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文檔簡介
1、<p><b> 摘 要</b></p><p> 數(shù)字信號處理是一門理論和技術(shù)發(fā)展十分迅速、廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的前沿交叉性學(xué)科,它的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。頻分復(fù)用就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個(gè)子頻帶(或稱子信道),每一個(gè)子信道傳輸1路信號。頻分復(fù)用要求總頻率寬度大于各個(gè)子信道頻率之和,同時(shí)為了保證各子信道中所傳輸?shù)男盘柣ゲ桓蓴_,應(yīng)在各子信道之間設(shè)立隔離帶,這樣就保
2、證了各路信號互不干擾(條件之一)。頻分復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)是所有子信道傳輸?shù)男盘栆圆⑿械姆绞焦ぷ?,每一路信號傳輸時(shí)可不考慮傳輸時(shí)延,因而頻分復(fù)用技術(shù)取得了非常廣泛的應(yīng)用。我們在生活中接觸到得大部分都是模擬信號,而計(jì)算機(jī)只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理。我們可以通過FFT變換,通過對模擬信號采樣,使其變成數(shù)字信號,本設(shè)計(jì)就是通過FFT來實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)驗(yàn)利用Matlab設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)化,模塊化,圖形化的仿真軟件,為頻分復(fù)用技術(shù)的研究提供平臺。</p>
3、;<p> Matlab語言是一種廣泛應(yīng)用于工程計(jì)算及數(shù)值分析領(lǐng)域的新型高級語言,Matlab功能強(qiáng)大、簡單易學(xué)、編程效率高。它的工具箱里有很多函數(shù)可以方便的對信號進(jìn)行分析與處理。本設(shè)計(jì)是用FFT實(shí)現(xiàn)對三個(gè)同頻帶信號的頻分復(fù)用,就是通過Matlab語言來實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)報(bào)告分析了數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)的過程。用Matlab進(jìn)行數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)的思路,并闡述了課程設(shè)計(jì)的具體方法、步驟和內(nèi)容</p><p
4、> 關(guān)鍵詞:數(shù)字信號處理;隔離帶;MATLAB;頻分復(fù)用</p><p><b> 課程設(shè)計(jì)目的</b></p><p> 綜合運(yùn)用數(shù)字信號處理的理論知識進(jìn)行頻譜分析和濾波器設(shè)計(jì),通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論,再利用MATLAB作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),從而加深對所學(xué)知識的理解,建立概念。學(xué)會(huì)應(yīng)用MATLAB對實(shí)際問題進(jìn)行仿真,并設(shè)計(jì)GUI界面。</p
5、><p><b> 二、設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b> 1課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容</b></p><p> 選擇三個(gè)不同頻段的信號對其進(jìn)行頻譜分析,根據(jù)信號的頻譜特征設(shè)計(jì)三個(gè)不同的數(shù)字濾波器,將三路信號合成一路信號,分析合成信號的時(shí)域和頻域特點(diǎn),然后將合成信號分別通過設(shè)計(jì)好的三個(gè)數(shù)字濾波器,分離出原來的三路信號,分析
