信号与系统实验报告手册-matlab

福建师范大学协和学院本科实验报告课程名称：信号与系统实验学院（系）：专业：班级：学号：学生姓名：2010年8月28日实验项目列表序号实验项目名称学时成绩指导教师预习操作结果1连续信号的实现22连续信号与系统时域分析23连续信号与系统的频域分析24连续时间LTI系统的复频域分析2统计总成绩：《信号与系统实验》报告填写要求一、每一个实验项目均须提交一份实验预习报告和一份实验报告，批改后下发的实验报告请保存起来，期末上交。二、实验报告内容：1.实验目的和要求：明确实验的内容和具体任务；2.实验原理和内容：实验内容的简要原理、图表、公式、计算（详细计算过程和结果）等；3.主要仪器设备：包括硬件和软件两部分；4.实验步骤及操作方法：操作步骤、操作规范和操作注意事项等；5.实验结果与分析：明确地写出最后结果，并对自己得出的结果进行具体、定量的结果分析；杜绝只罗列不分析；6.问题与思考：简要回答思考题；7.全部文字叙述内容要求简明扼要，思路清楚；8.用铅笔和直尺绘制坐标图或打印了粘贴上去；其他文字和数据等部分不能使用铅笔，需要用黑色或蓝色钢笔、圆珠笔填写（包括坐标纸上填写的数据、标题等）；坐标纸单独成页，写好姓名、专业、班级、学号，同时标注该图对应的详细实验名称、题目名称和内容；坐标图的坐标要明确，数据点要清晰；同一坐标系内出现2条或2条以上的曲线要用不同符号明确区分；9.实验日期、实验台、同组员姓名。三、要求实验报告字迹工整、文字简练、数据齐全、图表规范、计算正确，分析充分、具体、定量。对于抄袭实验报告和编篡原始数据的行为，一经发现，以零分处理，并根据相关条例给予处分。福建师范大学协和学院实验预习报告指导教师签字：成绩：实验一连续信号的实现一、实验目的和要求1、熟悉和掌握常用的用于信号与系统时域仿真分析的MATLAB函数；2、掌握用MATLAB描述连续时间信号的方法，能够编写MATLAB程序，实现各种信号的时域变换和运算，并且以图形的方式再现各种信号的波形。二、实验原理信号（Signal）一般都是随某一个或某几个独立变量的变化而变化的，例如，温度、压力、声音，还有股票市场的日收盘指数等。在自然界中，大多数信号的时间变量都是连续变化的，因此这种信号被称为连续时间信号（Continuous-TimeSignals）或模拟信号（AnalogSignals），例如前面提到的温度、压力和声音信号就是连续时间信号的例子。而系统则用于对信号进行运算或处理，或者从信号中提取有用的信息，或者滤出信号中某些无用的成分，如滤波，从而产生人们所希望的新的信号。一个复杂的信号，可以把它看成是一系列基本信号单元的线性组合。连续基本信号包括冲激信号、阶跃信号、正弦信号和指数信号等等。而信号的叠加可以通过信号的基本运算来实现，包括对多个信号的加减、翻转、平移、尺度变换等等运算。将多个基本信号通过一定的基本运算来构成一个复杂的信号。连续信号最常用的描述方法有函数法和波形图表示法，函数法是将信号表示成独立时间变量t的函数；而波形图法是用函数曲线表示一个信号。三、实验中使用到的主要函数福建师范大学协和学院实验报告指导教师签字：成绩：实验一连续信号的实现一、主要仪器设备硬件设备：软件设备：二、实验结果分析1、将单位冲激信号和单位阶跃信号的函数文件在MATLAB文件编辑器中编写好，并分别以文件名delta和u存入work文件夹中以便于使用。编写程序Q1_1产生并画出以下信号：（1）单位冲激信号（2）单位阶跃信号。2、根据示例程序的编程方法，编写一个MATLAB程序Q1_2，由给定信号x(t)=e-0.5tu(t)求信号y(t)=x(1.5t+3)，并绘制出x(t)和y(t)的图形。