数字信号处理实验指导书(可用)

数字信号处理实验指导书目录前言……………………………………………………………………...…………….1第一章MATLAB基础知识.................................................................................1第二章MATLAB基本数值运算.........................................................................4第三章MATLAB的图形处理功能.....................................................................8第四章MATLAB的程序设计...........................................................................11第五章常用数字信号处理函数.........................................................................16第六章MATLAB在数字信号处理中的应用...................................................23实验一常见离散信号的MATLAB产生和图形显示.............................................33实验二离散系统的频率响应分析和零、极点分布...........................................37实验三序列线性卷积、圆周卷积的计算及其关系的研究...............................39实验四利用DFT分析信号的频谱.....................................................................41实验五信号时间尺度变换的研究.......................................................................43实验六快速傅里叶变换及其应用.......................................................................47实验七IIR滤波器的实现与应用........................................................................56实验八FIR滤波器的实现与应用........................................................................612第一章MATLAB基础知识§1-1MATLAB软件简介MATLAB，MatrixLaboratory的缩写，是由Mathworks公司开发的一套用于科学工程计算的可视化高性能语言，具有强大的矩阵运算能力。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个界面友好的用户环境，在这个环境中，问题与求解都能方便地以数学的语言（主要是矩阵形式）或图形方式表示出来。与大家常用的Fortran和C等高级语言相比，MATLAB的语法规则更简单，更贴近人的思维方式，被称为“草稿纸式的语言”。§1-2MATLAB应用入门1．MATLAB的安装与卸载MATLAB软件在用户接口时具有较强的亲和力，其安装过程比较典型，直接运行光盘中的安装向导支撑程序SETUP.exe，按其提示一步步选择即可。MATLAB自身带有卸载程序，在其安装目录下有uninstall子目录，运行该目录下uninstall.exe的即可；也可以通过Windows系统的安装卸载程序进行卸载。2．MATLAB的启动与退出MATLAB安装完成后，会自动在Windows桌面上生成一个MATLAB图标，它是指向安装目录下\bin\win32\matlab.exe的链接，双击这个图标即可来到MATLAB集成环境的基本窗口；也可以在开始菜单的程序选项中选择MATLAB快捷方式；还可以在MATLAB的安装路径的bin子目录中双击可执行文件matlab.exe。MATLAB的退出与普通WIN32的程序一样，值得一提的是它有一个自身专有的快捷键Ctrl+Q。初次启动MATLAB后，将进入MATLAB默认设置下的桌面平台如图1-1所示。3图1-1MATLAB默认设置下的桌面平台3．MATLAB的桌面平台默认设置下的桌面平台包括6个窗口，分别是MATLAB主窗口、命令窗口(CommandWindow)、历史窗口CommandHistory)、当前目录窗口CurrentDirectory)、发行说明书窗口(LaunchPad)和工作间管理窗口(Workspace)。3．1MATLAB主窗口MATLAB的其它几个窗口都包含在这个大的主窗口中，主窗口不能进行任何计算任务的操作，只用来进行一些整体的环境参数的设置。主要包括菜单栏（File、Edit、View、Web、Window和Help共6个下拉菜单）、工具栏（10个按钮控件）等。工具栏各按钮控件及说明如下所示：3．2命令窗口(CommandWindow)MATLAB的命令窗口如图1-2所示。其中“”为运算提示符，表示MATLAB正处在准备状态。当在提示符后输入一段运算式或命令并按Enter键后，MATLAB4将给出计算结果，然后再进入准备状态。图1-2MATLAB的命令窗口3．3MATLAB常用命令MATLAB有一些嵌入函数，有时应用这些函数可以起到事半功倍的效果。MATLAB常用的控制命令见表1-1。