数字信号处理实验讲义课件

实验安排两人一组合作完成实验，第一次实验选定的实验桌两人一组合作完成实验，第一次实验选定的实验桌两人一组合作完成实验，第一次实验选定的实验桌两人一组合作完成实验，第一次实验选定的实验桌和实验设备，以后的实验应继续选用；和实验设备，以后的实验应继续选用；和实验设备，以后的实验应继续选用；和实验设备，以后的实验应继续选用；不得随意调换实验时间，如遇特殊情况需调换时间，不得随意调换实验时间，如遇特殊情况需调换时间，不得随意调换实验时间，如遇特殊情况需调换时间，不得随意调换实验时间，如遇特殊情况需调换时间，应提前向指导教师说明；应提前向指导教师说明；应提前向指导教师说明；应提前向指导教师说明；实验经过指导教师检查并允许后才可离开，离开前实验经过指导教师检查并允许后才可离开，离开前实验经过指导教师检查并允许后才可离开，离开前实验经过指导教师检查并允许后才可离开，离开前应将实验桌上的器材收拾整齐；应将实验桌上的器材收拾整齐；应将实验桌上的器材收拾整齐；应将实验桌上的器材收拾整齐；最后完成实验的三组同学负责打扫卫生。最后完成实验的三组同学负责打扫卫生。最后完成实验的三组同学负责打扫卫生。最后完成实验的三组同学负责打扫卫生。实验安排两人一组合作完成实验，第一次实验选定的实验桌和实验设1实验内容及考核方法实验课共四次，前三次进入实验室完成指定的实验实验课共四次，前三次进入实验室完成指定的实验实验课共四次，前三次进入实验室完成指定的实验实验课共四次，前三次进入实验室完成指定的实验内容，第四次实验根据兴趣查阅有关内容，第四次实验根据兴趣查阅有关内容，第四次实验根据兴趣查阅有关内容，第四次实验根据兴趣查阅有关DSPDSP器件应用器件应用器件应用器件应用的文章和资料，设计的文章和资料，设计的文章和资料，设计的文章和资料，设计DSPDSP实验，写出报告，如需要实验，写出报告，如需要实验，写出报告，如需要实验，写出报告，如需要实现实验，实验室负责安排时间并提供设备和指导实现实验，实验室负责安排时间并提供设备和指导实现实验，实验室负责安排时间并提供设备和指导实现实验，实验室负责安排时间并提供设备和指导帮助。帮助。帮助。帮助。考核包括：考核包括：考核包括：考核包括：前三次上机操作占前三次上机操作占前三次上机操作占前三次上机操作占7070，按照实验过程的表现及完成情，按照实验过程的表现及完成情，按照实验过程的表现及完成情，按照实验过程的表现及完成情况进行打分况进行打分况进行打分况进行打分 第四次选做实验及实验报告占第四次选做实验及实验报告占第四次选做实验及实验报告占第四次选做实验及实验报告占2020 理论课考勤占理论课考勤占理论课考勤占理论课考勤占10%10%实验内容及考核方法实验课共四次，前三次进入实验室完成指定的实2实验设备一台PC主计算机一台信号发生器一台示波器一块EVM5402(V2.0)实验板随板附带的可视化集成开发环境DSKCCS实验设备一台PC主计算机3实验系统构成实验系统构成4EVM5402EVM5402(V2.0)EVM5402(V2.0)是基于是基于TITI公司公司DSPDSP芯片芯片TMS320TMS320VC5402VC5402的系统评估板。用于帮助的系统评估板。用于帮助DSPDSP技术人员更快技术人员更快的学习了解的学习了解TI54XTI54X系列系列DSPDSP的基本特点，掌握的基本特点，掌握C5402C5402DSPDSP在语音处理，数字信号处理中的应用。在语音处理，数字信号处理中的应用。EVM5402EVM5402(V2.0)是基于TI公司DSP5C5402DSPAlteraCPLDAD50CJTAG1HPIPeripheralExt BusPhoneINPhoneOUTTLC274RS232SRAMSRAMFLASHCrystalResetDC inULTRAMAX232LED1,2,3,4 JP15,14,13,12 JP6JP4JP5JP3JP1器件布局及功能器件布局及功能C5402AlteraAD50CJTAG1HPIPeriph6FG-506信号源Mode/FuncMode/Func（模式（模式/函数）函数）Range/AttnRange/Attn（频率范围粗调（频率范围粗调/衰减）衰减）FrequencyFrequency（频率微调）（频率微调）AmplitudeAmplitude（幅度微调）（幅度微调）注意：实验中需要用信号源产生的信号应满足峰峰注意：实验中需要用信号源产生的信号应满足峰峰值小于值小于1V1V的条件，否则实验板将无法正常对其处理，的条件，否则实验板将无法正常对其处理，甚至影响电路板正常运行，导致实验不能顺利完成。