基于MATLAB的连续时间系统的频域分析

Matlab应用实践课程设计课程设计任务书学生姓名：专业班级：电子科学与技术0701班指导教师：刘金根工作单位：信息工程学院题目:基于MATLAB的连续时间系统的频域分析初始条件：MATLAB6.5微机要求完成的主要任务:深入研究连续时间信号和系统时域分析的理论知识。利用MATLAB强大的图形处理功能、符号运算功能以及数值计算功能，实现连续时间系统频域分析。1.利用MATLAB分析系统的频率特性；2.用MATLAB实现连续时间信号的采样及重构；3.撰写《MATLAB应用实践》课程设计说明书。时间安排：学习MATLAB语言的概况第1天学习MATLAB语言的基本知识第2、3天学习MATLAB语言的应用环境，调试命令，绘图能力第4、5天课程设计第6-9天答辩第10天指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日Matlab应用实践课程设计目录摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ1.绪论………………………………………………………………………………12.对课题内容的分析…………………………………………………………………22.1连续时间信号概述………………………………………………………………22.2采样定理…………………………………………………………………………22.3总体思路…………………………………………………………………………23．MATLAB的仿真实现……………………………………………………………33.1利用MATLAB分析系统的频率特性…………………………………………33.1.1低通滤波器的频率特性……………………………………………………33.1.2高通滤波器的频率特性……………………………………………………43.1.3全通滤波器的频率特性……………………………………………………63.1.4帯通滤波器的频率特性…………………………………………………63.2用MATLAB实现连续时间信号的采样及重构…………………………………63.2.1过采样………………………………………………………………………73.2.2等采样………………………………………………………………………73.2.3欠采样………………………………………………………………………84.心得体会…………………………………………………………………………105.参考文献…………………………………………………………………………11附录…………………………………………………………………………12Matlab应用实践课程设计I摘要本文介绍了基于MATLAB的连续时间系统的频域分析。首先利用MATLAB分析了系统的频率特性，分别分析了基于连续时间系统的低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、全通滤波器的频域特性，并依次做出了它们的时域冲激响应波形、频域内幅频特性波形、相频特性波形。在编程过程中分别用到了y=abs()、y=angle()、h=freqs(b,a,w)等函数。然后用MATLAB实现了连续时间信号的采样及重构，并以f(t)=Sa(t)为例，分别以过采样、等采样、欠采样三种情况,绘出原信号、采样信号、重构信号的时域波形图。关键词：连续时间系统；频特性；采样；重构Matlab应用实践课程设计IIAbstractThisarticleintroducedbasedontheMATLABrun-ontimesystemfrequencyrangeanalysis.FirsthasanalyzedthesystemfrequencycharacteristicusingMATLAB,analyzedseparatelybasedontherun-ontimesystemlowpassfilter,haspassedthefilter,thebandpassfilterhigh,allpassesthefilterthefrequencyrangecharacteristic,andhasinturnmadeintheirtimedomainimpulseresponseprofile,thefrequencyrangetheamplitude-frequencycharacteristicprofile,thefrequencycharacteristicprofile.Usedy=absseparatelyintheprogrammingprocess(),y=angle(),h=freqs(b,a,w)andsoonthefunctions.Thenhasrealizedtherun-ontimesignalsamplingandrestructuringwithMATLAB,andtakef(t)=Sa(t)astheexample,respectivelybythesampling,andsoonthesampling,hasowedthesamplingthreekindofsituations,drawstheoriginalsignal,thesamplingsignal,therestructuringsignaltimedomainoscillogram.Keyword:Run-ontimesystem;Frequencycharacteristic;Sampling;RestructuringMatlab应用实践课程设计11绪论MATLAB是国际上公认的优秀科技应用软件，它的基本功能是数值计算、符号运算、图形控制，它的出现给“信号与系统”课程的计算机辅助教学带来了福音，使利用计算机辅助学生完成“信号与系统”课程的数值计算、信号与系统分析的可视化建模及仿真调试成为可能。该软件由公司于是1984年推出，经过十几年的发展与完善，目前已成为科技界最流行的应用软件。它的主要特点是：（１）高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来。