信號與系統(tǒng)的課程設計——lti連續(xù)系統(tǒng)時域和頻域分析仿真

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1前言1</b></p><p><b>　　2項目概況1</b></p><p><b>　　3正文2</b></p><p>　　3.1設計的目的和意義2</p>

2、;<p>　　3.1.1設計目的2</p><p>　　3.1.2 設計意義2</p><p>　　3.2設計的目標與總體方案2</p><p>　　3.2.1 設計目標2</p><p>　　3.2.2設計的總體方案2</p><p>　　3.3設計方法及內(nèi)容2</p><

3、;p>　　3.3.1 單位沖激響應，階躍響應2</p><p>　　3.3.2 系統(tǒng)的零輸入響應，零狀態(tài)響應及全響應4</p><p>　　3.3.3繪制系統(tǒng)的幅頻響應和相頻響應圖7</p><p>　　3.3.4繪制系統(tǒng)的零極點圖并分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性8</p><p><b>　　3.4 結(jié)論9</b>&

4、lt;/p><p><b>　　4致謝10</b></p><p><b>　　5參考文獻10</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　信號與系統(tǒng)課程設計是學習《信號與系統(tǒng)》課程必要的教學環(huán)節(jié)。由于該課程是專業(yè)基礎課，需要通過實踐了鞏固基礎知識，為

5、使學生取得最現(xiàn)代化的設計技能和研究方法，課程設計訓練也就成為了一個重要教學環(huán)節(jié)。通過一個模擬信號的一系列數(shù)據(jù)處理，達到進一步完善對信號與系統(tǒng)課程學習的效果。</p><p>　　《信號與系統(tǒng)》課程同時也是一門實用性較強、涉及面較廣的專業(yè)基礎課，該課程是將學生從電路分析的知識領域引入信號處理與傳輸領域的關鍵性課程,對后續(xù)專業(yè)課起著承上啟下的作用. 該課的基本方法和理論大量應用于計算機信息處理的各個領域,特別是通信、

6、數(shù)字語音處理、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號分析等領域,應用更為廣泛。</p><p>　　近年來，計算機多媒體教序手段的運用逐步普及，大量優(yōu)秀的科學計算和系統(tǒng)仿真軟件不斷涌現(xiàn)，為我們實現(xiàn)計算機輔助教學和學生上機實驗提供了很好的平臺。通過對這些軟件的分析和對比，我們選擇MATLAB語言作為輔助教學工具，借助MATLAB強大的計算能力和圖形表現(xiàn)能力，將《信號與系統(tǒng)》中的概念、方法和相應的結(jié)果，以圖形的形式直觀地展現(xiàn)給我們，

7、大大的方便我們迅速掌握和理解老師上課教的有關信號與系統(tǒng)的知識。</p><p>　　此次課程設計是在MATLAB軟件下進行LTI連續(xù)系統(tǒng)分析仿真，有助于我對該連續(xù)信號的分析和理解。MATLAB 強大的功能為此次求系統(tǒng)零狀態(tài)響應、系統(tǒng)零輸入響應等各種信號求解提供很好的視覺效果，對我們有很大的學習幫助。</p><p><b>　　項目概況</b></p>

8、<p>　　我這次做的信號與系統(tǒng)課程設計的任務是在MATLAB軟件下進行LTI連續(xù)系統(tǒng)時域和頻域分析。技術內(nèi)容是：根據(jù)時域分析原理，利用MATLAB軟件求解其單位沖激響應，階躍響應。要求建立仿真模型，同時調(diào)用函數(shù)建立m文件實現(xiàn)求解。對于設計的系統(tǒng)給定一般激勵信號，求解所設計的系統(tǒng)的零輸入響應，零狀態(tài)響應及全響應。繪制系統(tǒng)的幅頻響應和相頻響應圖,繪制系統(tǒng)的零極點圖，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的零極點與時域特性的關系，零極點與系統(tǒng)穩(wěn)定