甚至影响电路板正常运行，导致实验不能顺利完成。当使用幅度微调旋钮无法使信号幅度进一步减小时，当使用幅度微调旋钮无法使信号幅度进一步减小时，可将信号源输出衰减设置为可将信号源输出衰减设置为20dB20dB或或40dB40dB。FG-506信号源Mode/Func（模式/函数）7FG708S信号源功能按键（改变输出波形）Fstep/衰减按键（使用衰减项改变输出衰减）幅度旋钮（幅度微调）大旋钮（改变各功能项的取值）当使用幅度微调旋钮无法使信号幅度进一步减小时，可将信号源输出衰减设置为20dB或40dB。FG708S信号源功能按键（改变输出波形）8示波器简介手动示波器自检测观察信号波形测量信号幅度示波器简介手动示波器自检测9程序调试程序调试程序固化程序固化程序构建程序构建(Build)代码编辑代码编辑TI DSP 软件开发流程软件开发流程C源文件源文件C源文件源文件C编译器编译器(C Compiler)汇编源文件汇编源文件(*.asm)汇编源文件汇编源文件(*.asm)汇编器汇编器(Assembler)链接命令文件链接命令文件(*.cmd)链接器链接器(Linker)C语言语言运行时运行时支持库支持库(*.lib)COFF目标文件目标文件(*.obj)软件模拟软件模拟(Simulator)硬件在线仿真硬件在线仿真(Emulator)汇编源文件汇编源文件(*.asm)C源文件源文件(*.c)COFF目标文件目标文件(*.obj)COFF目标文件目标文件(*.obj)*.hexROM/FLASH编程编程DSP 可执行可执行的的 COFF 文件文件(*.out)EmuSimHex格式转换工具格式转换工具程序调试程序固化程序构建(Build)代码编辑TIDSP10建立硬件在线仿真环境建立硬件在线仿真环境(注意操作顺序注意操作顺序)建立建立建立建立DSPDSP硬件电路板和硬件电路板和硬件电路板和硬件电路板和PCPC间的间的间的间的JTAGJTAG仿真设备连接仿真设备连接仿真设备连接仿真设备连接 实验电路板实验电路板实验电路板实验电路板JTAGJTAG插座插座插座插座 =带带带带JTAGJTAG插头的仿真盒插头的仿真盒插头的仿真盒插头的仿真盒 =JTAGJTAG电缆电缆电缆电缆(USB(USB电缆电缆电缆电缆)=PCPC机端口机端口机端口机端口(USB(USB端口端口端口端口)USBUSB电缆和仿真盒之间的接插口是有方向的！电缆和仿真盒之间的接插口是有方向的！电缆和仿真盒之间的接插口是有方向的！电缆和仿真盒之间的接插口是有方向的！连接正确后，再给连接正确后，再给连接正确后，再给连接正确后，再给DSPDSP电路板加电电路板加电电路板加电电路板加电 !拆除仿真连接时，先给拆除仿真连接时，先给拆除仿真连接时，先给拆除仿真连接时，先给DSPDSP硬件硬件硬件硬件 系统断电，然后再拆除仿真设备！系统断电，然后再拆除仿真设备！系统断电，然后再拆除仿真设备！系统断电，然后再拆除仿真设备！不能带电插拔不能带电插拔不能带电插拔不能带电插拔 ！DSPJTAG插座JTAG仿真盒USB电缆建立硬件在线仿真环境(注意操作顺序)建立DSP硬件电路板和11运行运行 CCS 2.0如果顺利进入如果顺利进入如果顺利进入如果顺利进入CCSCCS软件界面软件界面软件界面软件界面 CCSCCS成功检测到了成功检测到了成功检测到了成功检测到了JTAGJTAG仿真设备，并通过仿真设备成功访问到了仿真设备，并通过仿真设备成功访问到了仿真设备，并通过仿真设备成功访问到了仿真设备，并通过仿真设备成功访问到了DSPDSP硬件系统中的硬件系统中的硬件系统中的硬件系统中的DSPDSP芯片！芯片！芯片！芯片！