三、思考1、如果将第1题中的delta程序里的dt改为“0.0001”，与原程序比哪个更接近冲激函数？福建师范大学协和学院实验预习报告指导教师签字：成绩：实验二信号与系统的时域分析一、实验目的和要求1、熟悉和掌握常用的用于信号与系统时域仿真分析的MATLAB函数；2、牢固掌握系统的单位冲激响应的概念，掌握LTI系统的卷积表达式及其物理意义，掌握卷积的计算方法；3、掌握利用MATLAB计算卷积的编程方法；4、掌握MATLAB描述LTI系统的常用方法及有关函数，并学会利用MATLAB求解LTI系统响应，绘制相应曲线。二、实验原理同时具有线性性和时不变性的系统，叫做线性时不变系统，简称LTI系统。给定一个连续时间LTI系统，在系统的初始条件为零时，用单位冲激信号δ(t)作用于系统，此时系统的响应信号称为系统的单位冲激响应（Unitimpulseresponse），一般用h(t)来表示。需要强调的是，系统的单位冲激响应是在激励信号为δ(t)时的零状态响应（Zero-stateresponse）。系统的单位冲激响应是一个非常重要的概念，对于一个系统，如果我们知道了该系统的单位冲激响应，那么，该系统对任意输入信号的响应信号都可以求得。也就是说，系统的输入信号x(t)和输出信号y(t)之间的关系可以用一个数学表达式来描述，这个数学表达式为dthxthtxty)()()(*)()(1.11这个表达式就是LTI系统的卷积模型，它是根据系统的线性和时不变性以及信号可以分解成单位冲激函数经推理得到的。这个表达式实际上告诉了我们一个重要的结论，那就是，任意LTI系统可以完全由它的单位冲激响应h(t)来确定。由于系统的单位冲激响应是零状态响应，故按照式1.11求得的系统响应也是零状态响应。式1.11中的积分运算叫做卷积积分，是描述连续时间系统输入输出关系的一个重要表达式。三、实验中使用到的主要函数福建师范大学协和学院实验报告指导教师签字：成绩：实验二信号与系统的时域分析一、主要仪器设备硬件设备：软件设备：二、实验结果分析1、编写程序Q2_1，使之能够接受以键盘方式输入的定义在不同时间段的两个不同连续时间信号并完成卷积运算，分别绘制这两个信号及其卷积的结果的图形，图形按照22分割成四个子图。2、仿照范例程序Program2_2，编写程序Q2_2，绘制由如下微分方程表示的系统在输入信号为f(t)=(e-2t-e-3t)u(t)时的零状态响应曲线。)(8)(2)(3)(22tftydttdydttyd三、思考，做如下总结：1、信号与系统分析，就是基于信号的分解，在时域中，信号主要分解成：2、求解连续时间LTI系统的单位冲激响应、单位阶跃响应以及系统在某一个输入信号作用下的零状态响应的MATLAB函数有哪些？福建师范大学协和学院实验预习报告指导教师签字：成绩：实验三连续时间LTI系统的频域分析一、实验目的和要求1、掌握系统频率响应特性的概念及其物理意义；2、掌握系统频率响应特性的计算方法和特性曲线的绘制方法；3、学习和掌握幅度特性、相位特性的物理意义；4、掌握用MATLAB语言进行系统频响特性分析的方法。二、实验原理所谓频率特性，也称为频率响应特性，简称频率响应（Frequencyresponse），是指系统在正弦信号激励下的稳态响应随频率变化的情况，包括响应的幅度随频率的变化情况和响应的相位随频率的变化情况两个方面。由上图中可得时域信号三者之间的关系为：)(*)()(thtfty，由傅里叶变换的时域卷积定理可得到：)()()(jHjFjY3.1或者：)()()(jFjYjH3.2)(jH为系统的频域数学模型，它实际上就是系统的单位冲激响应h(t)的傅里叶变换。