9、性的關系。技術指標是：沖激響應函數(shù)impulse(b,a)，階躍響應step(b,a)，零狀態(tài)lsim(b,a,x,t)零輸入狀態(tài)step(sys,t)幅頻和相頻特性freqh(b,a,h)繪制系統(tǒng)零極點圖zplane(b,a)。在做課程設計中首先是對MATLAB軟件的了解和認識，掌握一些MATLAB軟件的基本常用函數(shù)的用法，對MATLAB軟件進行程序操作。這次試驗使我增加對仿真軟件MATLAB的感性認識，熟悉MATLAB軟件平臺的使用

10、和MATLAB編程方法及常用語句；了解MATLAB的編程方法和特點；掌握利用MATLAB分析系統(tǒng)頻率響應的方法。初步掌握線性系統(tǒng)的設計方法，培</p><p><b>　　正文</b></p><p>　　3.1設計的目的和意義</p><p><b>　　3.1.1設計目的</b></p><p>

11、;　　通過本設計后，熟悉信號的變換和運算能力，具有對信號的時域和頻域的分析能力，知道信號的發(fā)送、傳輸和接受的過程，要會根據(jù)信號的傳輸指標要求，設計能完成某種功能的電路系統(tǒng)，并且整個系統(tǒng)物理可實現(xiàn)性和對信號的不失真?zhèn)鬏斶M行檢驗。</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　　(1)熟悉信號的轉(zhuǎn)換和運算，并能對信號進行分析；</p>&

12、lt;p>　　(2)會根據(jù)信號的傳輸和課題的要求，設計完成某功能的子系統(tǒng)；</p><p>　　(3)通過實驗，熟悉信號的時域和頻域的分析方法并掌握分析結(jié)果的方法；</p><p>　　(4)在計算機上能模擬信號與系統(tǒng)分析的基本流程，進行系統(tǒng)分析。</p><p>　　3.1.2 設計意義</p><p>　　鞏固已經(jīng)學過的知識，加深對

13、知識的理解和應用，加強學科間的橫向聯(lián)系，學會應用Matlab對實際問題進行仿真，為學習后繼專業(yè)課打下堅實的基礎；在學習信號與系統(tǒng)課程的同時，也掌握了Matlab的應用，將課程中的重點、難點通過Matlab形象、直觀的仿真實現(xiàn)，從而加深對信號與系統(tǒng)基本原理、方法及應用的理解，以培養(yǎng)主動獲得知識和獨立解決問題的能力，同時也增強鍛煉動手、實踐能力。</p><p>　　3.2設計的目標與總體方案</p>

14、<p>　　3.2.1 設計目標</p><p>　?。?）熟悉MATLAB軟件平臺； </p><p>　?。?）掌握MATLAB編程方法、常用語句和可視化繪圖技術； </p><p>　?。?）編程實現(xiàn)常用信號及其運算MATLAB實現(xiàn)方法。</p><p>　?。?）通過MATLAB軟件對LTI連續(xù)系統(tǒng)進行分析仿真。</p

15、><p>　　3.2.2設計的總體方案</p><p>　　(1)閱讀題目，明確題目中要考察的知識點，復習相應的知識點，讀懂題目中要求設計的目的。</p><p>　　(2)查找相關知識點，如何用MATLAB實現(xiàn)，并理解相應程序。</p><p>　　(3)初步進行編程，不懂的地方及時解決。</p><p>　　(4)運用

16、MATLAB數(shù)值求解連續(xù)系統(tǒng)的零狀態(tài)響應、沖激響應和階躍響應，繪制系統(tǒng)的幅頻響應和相頻響應及系統(tǒng)的零極點圖。</p><p>　　3.3設計方法及內(nèi)容</p><p>　　MATLAB（Matrix Laboratory）是美國Math Works公司產(chǎn)品，Matrix Laboratory意為“矩陣實驗室”，最初的MATLAB只是一個數(shù)學計算工具。但現(xiàn)在的MATLAB已經(jīng)遠不僅僅是