6、得到的三路信號的時(shí)域波形和頻譜,與原始信號進(jìn)行比較,說明頻分復(fù)用的特點(diǎn)。</p><p><b> 2、課程設(shè)計(jì)的要求</b></p><p> ?。?)熟悉離散信號和系統(tǒng)的時(shí)域特性。</p><p> ?。?)掌握數(shù)字信號處理的基本概念,基本理論和基本方法。</p><p> ?。?)掌握序列傅里葉變換的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方
7、法,利用序列傅里葉變換對離散間可以分別調(diào)整。</p><p> ?。?)學(xué)會(huì)MATLAB的使用,掌握MATLAB的程序設(shè)計(jì)方法。</p><p> ?。?)掌握MATLAB設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法。</p><p> ?。?)掌握GUI界面的設(shè)計(jì)方法</p><p> ?。?)通過學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn),讓我們掌握更深的專業(yè)知識和提高獨(dú)立科研能
8、力。</p><p> 3課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作</p><p> ?。?)利用MATLAB語言產(chǎn)生三個(gè)不同頻段的信號。</p><p> ?。?)對產(chǎn)生的三個(gè)信號進(jìn)行FFT變換。</p><p> ?。?)將三路信號疊加為一路信號。</p><p> ?。?)根據(jù)三路信號的頻譜特點(diǎn)得到性能指標(biāo),由性能指標(biāo)設(shè)計(jì)三個(gè)濾波
9、器。</p><p> (5)用設(shè)計(jì)的濾波器對信號進(jìn)行濾波,并對其頻譜圖進(jìn)行分析。</p><p> ?。?)分析得到信號的頻譜,并畫出濾波后信號的時(shí)域波形和頻譜。</p><p><b> 三、 詳細(xì)設(shè)計(jì)過程</b></p><p> 1.基本原理(1) 快速傅里葉變換FFT原理</p><
10、p> 快速傅立葉變換(FFT)算法</p><p> 長度為N的序列的離散傅立葉變換為:</p><p> N點(diǎn)的DFT可以分解為兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT,每個(gè)N/2點(diǎn)的DFT又可以分解為兩個(gè)N/4點(diǎn)的DFT。依此類推,當(dāng)N為2的整數(shù)次冪時(shí)(),由于每分解一次降低一階冪次,所以通過M次的分解,最后全部成為一系列2點(diǎn)DFT運(yùn)算。以上就是按時(shí)間抽取的快速傅立葉變換(FFT)算法。當(dāng)需要
11、進(jìn)行變換的序列的長度不是2的整數(shù)次方的時(shí)候,為了使用以2為基的FFT,可以用末尾補(bǔ)零的方法,使其長度延長至2的整數(shù)次方。</p><p> 序列的離散傅立葉反變換為</p><p> 離散傅立葉反變換與正變換的區(qū)別在于變?yōu)?,并多了一個(gè)的運(yùn)算。因?yàn)楹蛯τ谕茖?dǎo)按時(shí)間抽取的快速傅立葉變換算法并無實(shí)質(zhì)性區(qū)別,因此可將FFT和快速傅立葉反變換(IFFT)算法合并在同一個(gè)程序中。</p>
12、;<p> 若信號是模擬信號,用FFT進(jìn)行譜分析時(shí),首先必須對信號進(jìn)行采樣,使之變成離散信號,然后就可按照前面的方法用FFT來對連續(xù)信號進(jìn)行譜分析。按采樣定理,采樣頻率應(yīng)大于2倍信號的最高頻率,為了滿足采樣定理,一般在采樣之前要設(shè)置一個(gè)抗混疊低通濾波器。</p><p> ?。?) 頻分復(fù)用原理</p><p> 復(fù)用是一種將若干個(gè)彼此獨(dú)立的信號,合并為一個(gè)可在同一信道上
13、同時(shí)傳輸?shù)膹?fù)合信號的方法。比如,傳輸?shù)恼Z音信號的頻譜一般在300~3400Hz內(nèi),為了使若干個(gè)這種信號能在同一信道上傳輸,可以把它們的頻譜調(diào)制到不同的頻段,合并在一起而不致相互影響,并能在接收端彼此分離開來。按頻率分割信號的方法稱為頻分復(fù)用,頻分復(fù)用(FDM,F(xiàn)requency Division Multiplexing)就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個(gè)子頻帶(或稱子信道),每一個(gè)子信道傳輸1路信號。頻分復(fù)用要求總頻率寬度大于各個(gè)
