实验指导书 数字信号处理 电子电信11275341.docx

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实验指导书数字信号处理电子电信11275341

《数字信号处理》

实验指导书

王晓宁编

沈阳大学信息工程学院

课程编号：

11275341课程类别：

基础必修课

适用层次：

本科适用专业：

电子信息工程、电子科学与技术

课程总学时：

32适用学期:

第5学期

实验学时：

12开设实验项目数：

3

撰写人：

王晓宁审核人：

周昕教学院长：

王晖

实验一信号的频谱分析

一、实验目的与要求

通过实验确实了解信号的时域、频域特征，对这两个信号空间有较真实的了解

Ø熟悉MATLAB的操作界面；熟悉常用MATLAB常用指令的用法。

Ø了解语音信号的采集、回放处理。

Ø加深对DFT算法原理和基本性质的理解；

Ø熟悉FFT算法原理和FFT子程序的应用；

Ø学习用FFT对连续信号和时域信号进行谱分析的方法，了解可能出现的分析误差及其原因，以便在实际中正确应用FFT。

二、实验类型

验证（4学时）

三、实验原理及说明

（1）利用计算机OS中的播放软件播放歌曲，所播放出来的音乐通过其声卡的输出端（主机箱背面的绿色音频输出端口）输出模拟音频信号。

（2）此模拟音频信号经黑色音频线被送达计算机的音频输入端（主机箱背面的粉色音频输出端口），并由计算机内部的声卡进行声音信号的采集。

（3）在MATLAB软件环境中导入数字音乐信号，仔细观察声音信号时间域（频率域）波形（曲线）体现出的周期特征。

离散傅立叶变换DFT的定义：

将时域的采样变换成频域的周期性离散函数，频域的采样也可以变换成时域的周期性离散函数，这样的变换称为离散傅立叶变换，简称DFT。

利用DFT将所采集的音频信号进行时、频域转换，并观察二者之间的联系。

FFT是DFT的一种快速算法，将DFT的N2步运算减少为

步，极大的提高了运算的速度。

Ø旋转因子的变化规律。

Ø蝶形运算规律。

Ø基2FFT算法。

四、实验仪器

序号

名称

主要用途

1

计算机

DSP硬件支持

2

MATLAB6.5版以上软件

DSP软件支持

五、实验内容和步骤

【准备工作】

1．用音频对录线，连接计算机主机箱的的音频“麦克输入”接口（粉色）和主机的音频输出口（绿色）；

2．将音乐文件“东邪西毒.mp3”或同学们自己准备的音乐文件复制到计算机中，并用系统中的音频播放器（如“千千静听”或“mediaplayer”等）播放（注意，为了实验方便，最好将播放方式设置成“循环”方式）；

（一）时频分析

1．将实验程序au_sample2.m复制到装有Matlab软件的磁盘的相应Matlab目录中的“work”文件夹中；

2．双击桌面上Matlab软件的快捷图标

，打开Matlab软件；

3．在菜单栏中选择“File－＞open－＞M-File”或是点击快捷按钮

，在对话窗中选定本次试验程序au_sample2.m，在m文件编辑器中打开；

4．仔细阅读程序，了解程序执行过程；

5．在程序代码第14行的“-”位置双击鼠标左键，建立断点（如图所示红点所在位置）；

6．在菜单栏中选择“Debug－＞Run”或点击快捷按钮

、或按F5运行程序；（结果可以用虚拟示波器观察或用耳机听）实现语音信号的回放；

7．单击

采用步进方式运行程序，观察语音采集的（双声道）各帧信号波形和频谱；

8．记录波形，写实验报告。

9．修改程序（或调用程序au_sample3.m），对语音信号做重低音加重（断点设置如下图），重新观察（听）音频信号的变化，并加以记录，将修改过程、所观察到的结果记录在实验报告上。