17、一個“矩陣實驗室”，它已經(jīng)成為一個集概念設計、算法開發(fā)、建模仿真，實時實現(xiàn)于一體的集成環(huán)境，它擁有許多衍生子集工具。</p><p>　　MATLAB現(xiàn)已被廣泛于數(shù)學、通信、信號處理、自動控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、圖形處理等許多不同學科的研究中。</p><p>　　3.3.1 單位沖激響應，階躍響應</p><p>　　一個LTI系統(tǒng)，當其初始狀態(tài)為零時，輸入為單位沖擊函數(shù)

18、所引起的響應稱為單位沖擊響應，簡稱沖擊響應。一個LTI系統(tǒng)，當其初始狀態(tài)為零時，輸入為單位階躍函數(shù)所引起的響應稱為單位階躍響應，簡稱階躍響應。</p><p><b>　　若一個二階系統(tǒng)：</b></p><p>　　用step(a,b)和impulse(a,b)命令求系統(tǒng)階躍響應和沖激響應，并將其畫出來。</p><p><b>　

19、　源程序為:</b></p><p>　　clear all;</p><p><b>　　a=[3];</b></p><p>　　b=[2 4 1];</p><p>　　step(a,b);</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p&g

20、t;　　impulse(a,b);</p><p>　　subplot(2,1,2);</p><p><b>　　step(a,b)</b></p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)階躍響應和沖激響應圖</p><p>　　如下圖所示，用simulink仿真系統(tǒng)的階躍和沖激響應，并得出圖形。</p><p

21、>　　圖3-2 階躍和沖激響應應用simulink仿真</p><p>　　圖3-3 階躍和沖激響應仿真結(jié)果</p><p>　　3.3.2 系統(tǒng)的零輸入響應，零狀態(tài)響應及全響應</p><p>　　零輸入響應：LTI系統(tǒng)的完全響應可以分為零輸入響應和零狀態(tài)響應。零輸入響應是激勵為零時僅有系統(tǒng)的初始狀態(tài)所引起的響應，用表示。零狀態(tài)響應是系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零時僅由

22、輸入信號引起的響應，用表示。</p><p><b>　　源程序為:</b></p><p>　　clear all;</p><p>　　sys=tf([3],[2,4,1]);</p><p>　　t=0:0.1:10;</p><p>　　y1=step(sys,t);</p>

23、<p>　　figure(1);plot(t,y1);</p><p><b>　　y=[1 2];</b></p><p>　　sys1=ss(sys);</p><p><b>　　u=0*t;</b></p><p>　　z=lsim(sys1,u,t,y);</p>

24、<p>　　figure(2);plot(z);</p><p><b>　　u=y1+z;</b></p><p>　　figure(3);plot(t,u);</p><p>　　如圖所示，下圖依次為求解所設計的系統(tǒng)的零輸入響應，零狀態(tài)響應及全響應所得圖形。</p><p>　　圖3-4 零輸入響應圖&l

25、t;/p><p>　　圖3-5 零狀態(tài)響應圖</p><p><b>　　圖3-6 全響應圖</b></p><p>　　如下圖所示，用simulink仿真系統(tǒng)的零狀態(tài)響應，并得出圖形。</p><p>　　圖3-7 零狀態(tài)響應應用simulink仿真</p><p>　　圖3-8 零狀態(tài)響應圖仿真結(jié)

26、果</p><p>　　3.3.3繪制系統(tǒng)的幅頻響應和相頻響應圖</p><p>　　用frepz函數(shù)求頻率響應，再用abs(),angle()f分別求出頻響曲線的幅度，相位，并將其畫出來。</p><p>　　沖擊響應反映了系統(tǒng)的時域特性，而頻率響應反映了系統(tǒng)的頻域特性二者的關系為：</p><p>　　通常頻率響應函數(shù)（系統(tǒng)函數(shù)）可定義為

