基于MATLAB的DSP调试方法在电压闪变仪中的应用
基于MAT LAB 的DSP 调试方法
在电压闪变仪中的应用
马 涛
Ξ
程 佳 向 冀
(华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003)
摘 要:本文简要分析了国际电工委员会(IEC )闪变仪的数字实现方法。选用无限长单位脉冲响应滤波器(IIR )实现闪变仪中的数字滤波环节。通过采用TI 公司的T MS320C67系列DSP 芯片设计出电压闪变仪中的数字滤波器。最后基于Matlab 向目标DSP 中输入原始信号来代替闪变标准源,将所得输出结果与仿真结果对比,表明达到IEC 要求。
关键词:DSP
;闪变仪;Matlab ;数字滤波器
电压波动与闪变是衡量电能质量的重要指标。电力系统冲击性负荷的增加,加大了电网供电系统电压波动、闪变的严重程度。随着我国电能质量管理工作的日益完善,电压波动和闪变测量仪器在系统中的应用也越来越多。近年来依据IEC 推荐的电压闪变测量原理,通过仿真研究给出了
IEC 闪变仪的数字化实现方法。[1]
而在基于DSP 的电压闪变
仪实现过程中的主要工作是各个环节数字滤波器的设计与实现。多数开发人员采用先确定算法,然后在Matlab 环境下仿真,最后在DSP 上编写调试程序并最终固化到DSP 目标版上。这样开发周期长,并且由于闪变标准源的造价过于昂贵,导致一般条件下无法对滤波器性能进行测试,致使无法保证闪变仪的测量精确性。本文通过Matlab 与CCS 的连接,可实现在Matlab 环境下对目标DSP 的存储器或寄存器数据进行访问,再利用Matlab 强大的分析和可视化工具对其数据进行分析和可视化,[2]对滤波器性能进行测试,以达到要求。
一、IEC 推荐闪变测量原理及滤波器的数字实现
IEC 已经公布了闪变测试仪的设计规范,它由UIE 的提
议发展而来。闪变测试仪结构如图1所示。[3,4]
图中各框的
相关传递函数如下:
图1
0.05H z 高通滤波器传递函数为HP (s )=
s Πω1+s Π
ω,式中ω=2π0.05s
-1
。
六阶巴特沃斯低通滤波器传递函数为
BW (s )=[1+b 1(s Π
ωc )+1+b 2(s Πωc )2
+b 3(s Πωc )3
+b 4(s Πωc )4+b 5(s Πωc )5+b 6(s Πωc )6]-1式中ω=2π0.05s -1
;b 1=b 5=
3.864;b 2=b 4=7.464;b 3=9.141;b 6=1.0。
视感度加权滤波器传递函数为:
K (s )=
k ω1s s 2
+2λs +ω21×1+s Π
ω2(1+s Π
ω3)(1+s Πω4)式中k =1.74802;;λ=2π4.05981;ω1=2π2.27979;ω3=2π1.22535;ω4=2
π21.9。模拟人脑神经对视觉反映和记忆效应的低通滤波器传递函数为LP (s )=
1
1+τs
,式中τ=300ms 。从模拟系统到数字系统的变换,常用的以模拟滤波器设计数字滤波器的方法有脉冲响应不变变换法和双线性变换法。前者变换简单且能保持变化频率的线性化,但会产生频谱的周期延拓失真;后者变换稍复杂,但不会产生频谱的周期延拓失真。采用双线性变换法,并利用Matlab 内置函数
bilinear 可得各数字滤波器参数
[N d ,D d ]=BI LI NE AR (N ,D ,F s ) (1)
式中N d 、D d 和N 、D 分别为数字滤波器分子和分母的系数矩阵,均按降幂排列;F s 为变换所用的采样频率,选用不同
采样频率可得到对应的数字滤波器参数。
[5,6,7,8]
以六阶巴特沃斯低通滤波器为例,取F s =400,可得:
Ξ作者简介:马涛(1982-),男,湖北潜江人,华北电力大学电气与电子工程学院电工理论与新技术专业05级硕士研究生。
中国电力教育2007年研究综述与技术论坛专刊
D d =
1.00000000000000-3.
9315663581653-6.6911824855253
-6.24946434346823.3604510817022-0.982754785615830.12178998778657T
N d = 1.