（２）完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化。（３）友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握。（４）功能丰富的应用工具箱（如信号处理工具箱），为用户提供了大量方便实用的处理工具。运用MATLAB对信号与线性系统进行分析与实现的具体方法和过程，其目的在于：（１）让学生在学习“信号与系统”课程的同时，掌握MATLAB的应用，对MATLAB语言在低年级学生中的推广应用起到促进作用。（２）学会应用MATLAB的数值计算功能，将学生从繁琐的数学运算中解脱出来，从而将便多的时间留于对信号与系统的基本分析方法和应用的理解与思考。（３）让学生将课程中的重点、难点及部分课后练习用MATLAB进行形象、直观的可视化计算机模拟与仿真实现，从而加深对信号与系统基本原理、方法及应用的理解，以培养学生主动获取知识和独立解决问题的能力，为学习后继专业课打下坚实的基础。本文将以MATLAB为工具，对信号与系统在联系时间系统的频域进行分析。Matlab应用实践课程设计22对课题内容的分析2.1连续时间信号概述在某一时间区间内，除若干个不连续点外，如果任意识可都可给出确定的函数值，则称该信号为连续时间信号，简称为连续信号。从严格意义上讲，MATLAB数值计算的方法并不能处理连续时间信号，然而，可利用连续信号在等时间间隔的取样值来近似表示连续信号，即当取样时间间隔足够小时，这些离散样值能够被MATLAB处理，并且能较好地近似表示连续信号。2.2采样定理对于一个有限频宽信号进行理想采样，当采样频率2smww时，采样值唯一确定；当此采样信号通过截止频率cw的理想低通滤波器后，原始信号可以完全重建。通常把最低允许的采样频率2sf称为奈奎斯特频率，把最大允许的采样间隔1/2mf称为奈奎斯特间隔。2.3总体思路利用MATLAB强大的图形处理功能、符号运算功能以及数值计算功能，实现连续时间系统频域分析。其中分析系统的频率特性时用到了y=abs()、y=angle()、h=freqs(b,a,w)等函数。实现连续时间信号的采样及重构时把采样分为了过采样、等采样、欠采样三种情况，分别做它们的原信号、采样信号、重构信号的时域波形图，其中用到Sa(t)=sinc(t/pi)、fa=f*Ts*wc/pi*sinc((wc/pi)*(ones(length(nTs),1)*t-nTs'*ones(1,length(t))))等函数。Matlab应用实践课程设计33设计内容3.1利用MATLAB分析系统的频率特性3.1.1低通滤波器的频率特性低通滤波器模型：12212(),()()kkHsppsbscspsp（其中共轭）取k=70,b=10,c=90可得图3.1.1图3.1.1低通滤波器时域冲激响应波形、频域内幅频特性、相频特性。对于低通滤波器，可以从图3.1.1看出，当w10时1.2H(s)0.8,而其相频特性为随着w的增加而减小并逐渐趋近于-。3.1.2高通滤波器的频率特性高通滤波器模型：2212212(),()()ksksHsppsbscspsp（其中共轭）以下解法只供参考，方法不唯一：若令1,2(0)pmjnm1）当，|()|Hjk，可以得出：0.81.2kMatlab应用实践课程设计42）考虑一种情况:当50，|(50)|0.8Hj由以上两条件可得1p=-90-157j,2p=-90+157j,k=1,并由此可通过matlab得图3.1.2图3.1.2高通滤波器时域冲激响应波形、频域内幅频特性、相频特性。对于高通滤波器，可以从图3.1.2看出，当w50时1.2H(s)0.8,而其相频特性为随着w的增加而减小并逐渐趋近于0。3.1.3全通通滤波器的频率特性全通滤波器模型：saHssa可以取a=4，通过matlab可得图3.1.3Matlab应用实践课程设计5图3.1.3全通通滤波器时域冲激响应波形、频域内幅频特性、相频特性。当w从0增大时，H(jw)的幅频特性是一条数值为1的水平线，即对输入信号的各频率分量都进行等值传输；而jw从0开始下降，最终趋于-。这种网络称为全通网络，在传输系统中常用来进行相位校正，如作相位均衡器或移相器。Matlab应用实践课程设计63.1.4带通滤波器的频率特性带通滤波器模型：2asbHsscsd可取a=25,b=40,c=18,d=306由matlab可得图3.1.4图3.1.4带通滤波器时域冲激响应波形、频域内幅频特性、相频特性。对于带通滤波器，可以从图3.1.4看出，当40w10时1.2H(s)0.8,而其相频特性为随着w的增加先增加而后减小并逐渐趋近于-/2。3.2用MATLAB实现连续时间信号的采样及重构我们选取信号f(t)Sa(t)作为被采样的信号，是因为：第一，f(t)是一个带限信号，其1mw；第二，它是一个典型的信号，是分析其他信号的基础，因此完全有必要对它信号特征详加了解。此外，应该指出的是，实际信号中，绝大多数都不是严格意义上的带限信号，这时根据实际精度要求来确定信号的带宽mw。Matlab应用实践课程设计7对于一个有限频宽信号进行理想采样，当采样频率2smww时，采样值唯一确定；当此采样信号通过截止频率cw的理想低通滤波器后，原始信号可以完全重建。通常把最低允许的采样频率2sf称为奈奎斯特频率，把最大允许的采样间隔1/2fs称为奈奎斯特间隔。3.2.1过采样过采样是使用远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样。对于f(t)=Sa(t)，它的带宽mw=1，为了由f(t)的采样信号()sft不失真的重构f(t)，由时域采样定理知采样间隔/smTw，取0.7sT，即为过采样。利用MATLAB中的抽样函数Sinc(t)=sin(t)/t来表示Sa(t),有Sa(t)=Sinc(t/)。图3.2.1过采样原信号、采样信号、重构信号的时域波形图3.2.2等采样由采样定理知f(t)=Sa(t)的采样间隔sT，取sT