《信号处理原理》实验教案

攀枝花学院PanzhihuaUniversity教案2008～2009学年度第二学期课程名称《数字信号处理》学时(学分)6（学时）适用班级06级计算机科学与技术授课教师石海霞教师职务硕士助教教学单位电信学院教务处制实验教案编写说明1、实验教案格式可按附后“实验教案”格式采用手写或打印。2、“实验教学授课计划”是对某门实验课程教学总体设计，由教研室(学院)有关人员集体研讨确定，根据《实验教学大纲》要求，在分析学生基本情况和实验课程总的教学任务和要求、教学指导思想、教学改革措施的基础上，确定实验教学的目的和基本要求、教学的重点与难点以及课序、实验项目、实验学时的安排等，以形成教学进度表（教学日历）。3、“实验项目(课题)教学实施方案”是针对实验项目（课题）而精心设计的授课框架，是教师按照一定内容和形式、以项目（课题）单位设计编制的可供操作的教学实施方案。其作用是对课堂教学的总的导向、规划和组织，是课堂教学规划的蓝本。一般应具备以下几个基本要素：（1）教学目的与要求、（2）教学重点与难点、（3）仪器设备及用具、（4）教学过程(含①实验预习检查②实验原理及方法③仪器设备介绍④实验内容及注意事项⑤实验指导要点⑥检查实验结果)、（5）实验预习要求、（6）实验报告要求、（7）参考书目、（8）课后分析总结等相关内容。4、实验教案的编写应在坚持教案编写基本要求的基础上，充分考虑教师自身条件和学科的差异，针对教师、学科、学生以及教学情景的不同，编写出形式多样，能体现教学风格、具有特色的教案，促进教案的创新。5、教案编写水平的高低，很大程度上取决于教师钻研教材与实验方法，研究学生实际状况和设计教学方法的水平，取决于教师对本学科知识掌握的深度和广度以及教师教育思想的端正更新。因此，教师应努力提高自身素质，提高教师教案编写水平。实验教学授课计划实验课程名称《数字信号处理》实验总学时6□独立设课√非独立设课实验课类别1.基础□2.专业基础√3.专业□4.其它□任课教师石海霞职称硕士助教年级专业班级（组数）指导人数专业层次2006计算机科学与技术两组92授课对象教材和主要参考资料［1］程佩青编.《数字信号处理》（第三版）.2007年2月.清华大学出版社.［2］丁玉美、高西全编.《数字信号处理》.2001年1月第二版.西安电子科技大学出版社.教学目的和教学要求《数字信号处理》是计算机科学与技术专业的一门专业基础必修课。通过实验的具体操作，使学生更好的掌握已学过的相关信号处理原理的理论知识，对信号处理系统有具体的认识；在实验的基本方法和基本操作技能方面得到一定的训练；从而为培养学生初步的工程实践能力、创新能力以及严谨求学的科学作风打下坚实的基础。教学重点和教学难点重点：通过实验的具体操作，使学生更好的掌握已学过的相关信号处理原理的理论知识，对信号处理系统有具体的认识，包括：典型信号的表示、离散时间系统的频率响应、DFT、滤波器设计等。难点：滤波器的设计。考核方式考核以实验操作和实验报告为主成绩计算方法预习情况（20%）；基本操作（40%）；实验作风(10%)；实验报告（25%）创新意识（5%）实验教学授课计划教学日历（教学进程表）课次周次实验项目（实验内容）累计学时实验班级（组别）实验室名称（地点）备注113典型信号的表示方法及离散系统的频率响应206级计算机科学与技术1班分测中心7B113典型信号的表示方法及离散系统的频率响应206级计算机科学与技术2班分测中心7B214IIR数字滤波器的设计406级计算机科学与技术1班分测中心7B214IIR数字滤波器的设计406级计算机科学与技术2班分测中心7B315FIR数字滤波器的设计606级计算机科学与技术1班分测中心7B315FIR数字滤波器的设计606级计算机科学与技术2班分测中心7B第页实验项目(课题)教学实施方案第1次课第13周星期五第9、10节授课日期:2009年5月29日实验项目(课题)名称:典型信号的表示方法及离散系统的频率响应计划学时:2实验类型:1.