（二）FFT

1、复习DFT的定义、性质和用DFT作谱分析的有关内容；

2、将实验程序au_fft.m复制到装有Matlab软件的磁盘的相应Matlab目录中的“work”文件夹中；

3、双击桌面上Matlab软件的快捷图标

，打开Matlab软件；在菜单栏中选择“File－＞open－＞M-File”或是点击快捷按钮

，在对话窗中选定本次试验程序au_fft.m，在m文件编辑器中打开；

4、仔细阅读程序，了解程序执行过程；

5、在程序代码第14行的“-”位置双击鼠标左键，建立断点（如上图所示红点所在位置）；

6、在菜单栏中选择“Debug－＞Run”或点击快捷按钮

、或按F5运行程序；（结果可以用虚拟示波器观察或用耳机听）实现语音信号的回放；

7、单击

采用步进方式运行程序，观察语音采集的（双声道）各帧信号波形和FFT幅频特性；

8、记录波形，写实验报告。

六、实验数据处理与分析

在MAtlab环境，同步观察输入语音信号波形及其频谱结果，记录，定性地分析时、频域之间的对应关系

七、注意事项

1.实验说明：

在设置断点时，要注意调试过程，即：

（1）先在源程序中相应的位置断点，再运行；

（2）若要修改程序，要点击

，保存程序后再运行，否则新设置的内容不会直接体现在运行结果中；

2.音量的影响：

实验时，输入及输出音量应视情况做适当调整，以避免采集信号因强度过大造成溢出或是强度太小造成信号幅度波动太小，不利于观察和记录。

3.主要函数说明：

closeall　　　　　　　％关闭所有（绘图）窗口

clearall　　　　　　　％清除工作台所有变量

clc　　　　　　　　　％清屏

ｘ＝input（'ｙ'，‘s’）;%在命令窗口中显示内容“y”，并将用户输入的内容以字符串（’s’）形式存入变量“x”

fori=1:

fr%固定次数循环，循环变量i从1按步长1增至fr时循环结束

end

y=wavrecord（fr_l,fs,ch,dtype）;%将声卡采集的音频信号数据存入变量“y”，其中fr_l为音频信号采样点的个数（即帧长），fs为采样频率，ch为声道数，dtype为保存采样值时的数据类型（“double”指双精度类型）

subplot（2,2,1）%在绘图窗口按两行两列划分子图，并指定其中的第一幅（即第一行、第一列）

plot（y（:

1））%在制定图区将数组“y”的所有行（用“：

”表示）、第一列以曲线形式绘出

num2str（i）%将数字i转换为相应数字的字符串数据类型

title（zh1）%在图区上方显示标题zh1

floor（fr_l/2）;%计算fr_l/2后向下取整

Y=fft（y）;%计算数组“y”的FFT并将结果赋给变量“Y”

YY=abs（Y）;%计算数组“Y”的绝对值或模并将结果赋给变量“YY”

wavplay（y）%将数组“y”按音频播放

h=bartlett（fr_l）;%生成长度为fr_l的三角窗并赋给变量h

out=zeros（fr*fr_l,ch）;%生成fr*fr_l行ch列的零矩阵out

Y1（:

1）=h1.*Y（:

1）;%将数h1和Y（：

，1）的对应元素相乘（即求两信号乘积），结果写入Y1（:

1）;

y1=real（ifft（Y1））;%求Y1的IFFT并将其实部赋给数组y1

wavwrite（out,fs,name1）%将二维数组out按照采样频率fs写入音频文件name1，保存格式为“*.wav”

soundview（name1）%将音频文件name1播放出来并在播放窗口上显示该音频文件的波形

八、预习与思考题

1.音频信号在时域和频域的表现特征有什么区别？

2.音频信号在时域和频域的表现特征有什么区别？

3.对于不同的N，幅频特性会相同吗？

为什么？

实验二：

LPF、HPF、BPF的幅频特性

一、实验目的与要求

Ø了解各种不同类别数字滤波器在时频域的异同

Ø熟悉Matlab软件的Simulink开发环境

二、实验类型

设计（4学时）

三、实验原理及说明

利用Matlab软件提供的Simulink仿真功能对混合信源进行滤波并观察结果。

其混合信源由正弦基波信号和二次谐波、四次谐波信号相叠加构成，对此混合信号源分别利用LPF、HPF、BPF进行滤波，借以观察LPF、HPF、BPF滤波器的滤波性能（主要是幅频特性）。