14、子信道頻率之和,同時(shí)為了保證各子信道中所傳輸?shù)男盘柣ゲ桓蓴_,應(yīng)在各子信道之間設(shè)立隔離帶,這樣就保證了各路信號互不干擾(條件之一)。頻分復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)是所有子信道傳輸?shù)男盘栆圆⑿械姆绞焦ぷ?,每一路信號傳輸時(shí)可不考慮傳輸時(shí)延,因而頻分復(fù)用技術(shù)取得了非常廣泛的應(yīng)用。</p><p><b> (3)濾波器原理</b></p><p> 數(shù)字濾波器可分為FIR(有限脈沖響
15、應(yīng))和IIR(無限脈沖響應(yīng))兩種。IIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)是兩個(gè)Z的多項(xiàng)式的有理分式,而FIR濾波器的分母為1,即只有一個(gè)分子多項(xiàng)式。</p><p> 本次實(shí)驗(yàn)采用的是巴特沃斯濾波器,把buttord函數(shù)和butter函數(shù)結(jié)合起來,就可以設(shè)計(jì)任意的巴特沃斯IIR濾波器。根據(jù)輸入量的不同,它有以下幾種形式:</p><p> [b,a]=butter(N,wc,’high’): 設(shè)計(jì)N階
16、高通濾波器,wc為它的3dB邊緣頻率,以Π為單位,故0≤w≤1。</p><p> [b,a]=butter(N,wc):當(dāng)wc為具有兩個(gè)元素的矢量wc=[w1,w2]時(shí),它設(shè)計(jì)2N階帶通濾波器,3dB通帶w1≤w≤w2,w單位為Π。</p><p> [b,a]=butter(N,wc,’stop’): 若wc=[w1,w2],則它設(shè)計(jì)2N階帶阻濾波器,3dB通帶為w1≤w≤w2,w
17、單位為Π。</p><p> 為了設(shè)計(jì)任意的選頻巴特沃斯濾波器,必須知道階數(shù)N和3dB邊緣頻率矢量wc。這可以直接利用信號處理工具箱中的buttord函數(shù)計(jì)算。如果已知濾波器指標(biāo)wp,ws,Rp,As,則調(diào)用格式為 </p><p> [N,wc]=buttord(wp,ws,Rp,As)</p><p> 對于不同類型的濾波器,參數(shù)wp和ws有一些限制:
18、對于低通濾波器,wp<ws;對于高通濾波器,wp>ws;對于帶通濾波器,wp和ws分別為具有兩個(gè)元素的矢量,wp=[wp1,wp2]和ws=[ws1,ws2],并且ws1<wp1<wp2<ws2; 對于帶阻濾波器wp1<ws1<ws2<wp2。</p><p> 有些情況下,還對濾波器的相位特性提出要求,理想的是線性相位特性,即移與頻率成線性關(guān)系。實(shí)際的濾波器不可
19、能完全實(shí)現(xiàn)理想幅頻特性,必有一定誤差,因此要規(guī)定適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)。以低通濾波器為例,在[0,wp]的通帶區(qū),幅頻特性會(huì)在1附近波動(dòng);在ws~1的阻帶區(qū),幅頻特性不會(huì)真等于零是一個(gè)大于零的值;wp也不可能等于ws,在[wp,ws]之間,為過渡區(qū);這三個(gè)與理想特性的不同點(diǎn),就構(gòu)成了濾波器的指標(biāo)體系。即通帶頻率wp和通帶波動(dòng),阻帶頻率ws和阻帶衰減。</p><p> 在許多情況下,人們習(xí)慣用分貝為單位,定義通帶波動(dòng)為(分
20、貝)阻帶衰減為(分貝)。</p><p> 對于帶通濾波器,wp應(yīng)表為[wp1,wp2];對于帶阻濾波器,ws應(yīng)表為[ws1,ws2]。其他復(fù)雜形狀的預(yù)期特性通常也可由若干理想的幅頻特性疊合構(gòu)</p><p> 2 方案選擇及設(shè)計(jì)</p><p> ?。?). 復(fù)用——發(fā)信端</p><p> 調(diào)制,將各信號搬移到不同的頻率范圍。&l
21、t;/p><p> ?。?).復(fù)用——收信端</p><p> 收信端:帶通濾波器,分開各路信號,解調(diào)。</p><p><b> 3.程序設(shè)計(jì)流程</b></p><p><b> 四、調(diào)試分析</b></p><p> 1、 設(shè)計(jì)產(chǎn)生三個(gè)信號</p>&
22、lt;p> 2、對三個(gè)信號進(jìn)行FFT變換通過Matlab編程對產(chǎn)生的三個(gè)信號進(jìn)行FFT變換,從而生成頻譜波形圖</p><p> 3、三個(gè)信號的疊加的時(shí)域和頻域 </p><p><b> 4 、設(shè)計(jì)濾波器 </b></p><p> 本次試驗(yàn)的三個(gè)頻率分別為100,200,350</p><p> 4.