演示性□2.验证性√3.综合性□4.设计性□5.其它□实验目的：1.学会用MATLAB在时域中产生一些基本的离散时间信号。2.了解信号的各种运算。3.学会用MATLAB表示线性时不变系统的冲激响应。4．运用MATLAB计算离散时间系统的频率响应。实验内容：掌握用MATLAB表示典型离散信号及其离散时间信号的简单运算。熟悉频率响应函数，并能做出相关仿真。实验（设计）仪器设备和材料清单计算机、MATLAB软件实验要求学生在实验前做好预习，验证性实验时教师先讲述实验内容并演示一遍，在教师指导下学生理解软件编程方法，再自己操作；实验完毕由教师验收合格后方可离开，并写好实验报告。实验原理及具体内容一、序列的产生由于MATLAB数值计算的特点，用它来分析离散时间信号与系统是很方便的。离散信号是数字信号处理的最基础的内容，由于内存有限，MATLAB无法表示无限序列。在MATLAB中，可以用一个列向量来表示一个有限长度的序列，但是这种表示方法没有包含采样位置的信息，要完全表示x(n)，要用x和n两个向量，例如x(n)={2,1,0,2,3,-1,2,3}↑在MATLAB中表示为n=[-4,-3,-2,-1,0,1,2,3];x=[2,1,0,2,3,-1,2,3];当序列从n=0开始，则不需要采样位置信息，这时可以只用x来表示1.单位样本和单位阶跃序列使用如下MATLAB命令，可产生长度为N的单位样本序列⎩⎨⎧==otherwisennx,00,1)(1x1=[1zeros(1,N-1)];延时M个样本且长度为N的单位样本序列，可用如下的MATLAB命令来产生，其中MN；⎩⎨⎧==otherwiseMnnx,0,1)(2x2=[zeros(1,M)1zeros(1,N-M-1)];同样，使用下面的MATLAB命令可产生长度为N的单位阶跃序列⎩⎨⎧−≤≤=otherwiseNnnx,010,1)(3x3=[ones(1,N)];第页产生延时单位阶跃序列的方法，类似于产生延时单位样本序列的方法。实验程序1.1产生一个单位样本序列x1(n)，起点为ns=-10,终点为nf=20,在n0=0时有一单位脉冲。clf;n=[-10:20];x1=[zeros(1,10)1zeros(1,20)];stem(n,x1);xlabel(‘时间序号n’)；ylabel(‘振幅’)；title(‘单位样本序列’)axis([-102001.2])2.指数信号另一种基本的离散时间序列是指数序列。此序列可使用MATLAB运算符.^和exp产生。下面例1.2给出的程序，可用来生成一个复数值的指数序列。实验程序1.2clf;c=-(1/12)+(pi/6)*i;K=2;n=0:40;x=K*exp(c*n);subplot(2,1,1);stem(n,real(x));xlabel(‘时间序号n’)；ylabel(‘振幅’)；title(‘实部’)；subplot(2,1,2);stem(n,imag(x));xlabel(‘时间序号n’)；ylabel(‘振幅’)；title(‘虚部’)；二、序列的简单运算第页实验程序1.3复杂信号的产生：复杂的信号可以通过在简单信号上执行基本的运算来产生试产生一个振幅调制信号)1.02cos())01.02cos(4.01()2cos())2cos(1()(nnnfnfmnyHL×⋅×⋅+=⋅⋅+=ππππn=0:100程序：n=0:100;m=0.4;fH=0.1;fL=0.01;xH=sin(2*pi*fH*n);xL=sin(2*pi*fL*n);y=(1+m*xL).*xH;stem(n,y);grid;xlabel(‘时间序号n’);ylabel(‘振幅’)；三、线性时不变系统的冲激响应的计算第页MATLAB命令y=impz(num,den,N),可用来计算用差分方程描述的因果线性时不变离散时间系统的冲激响应的前N个样本。