信号分析与处理实验指导书 [平装] 7030336151,9787030336156

《信号分析与处理实验指导书》“信号与系统”、“数字信号处理”和“DSP技术应用”是通信工程、电子信息处理、计算机应用技术及其自动化等电类专业的重点技术课程。本教材书是配合上述三门课程的实验指导书。本实验指导书分硬件实验和MATALB软件实验。硬件实验1到实验4配合“信号与系统”课程，硬件实验5到实验8配合“数字信号处理”课程，硬件实验9到实验18配合“DSP应用技术”课程。软件实验部分同时配合“信号与系统”和“数字信号处理”课程。附录A介绍了硬件实验1到实验8中常用仪器的使用，便于学生迅速掌握有关仪器的使用方法；附录B简单介绍了MATLAB软件以及相应程序中MATLAB函数，便于迅速查阅；附录D介绍了硬件实验9到实验18中，CCS开发环境，C语言开发文件说明，C2000DSP教学实验箱的原理和功能，便于学生学习。《信号分析与处理实验指导书》的特点是覆盖面广、实用性强，可以作为高等院校电子信息类专业本科生或专科生的实验指导教材，也可供有关技术人员和科研管理人员使用，或作为自学人员的参考书。 前言 第一篇 信号分析与处理硬件实验篇 实验1 周期信号的频谱测试 实验2 系统频率响应特性的测量 实验3 信号通过线性系统 实验4 信号的采样和采样定理 实验5 通用DSP实现IIR滤波器 实验6 通用DSP实现FIR滤波器 实验7 FIR滤波器结构的实现 实验8 FFT分析信号频谱 实验9 DSP开发基础实验 实验10 任意信号发生器 实验11 DSP数据采集 实验12 FIR滤波器的DSP实现 实验13 使用TI库函数实现FIR滤波器 实验14 使用TI库函数实现IIR滤波器 实验15 基于DSP的实时频谱分析 第二篇 信号分析与处理软件实验篇 实验16 熟悉Matlab环境与连续时间信号的时域分析 实验17 连续时间信号的时域分析 实验18 连续信号的变换域分析 实验19 连续时间系统的时域分析 实验20 连续时间系统的变换域分析 实验21 傅里叶变换域的应用 实验22 离散时间信号的时域和变换域分析 实验23 离散时间系统的时域与变换域分析 实验24 系统的状态变量分析法 实验25 IIR数字滤波器的设计 实验26 FIR数字滤波器的设计 实验27 快速傅里叶变换(FFT)及其应用 实验28 滤波器结构及其量化效应 附录 附录A 实验仪器使用说明 附录B Matlab软件简介 附录C DSP开发实验预备知识 版权页： 实验1周期信号的频谱测试 1.1 实验目的 1）掌握周期信号频谱的测试方法。 2）了解典型信号频谱的特点，建立典型信号的波形与频谱之间的关系。 1.2 实验原理及方法 1）信号的频谱可分为幅度谱、相位谱和功率谱，分别是将信号的基波和各次谐波的 振幅、相位和功率按频率由低到高依次排列而成的图形。根据信号的频谱可以了解信号 包含的频率成分以及各成分的相对变化规律。 2）周期连续时间信号的频谱具有离散性、谐波性、收敛性。 例如，正弦波、周期矩形脉冲、三角波的波形和幅度谱分别如图1.1～图1.3所示。 （1）正弦波的波形和幅度谱如图1.1所示。 （2）周期矩形脉冲的波形和幅度谱如图1.2（a）所示。 当周期矩形脉冲的周期T变化和τ变化时，幅度谱如图1.2（b）所示。 （3）三角波的波形和幅度谱如图1.3所示。 由于周期信号的频谱具有离散性，因此，频谱的测试方法可用频谱分析仪直接测量， 亦可用逐点测量法进行测量，本实验使用“逐点测量法”测量幅度谱。所谓“逐点测量法” 就是按频率由低到高将输入信号的各谐波分量一个一个地测量出来。测量中使用的仪器 为选频电平表，选频电平表有两种型号，分别为HX-D21型和YX5014型，其使用方法见 附录A。 1.3 实验前预习内容 1）计算重复频率为500Hz的方波、三角波的频谱，并画出频谱图。 2）计算重复频率为500Hz、脉冲宽度分别为0.4ms和1ms的对称矩形脉冲的频谱， 图1.4实验原理图 并画出频谱图。 3）利用Matlab画出频率分别为10kHz 与12kHz的两正弦信号叠加的时域波形图。 1.4 实验原理图 实验原理如图1.4所示。 1.5 实验内容及步骤 1、测试对称方波的频谱 将函数发生器、示波器、选频电平表按图1.4连接好；信号源输出CH1的输出波形调 为方波（P），输出频率调为500Hz，输出信号幅度调为Vpp＝10V；按附录A中介绍的选频 电平表的使用方法将选频电平表的频率从200Hz逐渐提高，测出方波的前九次谐波分 量，测量数据填入表1.1。 2、测试三角波的频谱 在实验步骤1的基础上，将函数发生器输出CH1的输出波形调为三角波（T），频率 为1000Hz，幅度为Vpp＝10V；用选频电平表测出前九次谐波分量，将测量数据填入 表1.2。 