23、1、低通濾波器設(shè)計(jì)</p><p> 4.2、切比雪夫帶通濾波器2設(shè)計(jì)</p><p> 4.3、橢圓帶通濾波器3設(shè)計(jì)</p><p> 5、用設(shè)計(jì)的濾波器對信號進(jìn)行濾波</p><p> 5.1用低通濾波器對x進(jìn)行濾波</p><p> 5.2用帶通濾波器2對x進(jìn)行濾波</p><p&g
24、t; 5.3 用帶通濾波器3對x進(jìn)行濾波</p><p><b> 6、主要問題</b></p><p> 在本課程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題主要在兩方面,一方面是開始在截至頻率的選擇上出現(xiàn)的錯(cuò)誤,另一方面是人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)上。在濾波器截至頻率的選擇上,由于原始信號包含100Hz,200Hz,350Hz頻率分量,開始時(shí)在設(shè)計(jì)低通濾波器選擇的不夠好,結(jié)果對處于過渡帶的20
25、0Hz濾波不很理想,最后經(jīng)過幾次修正,濾波的效果變得很理想。在帶通濾波器的截止頻率選擇上也遇到了這樣的問題,進(jìn)過多次分析,問題得到了解決。</p><p> 在人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)上,由于以前沒接觸過GUI方面的知識,剛開始不知如何下手。通過上網(wǎng)查資料和查看參考書,與同學(xué)一起討論,最后初步掌握了基本的設(shè)計(jì)方法,雖然不是很熟練和精通,對復(fù)雜的界面的設(shè)計(jì)也還不太懂,但總算設(shè)計(jì)出了自己的人機(jī)交互界面,雖然界面不夠完美,
26、但基本能夠達(dá)到人機(jī)交互的功能,完成設(shè)計(jì)的要求。</p><p><b> 五、結(jié)果分析與體會(huì)</b></p><p><b> 濾波前</b></p><p><b> 濾波后</b></p><p> 對結(jié)果進(jìn)行分析可得到,三個(gè)頻率不同的信號X1、X2、X3進(jìn)過復(fù)用后
27、,與相應(yīng)的濾波器濾波,得到的三個(gè)濾波后的信號與原信號相比,幅度稍微衰減,但在時(shí)域和頻域上大致一樣,因此可以可以得出濾波器選擇正確,成功的仿真出了頻分復(fù)用。</p><p><b> 心得體會(huì)</b></p><p> 經(jīng)過努力,我終于將課程設(shè)計(jì)完成了。在這次作業(yè)中,我遇到了許多困難,但是通過查資料以及和同學(xué)的討論,我順利的完成了設(shè)計(jì)。這次的課程設(shè)計(jì)讓我受益匪淺。這
28、次設(shè)計(jì)不僅讓我掌握了用MATLAB進(jìn)行信號分析和不同特性濾波器設(shè)計(jì)的方法,也讓我對窗函數(shù)有了更深入的理解。</p><p> 在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中,對我來說,收獲最大的是方法和能力,那些分析和解決問題的方法和能力。在整個(gè)過程中,我發(fā)現(xiàn)我的理論知識和實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)??傮w來說,我覺得做這種設(shè)計(jì)對我的幫助還是很大的,它需要我們將學(xué)過的相關(guān)知識都系統(tǒng)地聯(lián)系起來,對學(xué)過的理論進(jìn)行深入的理解,這就為我們以后進(jìn)行相關(guān)的工作打下了基
29、礎(chǔ)。</p><p><b> 參考文獻(xiàn)</b></p><p> 1. 鄒彥,DSP原理及應(yīng)用,第1版,電子工業(yè)出版社,2006;</p><p> 2.張雄偉,DSP集成開發(fā)與應(yīng)用實(shí)例,第1版,電子工業(yè)出版社,2002;</p><p> 3. 張洪濤等,數(shù)字信號處理,第一版,華中科技大學(xué)出版社,2007&l