27、系統(tǒng)響應的傅里葉變換與激勵的傅里葉變換之比，即：</p><p>　　它是頻率的復函數(shù)，可寫為：，其中是角頻率為的輸出與輸入信號幅度之比，稱為幅頻特性；是輸出與輸入信號的相位差，稱為相頻特性。由于是函數(shù)的傅里葉變換，根據(jù)奇偶性可知是的偶函數(shù)，是的奇函數(shù)。</p><p><b>　　源程序為:</b></p><p>　　clear all;&

28、lt;/p><p>　　a=[2 4 1];b=[3];h=20;</p><p>　　[h,w]=freqs(b,a,h)</p><p>　　h1=abs(h);</p><p>　　h2=angle(h);</p><p>　　subplot(2,1,1);</p><p>　　plot(w,

29、h1)</p><p><b>　　grid</b></p><p>　　xlabel('角頻率(w)');</p><p>　　ylabel('幅度');</p><p>　　title('H(jw)的幅頻特性');</p><p>　　subpl

30、ot(2,1,2);</p><p>　　plot(w,h2*180/pi);</p><p><b>　　grid</b></p><p>　　圖3-9 系統(tǒng)的幅頻響應和相頻響應圖</p><p>　　3.3.4繪制系統(tǒng)的零極點圖并分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性</p><p>　　對于因果系統(tǒng)，h(s)在左

31、半平面的極點所對應的響應都是衰減的，當t趨于無窮時響應函數(shù)趨近于零。極點全在左半平面的系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)。H(s)在虛軸上的二階及二階以上的極點或右半開平面上的極點，其所對應的響應函數(shù)都隨t的增長而增大，當t趨于無窮時，他們都趨于無限大。這樣的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。</p><p>　　clear all;</p><p>　　a=[2 4 1];</p><p><

32、b>　　b=[3];</b></p><p>　　zplane(b,a);</p><p>　　title('系統(tǒng)的零極點圖');</p><p>　　圖3-10 零極點圖</p><p>　　如圖所示，零極點都在左平面，所以系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　通過對MATLAB的學習和掌

33、握運用，使我對此軟件有一定的了解，對下面我做LTI連續(xù)系統(tǒng)時域分析仿真奠定了基礎。</p><p><b>　　3.4 結(jié)論</b></p><p>　　通過這次的課程設計，我深受益匪淺，不僅對信號這門課程有更深入的掌握，還學到其他方面的知識（如Matlab的應用），同時也擺脫枯燥的理論學習，從中體會到學習這門課程的樂趣。在準備課程設計的過程中，遇到許多的困難，但從不

34、感到灰心，因為在做的過程中，同學們都是在一起相互談論，遇到困難就找同學，在這種集體的學習氛圍下，只感受到學習帶來的快樂。通過此次的設計，體會到只有通過實踐，才知道它魅力所在，才能更加深入的掌握，同時也在培養(yǎng)自己獨立思考和解決問題的能力，也增強鍛煉動手、實踐能力。</p><p>　　通過這段時間的課程設計，同時也使我懂得了理論與實際相結(jié)合時很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，

35、從理論中得出結(jié)論，才能真正提高自己對理論知識的熟練掌握和運用。在設計的過程中也遇到了很多問題，才發(fā)現(xiàn)原來自己有如此多的不足之處，對以前學過的知識理解得不夠深刻，掌握也不牢固。</p><p>　　對于中間MATLAB的運用，幸好我以前選修過MATLAB這門課，不然中途不知道會遇到什么樣的困難。不過期間，還是有些不熟悉，在翻閱了大量關于MATLAB的相關畫圖資料，我發(fā)現(xiàn)自己對MATLAB的掌握也更加熟練了。<

