,点击“滤波器系数装载”按钮把设计好的滤波器数据文件firiir.dat装入应用程序;
图3滤波器系数装载窗口
4.将音乐信号输出J503联到P101送入DSP模块,经加载设计好的滤波器后,将数字信号处理输出P801连到功放输入J504,验证设计的滤波器,仔细分辨音乐信号经带限处理后声音的变化情况和特点。
5.设计数字一个低通或高通滤波器,重复上述2~4步的实验内容。
附录一:
RZ8663B型数据采样分析软件
RZ8663B型数据采样分析软件是和RZ8663B型实验箱配套的数据采样分析软件。
本软件主要完成实验过程中模拟信号的采样,数据存储,滤波及频谱分析等功能。
通过实验可以让学生直观的观察数字信号处理过程中各个步骤完成的基本功能,加深对理论知识的理解。
一.软件介绍
本软件是使用Labview8.2编写,运行需要支持文件,使用时请将可执行文件以及其支持文件放到独立的文件夹下,在数据采样过程中,建议其采样数据文件不要同程序放到同一个文件夹下,防止删除数据时误删文件,导致程序无法正常运行。
在使用软件时,要严格按照实验步骤进行操作,操作错误或不当可能会造成数据同实验箱通信不正常,严重的可能会因为数据拥塞导致电脑死机。
二.软件使用说明
1.打开软件后主界面如下图1-1所示。
图1-1RZ8663VI主界面
界面包含三个按钮:
数据采样,数据分析,退出。
选择数据采样、数据分析可分别进入相对应的子程序界面进行实验。
需要注意的是,因程序运行中调用了多个控件,因此退出时不要点击右上角的关闭框,而是选择界面上的退出按钮,安全退出程序。
2.数据采样界面
选择数据采样按钮后,会进入如下图1-2所示界面。
图1-2数据采样子界面
本界面在采样过程中,完成数据存储路径、采样时间长度的选择,并实时监控USB连接状态,显示采样的数据波形。
下面根据具体实验步骤对软件的使用进行说明:
1)进行数据采样前,用USB数据线连接实验箱和电脑,并按动实验箱上SW101按钮,使数码管显示数字“7”,选择实验7进行本次实验。
完成上述工作后请确定USB连接状态正常,左下角矩形指示灯亮,方框显示“USB已连接”。
USB未连接进行实验,会弹出对话框“USB未连接!
!
”。
如果连接不正常请检查原因(选择按钮刷新USB。
检查驱动程序是否安装。
将DSP复位或实验箱电源关闭重新实验)。
2)USB连接正常后开始数据采集。
单击界面上
图标按钮,选择文件存储路径,并对存储文件进行命名,并确保文件名后缀为.tdms。
如果没有选择文件存储路径,点击开始采集按钮会弹出对话框“请创建数据文件路径,并确保路径无误”。
3)完成后将希望采集的模拟信号通过连接线送至实验箱铆孔P101处,选择按钮采集开始,开始进行数据采集,采集开始按钮后面的指示灯亮。
4)采集完成后,选择停止采集按钮,停止数据的采集。
如果没有手动停止采集,采集时长达到60S后自动停止采集。
5)采集完成后,可选择返回按钮,开始对采集数据进行分析。
6)继续采集按钮是在需要对上次采集数据进行添加时使用,一般不建议使用,因为这样会使同一存储文件数据量增大,导致数据分析时读取困难。
如果采样过程正常,会有下图1-3所示界面:
图1-3数据采样过程界面
注:
此参考波形为2kHz方波,数据存储路径为D:
\8663data\data_1.tdms。
在下面介绍的数据分析过程将以此数据为基础进行数据分析界面的说明。
说明:
界面左上角的读取数据个数框中显示的是读取的实时数据量,该值不超过2048表明数据没有发生拥塞,否则请停止采样,刷新USB后重新开始。
3.数据分析界面
选择数据采样按钮后,会进入如下图1-4所示界面。
图1-4数据分析界面
数据分析界面对采样得到的数据进行分析,可以通过界面直观的观察数据的特性。
通过设置滤波器的特性值,观察波形的各个组成成分。
为分析过程方便,界面提供了数据起始分析进度设定,方便使用者对特定的某段数据进行分析。
根据取样点数和分析速率的设定,方便使用者根据自己采样得到的数据频率进行不同的数据分析过程设定。
1)首先选择需要分析的数据文件。
点击右上角的
图标,打开存储数据文件,文件后缀为.tdms。
未选择数据文件,选择开始分析按钮时,会弹出提示对话框“请选择分析文件路径”。
2)选择好数据文件后,点击开始分析按钮开始数据分析。
默认开始分析时间为存储数据的起始时间,因此在使用时可以根据需要,拉动上端设定进度的条形格,进行分析数据起始时间的选择,对特定的某段数据进行分析。
进度刻度为N%,100%即为数据分析完毕。
如果已得到满意参数,不需要进行整个分析过程,可选择停止分析按钮,停止分析过程。
3)右侧有取点数和分析速率两个旋钮,其中取点数对一次取得的数据样点数进行设定。
分析速率设定每两次取得的数据间隔,方便使用者设定合适的速率对数据进行分析。
通过这两个旋钮的设定,取合适的的分析参数,让分析达到理想的效果。
4)滤波器的选择和设定。
本软件提供四种基本的滤波器,低通、高通、带通、带阻,在分析过程中可根据需要通过下拉列表进行选择,并可设定具体参数,参数设定后按回车键进行确认。
5)本界面提供了信号的基本参数测量值,“频率”和“峰峰值”,读取这两个测量值时请确保波形数据为单频信号,否则此测量值无效。
下图1-5是使用该软件进行数据分析时的界面:
图1-5数据分析过程界面
由分析结果可知,采集得到的2k方波由2k,6k,10k,14k,18k…的谐波组成,通过2K的低通滤波器后,超过2K的谐波被滤除,只剩下2k的谐波,就得到了下面所示的波形。
附录二:
数字滤波器在线设计
1.进入数字滤波器辅助分析与设计系统
点击MATLAB图标进入MATLAB工作环境。
在MATLAB指令窗下键入:
DSPM,再按回车键,MATLAB将出现“数字信号处理实验辅助分析与设计系统”主界面(如图2-1)。
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- RZ8663 信号 系统 实验 讲义 Word