30、t;/p><p> 4. 彭啟琮等,DSP技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,第二版,高等教育出版社,2007</p><p> 5. 楊述斌等,數(shù)字信號處理實(shí)踐教程,第一版,華中科技大學(xué)出版社,2007</p><p> 6..薛年喜,MATLAB在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用</p><p> 7.董長紅,MATLAB信號處理與應(yīng)用</p>&l
31、t;p><b> 附 錄</b></p><p><b> 第一步</b></p><p><b> 產(chǎn)生三路信號</b></p><p> t=-1:0.001:1;</p><p><b> n=1:256;</b></p>
32、<p><b> N=512;</b></p><p><b> fs=1000;</b></p><p> x1=cos(200*pi*t);</p><p> f1=n*fs/N;</p><p> subplot(3,1,1)</p><p>&
33、lt;b> plot(x1);</b></p><p> title('x1時(shí)域波形');</p><p> xlabel('x1的時(shí)間');ylabel('x1的幅值');</p><p> axis([0,100,-1.2,1.2])</p><p> x2=co
34、s(400*pi*t);</p><p> subplot(3,1,2)</p><p><b> plot(x2);</b></p><p> title('x2的時(shí)域波形');</p><p> xlabel('x2的時(shí)間)');ylabel('x2的幅值');
35、</p><p> axis([0,100,-1.2,1.2])</p><p> x3=cos(700*pi*t);</p><p> subplot(3,1,3)</p><p><b> plot(x3);</b></p><p> title('x3的時(shí)域波形')
36、;</p><p> xlabel('x3的時(shí)間');ylabel('x3的幅值');</p><p> axis([0,100,-1.2,1.2])</p><p><b> 第二步 </b></p><p> 對三路信號進(jìn)行頻譜分析</p><p>
37、y1=fft(x1,512);</p><p> figure(2);</p><p> subplot(3,1,1)</p><p> plot(f1,abs(y1(1:256)));</p><p> title('x1的頻域波形');</p><p> xlabel('x1的頻率
38、(Hz)');ylabel('x1的幅值');</p><p> axis([0,500,0,300])</p><p> y2=fft(x2,512);</p><p> subplot(3,1,2)</p><p> plot(f1,abs(y2(1:256)));</p><p>
39、 title('x2的頻域波形');</p><p> xlabel('x2的頻率(Hz)');ylabel('x2的幅值');</p><p> axis([0,500,0,300])</p><p> y3=fft(x3,512);</p><p> subplot(3,1,3)&
40、lt;/p><p> plot(f1,abs(y3(1:256)));</p><p> title('x3的頻域波形');</p><p> xlabel('x3的頻率(Hz)');ylabel('x3的幅值');</p><p> axis([0,500,0,300])</p>
41、;<p><b> 第三步</b></p><p> 信號的合成 及對信號的分析</p><p> x=x1+x2+x3;</p><p> figure( 6)</p><p> subplot(211);</p><p> plot(x(1:100));</
42、p><p> title('三個(gè)信號疊加的時(shí)域波形 ');</p><p> y=fft(x,512);</p><p> subplot(212);</p><p> plot(f1,abs(y(1:256)));</p><p> title('三個(gè)信號疊加的頻譜 ')<
43、/p><p> axis([0,600,0,250]) </p><p><b> 第四步</b></p><p><b> 設(shè)計(jì)三個(gè)濾波器</b></p><p><b> fs1=1000;</b></p><p> wpz=2*40*pi/f
44、s;wsz=2*60*pi/fs;</p><p> rp1=1;rs1=20;</p><p> [Nd,wdc]=buttord(wpz,wsz,rp1,rs1);</p><p> [Bdz,Adz]=butter(Nd,wdc);</p><p> [h1,f1]=freqz(Bdz,Adz,512,fs1);</p&g