如果出现错误如果出现错误如果出现错误如果出现错误 检查软硬件环境检查软硬件环境检查软硬件环境检查软硬件环境 ！关闭关闭关闭关闭 CCSCCS；给电路板断电；给电路板断电；给电路板断电；给电路板断电；拔下仿真盒端的拔下仿真盒端的拔下仿真盒端的拔下仿真盒端的 USB USB 电缆；电缆；电缆；电缆；重新连接；重新连接；重新连接；重新连接；重新加电；重新加电；重新加电；重新加电；检查检查检查检查 CCS CCS 的配置；的配置；的配置；的配置；重新运行重新运行重新运行重新运行 CCSCCS；运行CCS2.0如果顺利进入CCS软件界面CCS12用用 CCS 软件进行软件进行DSP实验的步骤实验的步骤为每个独立的实验建立单独的项目为每个独立的实验建立单独的项目为每个独立的实验建立单独的项目为每个独立的实验建立单独的项目 (Project(Project New New)；添加实验所需的源文件添加实验所需的源文件添加实验所需的源文件添加实验所需的源文件 (Project(Project Add Files to pAdd Files to project)roject)；根据实验要求修改相应的源文件中的根据实验要求修改相应的源文件中的根据实验要求修改相应的源文件中的根据实验要求修改相应的源文件中的C C语言程序；语言程序；语言程序；语言程序；构建构建构建构建outout程序程序程序程序(Project(Project Build/Rebuild All Build/Rebuild All)；根据根据根据根据CCSCCS报出的错误信息改错，直到成功生成报出的错误信息改错，直到成功生成报出的错误信息改错，直到成功生成报出的错误信息改错，直到成功生成*.out.out文件；文件；文件；文件；装载装载装载装载outout程序到程序到程序到程序到DSPDSP芯片中芯片中芯片中芯片中 (File(File Load Program Load Program)；让让让让DSPDSP芯片运行芯片运行芯片运行芯片运行outout程序程序程序程序 (Debug(Debug Run Run)；观察观察观察观察outout程序运行结果程序运行结果程序运行结果程序运行结果 (View(View Graph Graph )；有时可根据需要停止有时可根据需要停止有时可根据需要停止有时可根据需要停止outout程序的执行程序的执行程序的执行程序的执行 (Debug(Debug Halt)Halt)。用CCS软件进行DSP实验的步骤为每个独立的实验建立单独13实验源程序所在目录：所在目录：D:D:DSP EXPDSP EXP rts.librts.lib库文件（必须添加）库文件（必须添加）agc_face.hagc_face.h 实验板专用的头文件实验板专用的头文件 agc_func.hagc_func.h 实验板专用的头文件实验板专用的头文件 math.hmath.h数学函数头文件数学函数头文件 agc_audio.cmdagc_audio.cmd实验板链接命令文件实验板链接命令文件（必须添加）（必须添加）sin.csin.c 例子，产生正弦波例子，产生正弦波 sample.csample.c 信号采样及输入输出程序信号采样及输入输出程序 实验源程序所在目录：D:DSPEXP14实验一：信号时频域关系及采样定理实验一：信号时频域关系及采样定理15151.实验目的实验目的了解各种信号（包括周期的或非周期的、连续的或离散的）的频谱特性。熟悉连续信号经采样后的频谱，加深对时域采样定理的理解。1.实验目的了解各种信号（包括周期的或非周期的、连续的或离散162.实验原理信号的时域特性与其频域特性的对应关系在时域上不同的信号（连续、离散、周期、非周在时域上不同的信号（连续、离散、周期、非周期），在频域的表现形式也不同。期），在频域的表现形式也不同。连续信号的频谱不具有周期性，而离散信号的频连续信号的频谱不具有周期性，而离散信号的频谱由于时域的周期采样而呈现固有的周期性：谱由于时域的周期采样而呈现固有的周期性：周期信号的频谱是离散的，而非周期信号的频谱周期信号的频谱是离散的，而非周期信号的频谱则是连续的。则是连续的。2.实验原理信号的时域特性与其频域特性的对应关系172.