表1.2三角波的前九次谐波幅度 f（n） ｜Cn｜ 3、测试周期矩形脉冲的频谱 1）将函数发生器的输出线接“脉冲”输出端，信号周期（PP）调为2ms，脉宽（PW）调为 0.4ms，用选频电平表测出信号的前九次谐波分量，填入表1.3。 表1.3周期矩形脉冲的前九次谐波幅度 f（n） ｜Cn｜ 2）将信号的脉宽（PW）调为1ms，周期（PP）保持2ms不变，测出前九次谐波分量，填 入表1.4，并与1）进行比较。 表1.4周期矩形脉冲的前九次谐波幅度 4、观测两正弦信号叠加后的波形及频谱 将信号源、示波器、选频电平表和实验板按图1.5所示连接好，并将信号源的输出波 形均调为正弦波（S）。 1）将信号源两路输出（CH1，CH2）的频率分别调为10kHz和11.9kHz，信号幅度均 调为Vpp＝5V，观测示波器上的输出波形并定性记录，然后测出其频谱，记录测量数据。 2）将信号源两路（CH1，CH2）的频率差距加大，即分别调为500Hz和10kHz，幅度 仍为Vpp＝5V，观测示波器上的输出波形并记录，然后测出其频谱，记录测量数据。 图1.5正弦信号叠加的原理图 1.6 实验仪器及设备 双踪示波器一台，函数发生器一台，选频电平表一台，实验板一块。 1.7 实验报告要求 1）叙述实验内容及实验步骤。 2）整理实验数据，并根据实验数据画出频谱图。 3）对“1.5实验内容及步骤”中第3项内容的实验数据进行分析并给出结论。 4）画出实验中观测到的正弦信号叠加的波形，并将实验波形与仿真波形进行比较。 5）说明不同频率正弦信号叠加后信号的特点。若输入信号的频率和幅度发生变化， 输出波形有何改变？ 实验2系统频率响应特性的测量 2.1 实验目的 1）掌握频率响应特性的测量方法。 2）研究典型网络的频率响应特性。 2.2 实验原理 1）系统的频率响应特性是指系统在正弦信号激励下，系统的稳态响应随激励信号频 率变化的情况，用向量形式表示为 H（jΩ）＝Y（jΩ） X（jΩ）＝H（jΩ）ejφ（Ω）（2.1） 其中：｜H（jΩ）｜为幅频特性，表示输出信号与输入信号的幅度比随输入信号频率变化的 关系；φ（Ω）为相频特性，表示输出信号与输入信号的相位差随输入信号频率变化的关系。 2）H（jΩ）可根据系统函数H（s）求得： H（jΩ）＝H（s）|s＝jΩ（2.2） 因此，对于给定的电路，可根椐s域模型先求出系统函数H（s），再求H（jΩ），然后讨论系 统的频响特性。 3）频响特性的测量可分别测量幅频特性和相频特性：对于一稳定系统，在正弦信号激 励下，其稳定响应是与激励信号同频率的正弦信号。若激励信号为x（t）＝Asin（Ω0t+φ0）， 则系统的稳态响应为y（t）＝｜H（jΩ0）｜Asin（Ω0t+φ0+φ（Ω0））。由此可见，响应与激励信号 的幅度比就是幅频特性在当前频率下的取值，而响应与激励的相位差则是相频特性在当前 频率下的取值；当激励信号的频率Ω0发生变化时，响应的幅度及相位就会随之而改变。因 此，幅频特性的测试采用改变激励信号的频率，逐点测出响应的幅度，然后用描图法描出响 应与激励的幅度比随频率变化的规律；相频特性的测量方法亦可改变激励信号的频率，用双 踪示波器逐点测出输出信号与输入信号的延时τ，推算出相位差： φ（Ω）＝2π×τ T（2.3） 当响应超前于激励时，φ（Ω）为正；当响应落后于激励时，φ（Ω）为负，然后描出相位差 φ（Ω）随频率变化的规律。 2.3 实验原理图 图2.1中，R＝38kΩ，C＝3900pF，方框内为实验板上的电路 2.4 实验前预习内容 1）写出原理图中高、低通及并联后滤波器网络的电压转移函数。 2）利用Matlab画出图中高、低通及并联后滤波器网络的幅频特性及相频特性曲线， 并计算截止频率。 3）思考测量输入、输出信号相位差的具体方法。 4）思考测试频响特性时，测试点频率应如何选取。 2.5 实验内容及步骤 将信号源输出CH1的信号波形调为正弦波，信号的幅度调为Vpp＝10V。 1、RC高通滤波器的频响特性的测量 将信号源的输出端（A）接实验板的IN1端，滤波后的输出信号OUT1接示波器的输 入端（B）；根据被测电路的参数及系统的幅频特性，将输入信号的频率从低到高逐次改变 十次以上（幅度保持Vipp＝10V），逐个测量输出信号的峰峰值大小（Vopp）及输出信号与输 入信号的相位差φ（Ω），并将测量数据填入表2.1。 表2.1RC高通滤波器测量数据 Vipp/V10101010101010101010 f/Hz Vopp/V φ（Ω） 2、RC低通滤波器的频响特性的测量 将信号源的输出端（A）接实验板的IN2端，滤波后的输出信号OUT2接示波器的输 入端（B）；根据被测电路的参数及系统的幅频特性，将输入信号的频率从低到高逐次改变。