45、t;<p> plot(f1,abs(h1));grid on</p><p> xlabel('hz');ylabel('db');</p><p> title('巴特沃茲低通濾波器的頻率特性')</p><p><b> fs2=2000;</b></p>
46、<p> wp1=2*100*pi/fs2;wp2=2*300*pi/fs2;</p><p> ws1=2*60*pi/fs2;ws2=2*500*pi/fs2;</p><p> Rp2=1;Rs2=40;</p><p> Wp=[wp1/pi,wp2/pi];Ws=[ws1/pi,ws2/pi];</p><p>
47、 [N,Wn]=cheb1ord(Wp,Ws,Rp2,Rs2);</p><p> [B,A]=cheby1(N,Rp2,Wn);</p><p> [h2,f2]=freqz(B,A,512,fs2);</p><p> plot(f2,abs(h2));grid on</p><p> xlabel('hz');
48、ylabel('db');</p><p> title('切比雪夫帶通濾波器的頻率特性')</p><p> axis([0,600,0,1.1])</p><p> fp1=450;fpu=700;</p><p> fs1=350;fsu=800;</p><p><
49、b> fs=2000;</b></p><p> wp3=[2*fp1/fs,2*fpu/fs];ws3=[2*fs1/fs,2*fsu/fs];</p><p> rp3=1;rs3=30;</p><p> [N3,wpo3]=ellipord(wp3,ws3,rp3,rs3);</p><p> [Be,Ae
50、]=ellip(N3,rp3,rs3,wpo3);</p><p> [h3,f3]=freqz(Be,Ae,512,fs);</p><p> plot(f3,abs(h3));grid on</p><p> xlabel('hz'),ylabel('db');</p><p> title(
51、9;橢圓帶通濾波器的頻率特性')</p><p> axis([0,1000,0,1.1])</p><p><b> 第五步</b></p><p> 用濾波器對信號進(jìn)行濾波</p><p> y1=filter(Bdz,Adz,x);</p><p> Y1=fft(y1,5
52、12);</p><p> subplot(211);</p><p> plot(y1(1:256));</p><p> title('濾波后x1的時(shí)域波形');</p><p> axis([0,100,-1,1])</p><p> f1=1000*(0:256)/512;</p
53、><p> subplot(212)</p><p> plot(f1,abs(Y1(1:257)));</p><p> title('濾波后x1的頻譜波形');</p><p> axis([0,500,0,250])</p><p> y2=filter(B,A,x);</p>
54、<p> Y2=fft(y2,512);</p><p> subplot(211);</p><p> plot(512*t,y2);</p><p> title('濾波后x2的時(shí)域波形');</p><p> axis([0,100,-1,1])</p><p> f2=2
55、000*(0:256)/512;</p><p> subplot(212);</p><p> plot(f2,abs(Y2(1:257)));</p><p> title('濾波后x2的頻譜波形');</p><p> axis([0,500,0,250])</p><p> y3=fi
56、lter(Be,Ae,x);</p><p> Y3=fft(y3,512);</p><p> subplot(211);</p><p><b> plot(y3);</b></p><p> title('濾波后x3的時(shí)域波形');</p><p> axis([0
57、,100,-1,1])</p><p> f1=1000*(0:256)/512;</p><p> subplot(212);</p><p> plot(f1,abs(Y3(1:257)));</p><p> title('濾波后x3的頻譜波形');</p><p> axis([0,5
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