表1-1：MATLAB常用命令命令功能cd显示或改变当前工作目录，与工具栏中同效dir列出当前目录或指定目录下的文件和子目录清单，类似于DOS命令DIRclc、home的所有显示内容，并把光标移到命令窗口的左上角clf清除MATLAB当前图形窗口中的图形clear清除内存中的变量和函数disp显示变量的内容type列出指定文件的全部内容，类似于DOS命令TYPEexit、quit退出MATLABwho列出当前工作空间中的变量whos列出当前工作空间中的变量的更多信息what列出当前目录或指定目录下的.M文件、..MAT文件和..MEX文件which显示指定函数或文件的路径lookfor按照指定的关键字查找所有相关的.M文件5第二章MATLAB基本数值运算§2-1MATLAB内部特殊变量和常数MATLAB内部有很多变量和常数，用以表达特殊含义。常用的有：⑴变量ans：指当前未定义变量名的答案。⑵常数eps：表示浮点相对精度，其值是从1.0到下一个最大浮点数之间的差值。该变量值作为一些MATLAB函数计算的相对浮点相对精度，按IEEE标准，eps=2-52，近似为2.2204e-016。⑶常数Inf：表示无穷大。当输入或计算中有除以0时产生Inf。⑷虚数单位i、j：表示复数虚部单位，相当于1。⑸NaN：表示不定型值，是由0/0运算产生的。⑹常数pi：表示圆周率π，其值为3.1415926535897…。§2-2变量类型1．变量命名规则MATLAB中对变量的命名应遵循以下规则：1）变量名可以由字母、数字和下划线混合组成，但必须以字母开头。2）字符长度不能大于31。3）变量命名区分大小写。2．局部变量和全局变量局部变量是指那些每个函数体内自己定义的，不能从其它函数和MATLAB工作空间访问的变量。全局变量是指用关键字“global”声明的变量。全局变量名应尽量大写，并能反映它本身的含义。如果需要在工作空间和几个函数中都能访问一个全局变量，必须在工作空间和这几个函数中都声明该变量是全局的。§2-3向量及其运算向量运算是矢量运算的基础，向量也是组成矩阵的基本元素之一。1．向量的生成1．1直接输入向量生成向量最直接的方法就是在命令窗口中直接输入。格式上的要求是，向量元素需要用“[]”括起来，元素之间可以用空格、逗号或分号分隔；需要注意的是，用空格和逗号分隔生成行向量，用分号分隔生成列向量。例A=[1,2,3]或A=[123]%生成行向量A=[1;2;3]%生成列向量1．2利用冒号表达式生成向量6冒号表达式的基本形式为x=x0：step：xn，其中x0、step、xn分别为给定数值，x0表示向量的首元素数值，xn表示向量尾元素数值限(只有当xn-x0恰为step值的整数倍时,xn才能成为尾数)，step表示从第二个元素开始，元素数值大小与前一个元素数值大小的差值。例在命令窗口，给向量a、b、c赋值。a=1:2:12a=1357911b=12:-2:1b=12108642c=1:2:13c=1357911131．3特殊向量的生成对于特殊的向量可直接调用MATLAB的函数生成。如y=linsoace(x1,x2,n)用于生成线性等分的n维行向量，使得y(1)=x1，y(n)=x2。另外，向量还可以从矩阵中提取，还可以把向量看成是1×n阶（行向量）或n×1阶（列向量）的矩阵，以矩阵形式生成。2．向量的基本运算2．1加（减）与数乘计算例a=[1,2,3,4];b=[0,1,2,3];c=a-bc=1111d=a-3d=-2-1014*aans=4812162．2对位乘、点积计算同维向量a与b的对位乘用c=a.*b实现，即c的每一个元素之值是a与b对应元素的乘积。同维向量a与b的点积，一个方法是利用函数dot来实现；另一种方法是先生成a与b的对位乘向量c，再取c的各元素和即为a与b的点积。例a.*bans=026127dot(a,b)%或sum(a.*b)ans=20§2-4矩阵及其运算MATLAB具有强大的矩阵运算和数据处理功能，对矩阵的处理必须遵从代数规则。1．矩阵的生成（1）一般矩阵的生成对于一般的矩阵，MATLAB的生成方法有很多种。最简单的方法是从键盘直接输入矩阵元素。直接输入矩阵元素时应注意：各行的元素之间用空格或逗号隔开，行与行之间用分号或回车隔开，用中括号把矩阵所有的元素括起来。例在工作空间产生一个3×3矩阵A可用MATLAB语言描述如下：A=[1，2，3；4，5，6；7，8，9]或A=[123456789]运行结果为A=123456789（2）特殊矩阵的生成对于特殊的矩阵可直接调用MATLAB的函数生成用函数zeros生成全0矩阵：格式为B=zeros(m,n)生成m×n的全0阵。用函数ones生成全1矩阵：格式为B=ones(m,n)生成m×n的全1阵。用函数eye生成单位阵：格式为B=eye(m,n)生成m×n矩阵，其中对角线元素全为1，其它元素为0。2．矩阵的运算矩阵的运算有基本运算和函数运算两种类型。基本运算包括矩阵的加、减、乘、除、幂、转置、逆等，其主要特点是通过MATLAB提供的基本运算符+、－、*、/、^等即可完成。函数运算主要是通过调用MATLAB系统内置的运算函数来求取矩阵的，求秩，求特征值和特征相量，等等。需要时可以参阅联机帮助和相关参考书。例矩阵的基本运算a=[1,2,3;4,5,6];b=[6,5,4;3,2,1];8c=a+b%计算两个矩阵的和c=777777d=b'%计算矩阵b的转置d=635241e=a*d%做矩阵的乘法，必须满足矩阵乘法的基本要求e=28107328f=det(e)%求矩阵e的行列式f=54g=e^(-1)%求矩阵e的逆g=0.5185-0.1852-1.35190.51859第三章MATLAB的图形处理功能从最原始版本的MATLAB开始，图形功能就已经成为基本的功能之一。随着MATLAB版本的逐步升级，MATLAB的图形工具箱从简单的点、线、面处理发展到了集二维图形、三维图形甚至四维表现图和对图形进行着色、消隐、光照处理、渲染及多视角处理等多项功能于一身的强大功能包