四、实验仪器

序号

名称

主要用途

1

计算机

DSP硬件支持

2

MATLAB6.5版以上软件

DSP软件支持

五、实验内容和步骤

实验内容：

Ø利用Matlab的仿真功能观察LPF的时频域特性

Ø利用Matlab的仿真功能观察HPF的时频域特性

Ø利用Matlab的仿真功能观察BPF的时频域特性

Ø观察比较不同DF的滤波效果

实验步骤：

本实验通过调用Simulink中的功能模块构成数字滤波器的仿真框图，在仿真过程中，可以双击各功能模块，随时改变参数，获得不同状态下的仿真结果。

1.构造以基波为主的原始信号

，（其中线性加权值a、b、c可以自己设置），并计算出信源信号中各分量的数字角频率；

2.通过Simulink环境下的DigitalFilterDesign（数字滤波器设计）模块进行参数设置，分别根据信源信号中各分量的数字角频率设计出LPF、BPF、HPF，将基波分量、二次谐波分量和四次谐波分量分别滤出，并观察结果；

 Simulink仿真图及滤波效果图

（例如：

可以从上图看到经过数字滤波后分离出了四次谐波分量scope1。

）

六、实验数据处理与分析

记录实验结果，定性地分析几种不同滤波器之间的异同。

七、注意事项

对滤波器的仿真要设定好仿真参数，尤其要注意原始信号数字角频率的计算和LPF、BPF、HPF三种滤波器的截止角频率的设置。

八、预习与思考题

Ø数字角频率与模拟角频率之间的关系是什么？

Ø以上几种不同类别的滤波器的作用分别是什么？

实验三：

DF设计

一、实验目的与要求

Ø熟悉设计IIR数字滤波器的原理与方法（双线性变换）；

⏹掌握数字滤波器的计算机仿真方法；

⏹通过观察对实际信号的滤波作用，获得对数字滤波的感性认识。

Ø掌握用窗函数法设计FIR数字滤波器的原理和方法；

⏹熟悉线性相位FIR数字滤波器特性；

⏹了解各种窗函数对滤波特性的影响。

二、实验类型

综合（4学时）

三、实验原理及说明

Ø无限冲击响应数字滤波器的基础理论；

Ø巴特沃斯低通滤波器（AF）设计方法；

Ø双线性变换法DF设计步骤。

Ø有限冲击响应数字滤波器的基础理论

有限冲击响应数字滤波器具有严格的线性相位特性，其单位脉冲响应仅含有有限个非零值，是因果的有限长序列。

目前关于有限冲击响应数字滤波器的设计方法主要有三种：

窗函数法，频率取样法和切比雪夫等波纹逼近的最优化设计方法。

各种方法都有其优缺点，使用时应根据需要进行选择。

一般应用较多的是第一和第三种方法。

因为窗函数法比较简单，可应用现成的窗函数公式，在技术指标要求不高时比较方便灵活的。

最优化设计法必须借助计算机计算。

切比雪夫等波纹线性相位滤波器的机助设计程序已经比较完善，采样瑞梅兹迭代算法，设计效率也很高，在应用中越来越占优势。

Ø窗函数设计法原理

使设计的滤波器逼近理想单位取样响应序列，可采取如下方法；一是用有限项和来逼近无限项和；二是将无限长的响应序列进行有限延时，从而由非因果的系统得到了因果的系统。

四、实验仪器

序号

名称

主要用途

1

计算机

DSP硬件支持

2

MATLAB6.5版以上软件

DSP软件支持

五、实验内容和步骤

1．复习有关巴特沃斯滤波器设计和用双线性变换法设计IIR数字滤波器的知识；

2．用音频对录线，连接计算机主机箱的的音频“麦克输入”接口（粉色）和主机的音频输出口（绿色）；

3．将音乐文件“东邪西毒.mp3”或同学们自己准备的音乐文件复制到计算机中，并用系统中的音频播放器（如“千千静听”或“mediaplayer”等）播放（注意，为了实验方便，最好将播放方式设置成“循环”方式）；