36、/p><p>　　在做課程設計的過程中，對書本上的理論知識有了進一步的理解，對于一些似懂非懂的部分，通過再一次看書，編寫程序，調(diào)試結(jié)果，并對結(jié)果進行分析，也理解了。但是，感覺自己對與理論的實際運用還是比較欠缺。同時知道了學習知識的方法，學習理論不是一味的看書，理論應該建立在實踐的基礎上，通過編寫程序去實現(xiàn)某個功能， 對相應知識點有了更進一步的了解，有助于理論的學習。</p><p>　　通過做

37、這次課程設計，對MATLAB有了初步了解，知道了MATLAB的一些用途，雖然選修了數(shù)學建模實驗課，老師在課堂上也講了一些簡單的MATLAB的用法，但是在做設計的過程中才知道那些遠遠不夠，所以又花了很多時間去找那些函數(shù)怎么用，怎么畫圖啊等等，在理論中求頻率響應計算很麻煩，但是用MATLAB只需一個簡單的函數(shù)就可以實現(xiàn)，但有許多細節(jié)如一些語句等，由于時間關系還是不太明白，需要今后加以學習。在做課程設計過程中，發(fā)現(xiàn)什么事不能等別人，自己需要盡

38、自己的努力去做，有不明白的地方要及時去問，還有要學會利用身邊各種資源比如圖書館，網(wǎng)絡等,什么事情沒有親自去做，不要妄下結(jié)論，不要認為自己不行，只有做了才知道其實一些事只要自己認真做了是可以辦的的。同時課程設計培養(yǎng)了我獨自處理問題的能力以及做事的態(tài)度。俗話說：態(tài)度決定一切。只有有端正的態(tài)度，才能盡心的去做。才有可能成功。</p><p>　　這次課程設計終于順利完成，在設計中遇到的運行和調(diào)試問題，最后在老師的耐心指

39、導下，終于游逆而解。在以后的學習過程中我要不段的學習，不斷豐富自己的知識。這次課程設計的順利完成，讓我明白我自己的不足。在以后的學習過程中我會更加的的努力，不斷豐富自己的知識。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　通過這七天的實驗，信號與系統(tǒng)的課程設計也接近了尾聲。信號與系統(tǒng)課程設計是通信工程專業(yè)的基礎教育課程中的重要組成部分，它是計算機和通

40、信專業(yè)結(jié)合的理論基礎，在這做課程設計的兩個星期中，在這里我對為我們進行課程設計輔導的蘇博妮老師表示衷心的感謝，正是她的耐心講解，一直在教室里等著我們提問，還有她的不辭辛苦，更是有她的那種精神，使我能夠完成此次信號與系統(tǒng)的課程設計——LTI連續(xù)系統(tǒng)時域和頻域分析仿真，同時我也學到了很多知識，例如：MATLAB軟件的掌握和應用通過這次的課程設計，我深受益匪淺，不僅對信號這門課程有更深入的掌握，還學到其他方面的知識（如Matlab的應用），同

41、時也擺脫枯燥的理論學習，從中體會到學習這門課程的樂趣。在準備課程設計的過程中，遇到許多的困難，但從不感到灰心，因為在做的過程中，同學們都是在一起相互談論，遇到困難就找同學，有爭議時問老師，在這種集體的學習氛圍下，只感受到學習帶來的快樂。通過此次的設計，體會到只有通過實踐，才知道它魅力所在，才能更加深入的掌握，同時也在培養(yǎng)自己獨立思考和解決問題的能力，也增強鍛煉動手、實踐能力。</p><p>　　再次感謝在課程設

42、計過程中給予我?guī)椭凸膭畹睦蠋熀屯瑢W們，有了他們的幫助，才使我的課程設計順利的完成了，使我深深的感受到團結(jié)就是力量。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]樓順天、李博菡.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設計－信號處理[M].西安：西安電子科技大學出版社，1998.66-68[2]張志涌,徐彥琴.MATLAB教程[M].北京：北京航空航