数字信号处理上机指导_1dl

数字信号处理 计算机实验指导书

陈刚 董立 刘玮

沈阳理工大学装备工程学院

二〇〇七年十月

目录

前言 - 2 -

第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章

MATLAB基础知识 - 2 - MATLAB基本数值运算 - 4 - MATLAB图形处理功能 - 6 - MATLAB程序设计 - 8 - 常用数字信号处理函数 - 12 -

MATLAB在数字信号处理中的应用 - 16 -

实验一 序列线性卷积、圆周卷积的计算及其关系 - 22 -

实验二 利用DFT分析信号频谱 - 24 - 实验三 信号时间尺度变换 - 25 - 实验四 IIR滤波器的实现与应用 - 28 - 实验五 FIR滤波器的实现与应用 - 32 -

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前言

数字信号处理是研究数字序列信号的表示方法，并对信号进行运算，以提取包含在其中的特殊信息。近年来，由于在研究及应用两方面均取得了进展，数字信号处理技术已经日趋成熟。本课程以计算机为工具，MATLAB软件为实验平台，通过一些基础实验项目，验证所理论教学中的概念和算法。由于MATLAB软件功能十分强大，且容易掌握，在工程技术中尤其是信号处理领域得到了广泛的应用，因此，以MATLAB作为数字信号处理实验课的计算机语言工具。希望学生通过本教材的学习及上机实践，能基本掌握MATLAB程序设计知识，能利用MATLAB进行简单的数字信号处理分析，利用其提供的工具箱能进行滤波器的设计，为理论知识的实用化而奠定基础。

第1章 MATLAB基础知识

§1-1 MATLAB软件简介

MATLAB，Matrix Laboratory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非常好高性能语言，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”。 §1-2 MATLAB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，按其提示逐步选择即可。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的即可完成程序的卸载；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．MATLAB的桌面平台

图1.1 MATLAB默认设置下的桌面平台界面

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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(Command Window)、历史窗口(Command History)、当前目录窗口(Current Directory)、发行说明书窗口(Launch Pad)和工作间管理窗口(Workspace)。 3．1 MATLAB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图1.2所示：

3．2 命令窗口(Command Window)

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，MATLAB将给出计算结果，然后再进入准备状态。

3．3 MATLAB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 显示或改变当前工作目录，与工具栏中 cd dir clc、home clf clear disp type exit、quit who whos what which lookfor 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DIR 清除命令窗口中的所有显示内容，并把光标移到该窗口的左上角 清除MATLAB当前图形窗口中的图形 清除内存中的变量和函数 显示变量的内容 列出指定文件的全部内容，类似于DOS命令TYPE 退出MATLAB 列出当前工作空间中的变量 列出当前工作空间中的变量的更多信息 列出当前目录或指定目录下的 .M文件、..MAT文件和 ..MEX文件 显示指定函数或文件的路径 按照指定的关键字查找所有相关的 .M文件 图1.3 MATLAB的命令窗口

图1.2 工具栏各按钮控件及说明

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第2章 MATLAB基本数值运算

§2-1 MATLAB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函数计算的相对于浮点数的精度，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。 ⑸ NaN：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3.141 592 653 589 7?。

§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）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 = [1 2 3 ] %生成行向量 A = [1;2;3 ] %生成列向量 2）利用冒号表达式生成向量

冒号表达式的基本形式为x = x 0 ：step ：x n ，其中x 0、step、x n分别为给定数值，x0表示向量的首元素数值，x n表示向量尾元素数值限(只有当x n- 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=1:2:12

a =

1 3 5 7 9 11

>> b=12:-2:1

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