实验原理信号的时域特性与其频域特性的对应关系简要归纳起来即是：时域时域频域频域连续信号非周期的离散信号周期延拓的周期信号离散的非周期信号连续的2.实验原理信号的时域特性与其频域特性的对应关系182.实验原理采样定理连续时间信号的处理往往是通过对其采样得到的连续时间信号的处理往往是通过对其采样得到的离散时间序列的处理来完成的。离散时间序列的处理来完成的。信号被采样后频谱如何变换？信号被采样后频谱如何变换？什么情况下可以从采样信号中不失真地恢复出原什么情况下可以从采样信号中不失真地恢复出原来信号？来信号？2.实验原理采样定理19实际采样与理想采样实际采样与理想采样实际采样与理想采样20理想采样信号的频谱理想采样信号的频谱最高截止频率为c傅氏变换仍为冲激序列导致频域周期延拓理想采样信号的频谱最高截止频率为c傅氏变换仍为冲激序列导致21奈奎斯特采样定理对连续信号以频率对连续信号以频率FsFs进行等间隔采样形成的理想采进行等间隔采样形成的理想采样信号，其频谱是以采样角频率样信号，其频谱是以采样角频率(2Fs)(2Fs)为周期对原为周期对原连续信号频谱进行周期性延拓形成的。连续信号频谱进行周期性延拓形成的。采样频率采样频率FsFs要大于等于要大于等于2 2倍的连续信号的最高频率才倍的连续信号的最高频率才不会造成频谱混叠现象。不会造成频谱混叠现象。设连续信号设连续信号Xa(t)Xa(t)属带限信号，最高截止频率为属带限信号，最高截止频率为cc，如果采样角频率如果采样角频率s2cs2c，那么让采样信号，那么让采样信号xa(t)xa(t)通通过一个增益为过一个增益为T T，截止频率为，截止频率为s/2s/2的理想低通滤波器，的理想低通滤波器，可以唯一地恢复出原连续信号可以唯一地恢复出原连续信号Xa(t)Xa(t)。否则。否则s2cs=N+M-L=N+M-1 1，所以用，所以用DFTDFT计算线性卷积的条件是计算线性卷积的条件是DFTDFT点数点数L=N+M-1L=N+M-1。实现原理图实现原理图FFT的应用线性卷积：X(n)和Y(n)都是有限长序列长度分35IDFT的运算方法以上所讨论的算法中的IDFT运算有没有快速算法“IFFT”比较IDFT的定义式：DFT：IDFT：IDFT的运算方法以上所讨论的算法中的IDFT运算有没有快36IDFT与DFT的差别：1）把DFT中的每一个系数改为，2）再乘以常数1/N，法一：则以上所讨论的时间抽取或频率抽取的FFT运算均可直接用于IDFT运算，当然，蝶形中的系数应改为。IDFT与DFT的差别：3737法二：法二：完全不需要改动完全不需要改动FFT程序，而是直接利用它作程序，而是直接利用它作IFFT。考虑到考虑到 故故 IFFT计算分三步：计算分三步：将将X（k）取共轭（虚部乘以）取共轭（虚部乘以-1）对对 直接作直接作FFT 对对FFT的结果取共轭并乘以的结果取共轭并乘以1/N，得，得x（n）。）。38程序实现流程图程序实现流程图39实验内容(1)使用FFT计算循环卷积、快速卷积循环卷积序列：观察循环卷积的输出结果序列序列1:1:x(n)=11110000 x(n)=11110000序列序列2:2:y(n)=00111100y(n)=00111100快速卷积序列：观察快速卷积的输出结果序列序列1 1：正弦序列：正弦序列x(n)=sin(/8n)x(n)=sin(/8n)，序列长度为，序列长度为n=64n=64。序列序列2 2：单位采样序列：单位采样序列(n)(n)，序列长度为，序列长度为n=64n=64。实验内容(1)使用FFT计算循环卷积、快速卷积循环卷积序列40实验内容(2)signalfft.c实时FFT变换从信号源分别输入正弦波、方波及三角波，频率小于采样频率0.439，峰峰值小于1V调用FFT程序对采样得到的数据（存放在data数组中）进行傅立叶变换计算其频谱（存放在ri数组中），观察正弦波、方波及三角波的频谱。分别显示出data数组的频域图形和ri数组的时域图形，进行比较。实验内容(2)signalfft.c实时FFT变换从信号源41实验三FIR数字滤波器设计选做实验IIR数字滤波器设计实验三FIR数字滤波器设计选做实验42421.