（一）双线性变换法IIRDF设计

4．将实验程序au_IIR_1.m复制到装有Matlab软件的磁盘的相应Matlab目录中的“work”文件夹中；

5．双击桌面上Matlab软件的快捷图标

，打开Matlab软件；在菜单栏中选择“File－＞open－＞M-File”或是点击快捷按钮

，在对话窗中选定本次试验程序au_IIR_1.m，在m文件编辑器中打开；

6．仔细阅读程序，了解程序执行过程；

7．在程序代码第28行的“-”位置双击鼠标左键，建立断点（如图所示红点所在位置）；

8．在菜单栏中选择“Debug－＞Run”或点击快捷按钮

、或按F5运行程序；（结果可以用虚拟示波器观察或用耳机听）实现语音信号的回放；

9．单击

采用步进方式运行程序，观察语音采集的（单声道）各帧信号滤波前后波形和频谱的变化；

10．记录波形，写实验报告。

（二）窗函数法FIRDF设计

11．复习如何设计FIR数字滤波；

12．将实验程序au_FIR_1.m复制到装有Matlab软件的磁盘的相应Matlab目录中的“work”文件夹中；

13．双击桌面上Matlab软件的快捷图标

，打开Matlab软件；在菜单栏中选择“File－＞open－＞M-File”或是点击快捷按钮

，在对话窗中选定本次试验程序au_FIR_1.m，在m文件编辑器中打开；

14．仔细阅读程序，了解程序执行过程；

15．在程序代码第66行的“-”位置双击鼠标左键，建立断点（如图所示红点所在位置）；

16．在菜单栏中选择“Debug－＞Run”或点击快捷按钮

、或按F5运行程序；（结果可以用虚拟示波器观察或用耳机听）实现语音信号的回放；

17．单击

采用步进方式运行程序，观察语音采集的（单声道）各帧信号滤波前后波形和频谱的变化；

18．记录波形，写实验报告。

六、实验数据处理与分析

1.简述IIR滤波器的基本原理；

2.对比滤波前后音频信号在时、频域分别发生了怎样的变化？

3.描绘出输入、输出数组的曲线。

4.总结设计FIR滤波器的基本原理；

5.对比滤波前后音频信号在时、频域分别发生了怎样的变化？

6.描绘出输入、输出数组的曲线。

七、注意事项

函数说明：

[N,wc]=buttord（wp,wst,det1,det2,'s'）;%按照通带截止频率wp、阻带截止频率ws、通带允许最大衰减det1、阻带必须达到的最小衰减det2、在拉普拉斯变换域（即模拟域，用‘s’表示）计算巴特沃斯滤波器的阶数N、3dB截止频率wc

[b,a]=butter（N,wc,'s'）;%按照阶数N、3dB截止频率wc在拉普拉斯变换域（即模拟域，用‘s’表示）计算巴特沃斯滤波器的系统函数，并将分子多项式系数写入数组b，分母多项式系数写入数组a

[bz,az]=bilinear（b,a,1）;%用双线性变换法将模拟滤波器（系统函数的分子分母多项式系数分别在数组b、a中）按照变换系数c=1数字化为数字滤波器DF，其DF的系统函数的分子分母多项式系数分别在数组bz、az中

[H,w]=freqz（bz,az,256,'whole'）;%将系统函数（分子分母多项式系数分别在数组bz、az中）对应的DF的频率响应的一个周期全部画出来（采样256点），H中放的是频率响应的采样值，w中是所采样点处的（数字角）频率

axis（[1,length（y）,-2,2]）;%指定图区横纵坐标的范围

figure%新建图形窗口

xlabel（'数字角频率'）%为指定图区的横坐标作单位说明

switchtype%分支函数，指定变量“type”取1~6时分别做什么

case{1},G=0.9;

case{2},G=2.1;

case{3},G=3.1;

case{4},G=3.3;

case{5},G=5.5;

case{6},G=5;

end

N=ceil（x）;%将变量x向上取整，结果写入变量N

stem（n,hd）%以n为横坐标、hd为函数值绘制离散序列

y=conv（s2,h）;%计算数组s2和h的线性卷积，结果写入数组y

八、预习与思考题

1．对滤波前后的信号波形，说明数字滤波器的滤波过程与滤波作用。

Ø如果给定通带截止频率和阻带截止频率以及阻带最小衰减，如何用窗函数法设计线性相位低通滤波器？

写出设计步骤。

Ø定性说明本实验中，3dB截止频率的理论值在什么位置？

是否等于理想低通的截止频率？

Ø如果要求用窗函数法设计带通滤波器，且给定上下边带截止频率，试求理论带通的单位脉冲响应。

【附录A】MATLAB简介

【附录B】m文件简介