505948135097e
-49.0356888105925e -42.2589222026541e -33.0118962701904e
-32.2258922202657e -39.0356888105692e -41.5059481351037e
-4
T
反复利用式(1)可得到所有数字滤波器的系统函数。为了便于实际应用,本系统采用无限长单位脉冲响应滤波器
(IIR )。因此这里主要介绍IIR 滤波器在DSP 的实现。
IIR 滤波器的差分方程的一般形式为y (n )=∑N -1
k =0
b k x (n -1)+∑N -1
k =0
a k y (n -1)
式中y (n )为输出;x (n )为输入。
IIR 滤波器的基本结构有3种,即直接型、级联型、并联
型。根据它们的特点,以及所使用的TI 公司的T MS320C67系列DSP 芯片,本系统选用了直接型结构。根据结构设计出在DSP 上的六阶巴特沃斯低通滤波器主要程序:
v oid DSPF sp iir (float 3restrict r1,const float 3x ,float 3restrict r2,const float 3h2,const float 3h1,int nr ){int i ,j ;float sum ;
for (i =0;i sum =h2[0]3x[5+i ];for (j =1;j <=5;j ++) sum +=h2[j ]3x[5+i -j ]-h1[j ]3r1[5+i -j ];r1[5+i ]=sum ;r2[i ]=r1[5+i ];}} 在计算电压闪变时,可根据具体的传递函数,确定IIR 滤波器的级数,套用上述程序,便可完成数字滤波功能。 二、Matlab 辅助DSP 实现IIR 滤波器 集成在Matlab6.5中的CCS Link 工具把Matlab 、TI 开发环境(CCS )及硬件DSP 连接起来,允许开发者在Matlab 的环境下就可以完成对CCS 和硬件目标DSP 的操作,它提供了Mat 2 lab 、CCS 和目标DSP 的双向连接,可以把数据从CCS 中传送 到Matlab 中去,也可以把Matlab 中的数据传到CCS 中。[2] 下 面利用Matlab 与CCS 及目标DSP 的连接利用Matlab 辅助DSP 实现六阶巴特沃斯低通滤波器,并把测试结果与Matlab 中的仿真结果对比。 Matlab 辅助DSP 实现IIR ,其总体过程为在DSP 中编写处 理程序;在Matlab 中利用滤波器设计、分析工具,根据指定的数字滤波器参数,然后把滤波器系数以头文件形式导入CCS 中,头文件中含滤波器阶数和系数数组,在Matlab 中调试、运行DSP 程序并显示、分析处理后的数据。使用该方法,便于采用C 语言来实现程序。头文件名不变,当Matlab 中设计的滤波器系数改变时,相应头文件中系数也改变,方便了程序调试、仿真。 1.在CCS 中建立主程序 在CCS I DE 中建立iir.pjt 工程,用C 语言编写处理主程序iir.c ,利用汇编语言文件,来定义中断服务程序。另外根据板上的存储器配置方式,编写存储器配置文件(.cmd 文件),编译、链接,生成可执行代码(iir.out 文件),加载到目标 DSP 中。 2.利用FDAT ool 生成六阶巴特沃斯低通滤波器Matlab 中的FDAT ool (Filter Design &Analysis T ool ) 利用图 形界面来设计和分析滤波器,本系统通过指定滤波器参数来快速设计IIR 滤波器。在Matlab 命令窗中输入fdatool ,打开 FDAT ool 图形设计界面。按所得参数添入,点击Design Filter , 开始生成六阶巴特沃斯低通滤波器。图2为FDAT ool 工具的设计界面及滤波器的频幅响应特性。 选择菜单T argets ->Export to C ode C om poser S tudio (tm ) I DE ,打开Export to C Header File 对话框,选择C header file ,指 定变量名(滤波器阶数和系数向量),输出数据类型可选浮点 5 9基于MAT LAB 的DSP 调试方法在电压闪变仪中的应用 型或32b ,16b 整型等,根据自己安装选择目标板板号和处理器号,单击OK,保存该头文件,需指定文件名(filtercoeff.h )和路径。打开iir 工程文件夹,该滤波器系数头文件filterco 2 eff.h 已含在工程中。该头文件用到Matlab 中的tm wtypes.h 文件,需把该文件也包含在工程中,还要在fir.c 文件中声明包含滤波器参数头文件,即: #include 〃filtercoeff.h 〃 然后编译、链接工程,添加的头文件自动在工程目录中显示,目标DSP 自动为滤波器系数分配相应的存储空间。 