实验目的实验目的了解FIRDF（FIR数字滤波器）的原理。熟悉FIRDF（FIR数字滤波器）从设计到实现的具体过程及其应用。1.实验目的了解FIRDF（FIR数字滤波器）的原理。432.实验原理在实现方法上，数字滤波器可分为两种：IIRDFIIRDF（无限脉冲响应数字滤波器）系统函数：（无限脉冲响应数字滤波器）系统函数：FIRDFFIRDF（有限脉冲响应数字滤波器）系统函数：（有限脉冲响应数字滤波器）系统函数：2.实验原理在实现方法上，数字滤波器可分为两种：442.实验原理系统的频响特性主要取决于系统函数H(z)的零、极点分布。幅频特性幅频特性=零点矢量长度之积零点矢量长度之积/极点矢量长度之积极点矢量长度之积相频特性相频特性=零点矢量相角之和零点矢量相角之和/极点矢量相角之和极点矢量相角之和2.实验原理系统的频响特性主要取决于系统函数H(z)的零、极452.实验原理FIRDFFIRDF的特点：的特点：为全零点滤波器，为全零点滤波器，H(z)H(z)在在|z|0|z|0处收敛，极点全部在处收敛，极点全部在Z=0Z=0处处（单位圆内），所以是（单位圆内），所以是因果稳定系统因果稳定系统。能够实现能够实现线性相位滤波线性相位滤波(这一特点在宽频带信号处理、阵这一特点在宽频带信号处理、阵 列信号处理、数据传输等系统中非常重要列信号处理、数据传输等系统中非常重要)；IIRDFIIRDF则需要则需要附加复杂的相位校正网络，但是难以做到严格线性；附加复杂的相位校正网络，但是难以做到严格线性；可得到可得到多带幅频特性多带幅频特性；无反馈运算，无反馈运算，运算误差小运算误差小。若只考虑幅频特性（相同的过渡带特性），若只考虑幅频特性（相同的过渡带特性），FIRDFFIRDF的阶数的阶数比比IIRDFIIRDF高很多（原因是高很多（原因是FIRDFFIRDF没有极点而没有极点而IIRDFIIRDF有）。有）。无法利用模拟滤波器的设计结果，一般无解析设计公式，无法利用模拟滤波器的设计结果，一般无解析设计公式，要借助计算机辅助设计程序完成。要借助计算机辅助设计程序完成。2.实验原理FIRDF的特点：462.实验原理FIRDF的设计方法：如果希望得到的滤波器的理想频率响应为如果希望得到的滤波器的理想频率响应为，那么，那么 FIRFIR滤波器的设计就在于寻找一个传递函滤波器的设计就在于寻找一个传递函数数去逼近去逼近，逼近方法有三种：，逼近方法有三种：窗口设计法（时域逼近）窗口设计法（时域逼近）频率采样法（频域逼近）频率采样法（频域逼近）最优化设计（等波纹逼近）最优化设计（等波纹逼近）2.实验原理FIRDF的设计方法：47窗函数法设计FIRDF窗函数设计法是从单位脉冲响应序列着手，使窗函数设计法是从单位脉冲响应序列着手，使h(n)h(n)逼近理想的单位脉冲响应序列逼近理想的单位脉冲响应序列h hd d(n)(n)。理想频响理想频响通常具有片段常数特性，因此通常具有片段常数特性，因此h hd d(n)(n)是无限长非因果序列，不能直接作为是无限长非因果序列，不能直接作为FIRDFFIRDF的的单位脉冲响应。单位脉冲响应。窗函数设计法就是截取窗函数设计法就是截取h hd d(n)(n)为有限长的一段因果序为有限长的一段因果序列，并用合适的窗函数进行加权后作为列，并用合适的窗函数进行加权后作为FIRDFFIRDF的单的单位脉冲响应位脉冲响应h(n)h(n)。截取长度和加权窗函数的类型直接影响逼近精度。截取长度和加权窗函数的类型直接影响逼近精度。窗函数法设计FIRDF窗函数设计法是从单位脉冲响应序列着手，48窗函数法设计FIRDF的具体步骤（1）构造希望逼近的频率响应函数，以低通线性FIRDF为例，选择截止角频率为c，延时为的线性相位理想低通滤波器，即（2）求出hd(n)，即对上式进行IFT得到窗函数法设计FIRDF的具体步骤（1）构造希望逼近的频率响应49窗函数法设计FIRDF的具体步骤（3）加窗得到FIRDF的单位脉冲响应h(n)式中w(n)为窗函数，长度为N。如果要设计严格线性相位FIRDF，则要求h(n)关于(N-1)/2点偶对称，而hd(n)是关于点偶对称的，所以要求：，同时w(n)也要关于(N-1)/2点偶对称。