即dtethjHtj)()(3.3在研究系统的频率响应时，更多的是把它表示成极坐标形式：)()()(jejHjH3.4上式中，)j(H称为幅度频率响应（Magnituderesponse），反映信号经过系统之后，信号各频率分量的幅度发生变化的情况，)(称为相位特性（Phaseresponse），反映信号经过系统后，信号各频率分量在相位上发生变换的情况。)(jH和)(都是频率的函数。三、实验中使用到的主要函数图一：连续时间LTI系统的时域及频域分析图系统LTI)(th)(jH)(ty)(jY)(jF)(tf福建师范大学协和学院实验报告指导教师签字：成绩：实验三连续时间LTI系统的频域分析一、主要仪器设备硬件设备：软件设备：二、实验结果分析1、修改程序Program3_1，并以Q3_1存盘，使之能够能够接受键盘方式输入的微分方程系数向量。并利用该程序计算并绘制由微分方程Eq.3.1、Eq.3.2描述的系统的幅度响应特性、相位响应特性、频率响应的实部和频率响应的虚部曲线图。系统1：dttdftydttdydttyd)()()()(25122Eq.3.1系统2：)()()()()(tftydttdydttyddttyd2223Eq.3.21）抄写程序Q3_1如下：执行程序Q3_1，绘制的系统1的频率响应特性曲线如下：2）从系统1的幅度频率响应曲线看，系统1是低通、高通、全通、带通还是带阻滤波器？答：3）修改程序Q3_1，保存为Q3_2要求绘制的系统2的频率响应特性曲线的横坐标是一个对称的区域（范围自选）。频率响应特性曲线如下：4）从系统2的幅度频率响应曲线看，系统2是低通、高通、全通、带通还是带阻滤波器？在通带范围内，这个系统能否实现无失真传输，为什么？答：福建师范大学协和学院实验预习报告指导教师签字：成绩：实验四连续时间LTI系统的复频域分析一、实验目的和要求1、掌握拉普拉斯变换的物理意义、基本性质及应用；2、掌握用拉普拉斯变换求解连续时间LTI系统的时域响应；3、掌握用MATLAB对系统进行变换域分析的常用函数及编程方法。基本要求：掌握拉普拉斯变换及其基本性质，掌握应用拉普拉斯变换求解系统的微分方程，能够自己编写程序完成对系统时域响应的求解。二、实验原理拉普拉斯变换（TheLaplacetransform）主要用于系统分析。描述系统的另一种数学模型就是建立在拉普拉斯变换基础上的“系统函数（SystemFunction）”——H(s)：)()()()()(txLsXtyLsYsH换系统激励信号的拉氏变换系统冲击响应的拉氏变4.1系统函数)(sH的实质就是系统单位冲激响应（ImpulseResponse）)(th的拉普拉斯变换。因此，系统函数也可以定义为：dtethsHst)()(4.2所以，系统函数)(sH的一些特点是和系统的时域响应)(th的特点相对应的。在教材中，我们求系统函数的方法，除了按照拉氏变换的定义式的方法之外，更常用的是根据描述系统的线性常系数微分方程（LinearConstant-CoefficientDefrentialEquation），经过拉氏变换之后得到系统函数)(sH。三、实验中使用到的主要函数福建师范大学协和学院实验报告指导教师签字：成绩：实验四连续时间LTI系统的复频域分析一、主要仪器设备硬件设备：软件设备：二、实验结果分析1、已知一个因果系统的系统函数为61165)(233ssssssH，作用于系统的输入信号为)()(4tuetft（1）试用MATLAB帮助你求系统的冲击响应表达式；零状态响应信号y(t)的数学表达式。抄写你用MATLAB求解的命令及求解过程及结论（结合必要的文字说明）：（2）另外，编写MATLAB程序，要求绘制出上述系统输入信号、系统的单位冲激响应和系统的输出信号波形。【产生单位阶跃信号的扩展函数为：】%Unitstepfunctionfunctiony=u(t)y=(t=0);%y=1fort0,elsey=0