实验程序1.4已知因果线性时不变离散时间系统y(n)-0.4y(n-1)+0.75y(n-2)=2.2403x(n)+2.4908x(n-1)+2.2403x(n-2)求系统的冲激响应。clf;N=20;num=[2.24032.49082.2403];den=[1-0.40.75];y=impz(num,den,N);stem(y);xlabel(‘时间序号n’);ylabel(‘振幅’)；title(‘冲激响应’)；grid;四、计算离散时间系统的DTFT已知一个离散时间系统，可以用MATLAB函数frequz非常方便地在给定的L个离散频率点∑∑==−=−MkkNkkknxbknya00)()(lωω=处进行计算。由于是ω的连续函数，需要尽可能大地选取L的值（因为严格说，在MATLAB中不使用symbolic工具箱是不能分析模拟信号的，但是当采样时间间隔充分小的时候，可产生平滑的图形），以使得命令plot产生的图形和真实离散时间傅立叶变换的图形尽可能一致。在MATLAB中，freqz计算出序列{}和{}的L点离散傅立叶变换，然后对其离散傅立叶变换值相除得到。为了更加方便快速地运算，应将L的值选为2的幂，如256或者512。)(ωjeHMbbb,,,10LNaaa,,,10LLleHlj,,2,1),(L=ω实验程序1.5：运用MATLAB画出以下系统的频率响应。y(n)-0.6y(n-1)=2x(n)+x(n-1)程序：clf;w=-4*pi:8*pi/511:4*pi;num=[21];den=[1-0.6];h=freqz(num,den,w);subplot(2,1,1)plot(w/pi,real(h));gridtitle(‘H(e^{j\omega}的实部’))xlabel(‘\omega/\pi’);第页ylabel(‘振幅’)；subplot(2,1,1)plot(w/pi,imag(h));gridtitle(‘H(e^{j\omega}的虚部’))xlabel(‘\omega/\pi’);ylabel(‘振幅’)；习题：1．运行1.1程序，以产生单位样本序列x1(n)，并显示它。修改该1.1程序，以产生带有延时11个样本的延迟单位样本序列x2(n)=x1(n-11)，并显示它。2．运行1.2程序，以产生复数值的指数序列并显示它。哪个参数控制该序列的增长或衰减率？哪个参数控制该序列的振幅？3．运行1.3程序，以产生正弦序列并显示它。算术运算符*和.*之间的区别是什么？4．运行1.4程序，写出该因果线性时不变离散时间系统的冲激响应的前20个样本5．运行程序1.5,并显示图形。已知因果线性时不变离散时间系统y(n)-0.4y(n-1)+0.75y(n-2)=2.2403x(n)+2.4908x(n-1)+2.2403x(n-2)画出该系统的频率响应。第页实验项目(课题)教学实施方案第2次课第14周星期五第9、10节授课日期:2009年6月5日实验项目(课题)名称:DFT、FFT及其应用计划学时:2实验类型:1.演示性□2.验证性√3.综合性□4.设计性□5.其它□实验目的：1.利用MATLAB程序，理解离散傅立叶变换的物理意义。2.运用MATLAB熟悉离散傅立叶变换的圆周移位性质。3.利用MATLAB的快速傅立叶变换来计算信号的离散傅立叶变换。4.利用MATLAB程序，理解快速卷积算法。实验内容：通过MATLAB仿真，掌握离散傅立叶变换及其与DTFT的关系，熟悉离散傅立叶变换的圆周移位性质，理解快速卷积算法。实验（设计）仪器设备和材料清单计算机、MATLAB软件实验要求学生在实验前做好预习，验证性实验时教师先讲述实验内容并演示一遍，在教师指导下学生理解软件编程方法，再自己操作；实验完毕由教师验收合格后方可离开，并写好实验报告。实验原理及具体内容在MATLAB中，使用函数fft可以很容易地计算有限长序列x(n)的离散傅立叶变换X[k]。此函数有两种形式，fft(x)计算序列x(n)的离散傅立叶变