窗函数法设计FIRDF的具体步骤（3）加窗得到FIRDF的单50窗函数法性能分析（矩形窗，低通滤波器）窗函数法性能分析（矩形窗，低通滤波器）51窗函数法性能分析（矩形窗，低通滤波器）通过理论公式推导，设计出的FIRDF的幅度特性函数等于理想低通滤波器的幅度特性函数与窗函数的幅度特性函数的卷积，而相位保持严格线性相位。所以只需要分析幅度逼近误差。窗函数法性能分析（矩形窗，低通滤波器）通过理论公式推导，设52矩形窗的卷积过程（P95的图4.5来说明）矩形窗的卷积过程（P95的图4.5来说明）53加矩形窗引起的幅度逼近误差在在处形成过渡带，宽为处形成过渡带，宽为，近似等于近似等于WWRgRg()()的主瓣宽度。在的主瓣宽度。在处幅度衰减处幅度衰减6dB6dB（幅（幅度下降度下降1/21/2）。）。在通带和阻带均有波纹，由在通带和阻带均有波纹，由WWRgRg()()的旁瓣引起，旁的旁瓣引起，旁瓣幅度相对主瓣越大，波纹幅度就越大，旁瓣越多，瓣幅度相对主瓣越大，波纹幅度就越大，旁瓣越多，波纹起伏密度就越大。波纹起伏密度就越大。截取长度截取长度N N的变化会影响过渡带的宽度变化，而不的变化会影响过渡带的宽度变化，而不会影响通带和阻带波纹的最大起伏幅度。会影响通带和阻带波纹的最大起伏幅度。因主瓣附近因主瓣附近其中其中x=N/2,x=N/2,所以所以N N的改变不能改变主瓣与旁瓣的比例关系，只能改的改变不能改变主瓣与旁瓣的比例关系，只能改变变WWRgRg()()的绝对值大小和起伏的密度，当的绝对值大小和起伏的密度，当N N增加时，幅值变大，频率轴增加时，幅值变大，频率轴变密，而最大起伏幅度永远为变密，而最大起伏幅度永远为8.95%8.95%，这种现象称为吉布斯（，这种现象称为吉布斯（GibbsGibbs）效）效应。应。加矩形窗引起的幅度逼近误差在处形成54举例：矩形窗设计的c=p/2FIRDF的幅度响应00.250.50.751-40-30-21-100N=15N=31举例：矩形窗设计的c=p/2FIRDF的幅度响应00.255通过窗函数形式改善波纹幅度波纹幅度的大小决定了滤波器通带内的平稳程度和波纹幅度的大小决定了滤波器通带内的平稳程度和阻带内的衰减，所以对滤波器的性能有很大的影响。阻带内的衰减，所以对滤波器的性能有很大的影响。改变窗函数的形状，可改善滤波器的特性，窗函数改变窗函数的形状，可改善滤波器的特性，窗函数有许多种，但要满足以下两点要求：有许多种，但要满足以下两点要求：窗谱主瓣宽度要窄，以获得较陡的过渡带；窗谱主瓣宽度要窄，以获得较陡的过渡带；相对于主瓣幅度，旁瓣要尽可能小，使能量尽量集中相对于主瓣幅度，旁瓣要尽可能小，使能量尽量集中在主瓣中，这样就在主瓣中，这样就 可以减小肩峰（通带波纹）和余振可以减小肩峰（通带波纹）和余振（阻带波纹），以提高通带平稳性和阻带衰减。（阻带波纹），以提高通带平稳性和阻带衰减。但实际上这两点不能兼得，一般总是通过增加主瓣但实际上这两点不能兼得，一般总是通过增加主瓣宽度来换取对旁瓣的抑制。宽度来换取对旁瓣的抑制。通过窗函数形式改善波纹幅度波纹幅度的大小决定了滤波器通带内的56常用窗函数矩形窗矩形窗汉宁窗（升余弦窗）汉宁窗（升余弦窗）三部分矩形窗频谱相加，使旁瓣互相抵消，能量三部分矩形窗频谱相加，使旁瓣互相抵消，能量集中在主瓣，旁瓣大大减小，主瓣宽度增加集中在主瓣，旁瓣大大减小，主瓣宽度增加1 1倍，倍，为为。常用窗函数矩形窗57数字信号处理实验讲义课件58常用窗函数汉明窗（改进的升余弦窗）对汉宁窗的改进，在主瓣宽度相同的情况下，旁对汉宁窗的改进，在主瓣宽度相同的情况下，旁瓣进一步减小，可使瓣进一步减小，可使99.96%99.96%的能量集中在窗谱的的能量集中在窗谱的主瓣内。主瓣内。常用窗函数汉明窗（改进的升余弦窗）59常用窗函数布莱克曼窗（三阶升余弦窗）增加一个二次谐波余弦分量，可进一步降低旁瓣，增加一个二次谐波余弦分量，可进一步降低旁瓣，但主瓣宽度进一步增加，为但主瓣宽度进一步增加，为。增加。增加N N可减可减少过渡带。少过渡带。常用窗函数布莱克曼窗（三阶升余弦窗）60四种常用窗函数图形四种常用窗函数图形61四种常用窗函数的频谱N=51，A=20lg|W()/W(0)|四种常用窗函数的频谱N=51，A=20lg|W()/W(62四种常用窗函数在同一设计指标下的滤波器的频率特性四种常用窗函数在同一设计指标下的滤波器的频率特性63四种常用窗函数的基本参数四种常用窗函数的基本参数64线性相位条件对FIRDF的时频域约束如果要求如果要求FIRDFFIRDF具有严格线性相位特性（第一类线具有严格线性相位特性（第一类线性相位特性），则性相位特性），则h(n)h(n)应关于应关于(N-1)/2(N-1)/2点偶对称，此点偶对称，此时时:当当N N为奇数时可实现各种（高通、低通、带通、带阻）滤为奇数时可实现各种（高通、低通、带通、带阻）滤波器；波器；当当N N为偶数时不能实现高通和带阻滤波器；为偶数时不能实现高通和带阻滤波器；如果要求如果要求FIRDFFIRDF具有第二类线性相位特性，则具有第二类线性相位特性，则h(n)h(n)应应关于关于(N-1)/2(N-1)/2点奇对称，此时点奇对称，此时:当当N N为奇数时只能实现带通滤波器；为奇数时只能实现带通滤波器；当当N N为偶数时不能实现低通和带阻；为偶数时不能实现低通和带阻；线性相位条件对FIRDF的时频域约束如果要求FIRDF具有严65线性相位线性相位FIRDFFIRDF的时频域特性一览表的时频域特性一览表线性相位FIRDF的时频域特性一览表663.实验内容第一阶段：使用窗函数法设计FIRDF用用C C语言编写程序，使用窗函数法设计数字低通滤语言编写程序，使用窗函数法设计数字低通滤波器，主要技术指标为：波器，主要技术指标为：通带截止频率通带截止频率=0.25=0.25，通带最大衰减，通带最大衰减=0.2db=0.2db，阻带截止频，阻带截止频率率=0.5=0.5，阻带最小衰减，阻带最小衰减=40db=40db，采样频率采样频率8KHz8KHz。初始时设置程序中参变量初始时设置程序中参变量N=31,wN=31,wc c=0.34*pi=0.34*pi。运行程序后，运行程序后，使用使用CCSCCS显示出显示出FIRDFFIRDF的时域单位脉的时域单位脉冲响应序列及其冲响应序列及其对数坐标频谱图对数坐标频谱图。调整调整N N以及以及w wc c，使得，使得FIRDFFIRDF对数坐标频谱图满足下对数坐标频谱图满足下列要求：列要求：1KHz1KHz频率点的衰减在频率点的衰减在-0.2dB-0.2dB以上（即以上（即0-0.2dB0-0.2dB之间）；之间）；1.3KHz1.3KHz频率点的衰减在频率点的衰减在-40dB-40dB以下（即以下（即0-40dB0-40dB以外）。以外）。每次调整每次调整N N或或w wc c后纪录后纪录N N和和w wc c的值，并记录的值，并记录1KHz1KHz频频率点和率点和1.3KHz1.3KHz频率点处的大概的衰减值。频率点处的大概的衰减值。3.实验内容第一阶段：使用窗函数法设计FIRDF用C语言编673.实验内容第二阶段：使用FIRDF对采样数据滤波读程序内容，注意程序中对采样信号叠加了随机噪读程序内容，注意程序中对采样信号叠加了随机噪声后，通过声后，通过FIRDFFIRDF低通滤波器进行滤波，并将结果低通滤波器进行滤波，并将结果输出。输出。加噪前后的信号和滤波后的信号分别存放在加噪前后的信号和滤波后的信号分别存放在三个不同的数组中三个不同的数组中。用信号源产生一个正弦信号，频率用信号源产生一个正弦信号，频率小于小于1KHz1KHz、峰峰峰峰值小于值小于1V1V，从音频输入端口输入到实验板。，从音频输入端口输入到实验板。运行程序，在运行程序，在CCSCCS中观察：中观察：加噪前后信号波形及频谱，记录频谱图的特点。加噪前后信号波形及频谱，记录频谱图的特点。滤波后信号的波形及频谱，记录频谱图的特点。滤波后信号的波形及频谱，记录频谱图的特点。增大输入信号的频率，用示波器观察输出信号的变增大输入信号的频率，用示波器观察输出信号的变化。化。3.实验内容第二阶段：使用FIRDF对采样数据滤波读程序内68实验三.选作实验IIR数字滤波器设计实验三.选作实验IIR数字滤波器设计69691.实验目的了解IIR数字滤波器的原理。熟悉IIR数字滤波器从设计到实现的具体过程及其应用。1.实验目的了解IIR数字滤波器的原理。702.实验原理在IIR滤波器的设计中，常用的方法是：先根据设计要求寻找一个合适的模拟原型滤波器，然后根据一定的准则将此模拟原型滤波器转换为数字滤波器，即为我们需要设计的数字滤波器。转换的准则包括有双线性变换法和脉冲响应不变法2.实验原理在IIR滤波器的设计中，常用的方法是：先根据设计712.实验原理用Matlab语言辅助设计IIR滤波器N，c=buttord(p，s，Rp，Rs);求求butterWorthbutterWorth滤波器最小阶数滤波器最小阶数N N和和3db3db截至频率截至频率cc。2.实验原理用Matlab语言辅助设计IIR滤波器722.实验原理B，A=butter(N，c)；butterWorthbutterWorth滤波器设计函数。滤波器设计函数。B B和和A A分别为所设计的分别为所设计的ButterWorthButterWorth数字滤波器系统数字滤波器系统函数函数H(z)H(z)的分子和分母多项式系数向量。的分子和分母多项式系数向量。2.实验原理B，A=butter(N，c)；732.实验原理IIR滤波器对输入信号的作用：其输入输出关系如下2.实验原理IIR滤波器对输入信号的作用：其输入输出关系如下743.实验内容给定IIR数字低通滤波器的主要技术指标：通带截止频率=0.25，通带最大衰减=0.2db，阻带截止频率=0.5，阻带最小衰减=40db，采样频率为8KHz。3.实验内容给定IIR数字低通滤波器的主要技术指标：通带截止753.实验内容用用MatlabMatlab语言设计语言设计IIRIIR数字低通滤波器的系数数字低通滤波器的系数A A、B B及及H()H()，算法如下：，算法如下：N,fc=buttord(fp,fs,rp,rs)N,fc=buttord(fp,fs,rp,rs)/*/*计算阶数计算阶数N N和和3DB3DB截止频率截止频率*BB，A=butter(N,fc)A=butter(N,fc)/*/*设计设计IIRIIR低通巴特沃斯模拟滤波器系数低通巴特沃斯模拟滤波器系数B B、A*/A*/H=freqz(B,A,80)H=freqz(B,A,80)/*/*计算计算IIRIIR滤波器的频率响应滤波器的频率响应*/r=real(H)r=real(H)/*/*求求H()H()的实部的实部*/i=imag(H)i=imag(H)/*/*求求H()H()的虚部的虚部*/H=sqrt(r.*r+i.*i)H=sqrt(r.*r+i.*i)/*/*求出求出H()H()的模，的模，IIRIIR滤波器的幅频特性滤波器的幅频特性*/3.实验内容用Matlab语言设计IIR数字低通滤波器763.实验内容观察设计的低通滤波器的频率响应。观察设计的低通滤波器的频率响应。用信号源产生一个正弦信号，频率小于等于用信号源产生一个正弦信号，频率小于等于1500Hz1500Hz、幅度小于、幅度小于1V1V，经采样后叠加了随机噪，经采样后叠加了随机噪声。信号声。信号+噪声经噪声经IIRIIR低通滤波器滤除带外频率及低通滤波器滤除带外频率及噪声。观察并记录低通滤波器输入和输出信号波噪声。观察并记录低通滤波器输入和输出信号波形及其频谱的幅值，验证低通滤波器的低通特性。形及其频谱的幅值，验证低通滤波器的低通特性。3.实验内容观察设计的低通滤波器的频率响应。77DSP实验课实验报告要求DSP实验课实验报告要求7878实验报告要求第三次实验（第三次实验（FIRDFFIRDF的设计，不包括选做的的设计，不包括选做的IIRDFIIRDF设设计）的实验报告，内容主要包括计）的实验报告，内容主要包括:实验目的实验目的 实验原理实验原理 实验步骤实验步骤 实验数据及结果及实验数据及结果及 问题回答问题回答 实验感想实验感想根据自己感兴趣内容查阅相关资料自行设计实现一根据自己感兴趣内容查阅相关资料自行设计实现一个个DSPDSP系统的软件应用或者硬件应用，写出文字报系统的软件应用或者硬件应用，写出文字报告，要求内容告，要求内容新颖、详细完整新颖、详细完整。实验报告要求第三次实验（FIRDF的设计，不包括选做的IIR79