3.Matlab 向目标DSP 传送数据并运行、显示结果 利用如下一段M atlab 代码向目标DSP 中输入原始数据,[2] 并运行目标DSP 中的程序,读出DSP 中的处理结果。 fs =400;%采样频率f1=10;f2=100; x =1003sin (23pi 3f13[1:100]Πfs )+1003sin (23pi 3f23[1:100]Πfs );%产生输入信号 cc =ccsdsp (‘boardnum ’,0,’procnum ’,0); %创建与CCS I DE 相连接的对象 inp-bu ffer = createobj (cc ,’inp-bu ffer ’ ); %创建输入数据变量inp-bu ffer 的嵌入式对象 out-bu ffer =createobj (cc ,’out-bu ffer ’ ); %创建输入数据变量out-bu ffer 的嵌入式对象 write (inp-bu ffer ,round (x )); %向目标DSP 的输入缓 冲区写入数据 run (cc ); %运行目标DSP 中的程序pause (5); %运行一段时间halt (cc ); %停止目标DSP figue inpbu ffer =read (inp-bu ffer ); %读出DSP 中的输入数据 DSPresult =read (out-bu ffer ); %读出DSP 中的输出数据 subplot (2,2,1) plot (inpbu ffer ); %画出DSP 中的输入信号title (‘DSP 输入数据’);subplot (2,2,2) plot (DSPresult ); %画出DSP 中的输出滤波结果title (‘ DSP 滤波结果’);结果表明100H z 的信号分量经过滤波器后被滤除掉了,最后滤波输出的结果为10H z 的正弦信号,同时与Matlab 中的处理结果进行比较,证明了所建立的算法程序正确。 三、结论 基于DSP 的电压闪变仪具有体积小、功能强、精度高、测量通道多的特点。辅助Matlab 向目标DSP 中输入原始数据以代替闪变标准源,测试闪变仪中的滤波器性能,甚至闪变仪的整体性能,大大缩短了开发时间,提高了设计效率,具有广泛的应用前景。 参考文献: [1]马玉龙.IEC 闪变测量原理的数字化实现方法[J ].中国电机 工程学报,2001,21(11). [2]李真芳,苏涛,黄小宇.DSP 程序开发:M AT LAB 调试及直接目 标代码生成[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003,10. [3]孙树勤.电压波动与闪变[M].北京:中国电力出版社,1999.[4]IEC.61000.4.15.Flickermeter -functional and design specifica 2tions[S].IEC.1997. [5]康伟.电压闪变测量方法的研究与实现[D].华北电力大学硕 士学位论文,2003. [6]郭上华.电压波动与闪变微机检测方法的研究[D].湖南大学 硕士学位论文,2003. [7]白先红.IEC 闪变仪的数字化实现的研究[D].河海大学硕士 学问论文,2004. [8]付卫.新型数字闪变仪的研制[D ].清华大学硕士学位论文,1992. 6 9基于MAT LAB 的DSP 调试方法在电压闪变仪中的应用 邻接表表示的图的基本操作的实现 //采用邻接表完成无权无向及有向图的"建立、输出、深度遍历、广度遍历"操作 #include typedef struct Headnode//头结点结构 { ElemType vertex;//顶点域vertex，存放顶点vi的信息 struct Tablenode *firstEdge;//vi的邻接表的头指针 }HeadNode; typedef struct Mgraph { struct Headnode vector[MAX_VERTEX_NUM]; //顶点向量 int vexnum; //图中当前顶点数 } MGraph; //队列初始化 Status InitLinkQueue(LinkQueue *Q) { QNode *p; p=(QNode*)malloc(sizeof(QNode));//开辟头结点空间 if(p!=NULL) { p->next=NULL; Q->front=Q->rear=p; return OK; } else return ERROR; } //链式队列的入队操作，在已知队列的队尾插入一个元素e，修改队尾指针rear。 Status InsertLinkQueue(LinkQueue *Q,ElemType e) { QNode *p; 数字信号处理Matlab 实现实例 第１章离散时间信号与系统 例1-1 用MATLAB计算序列{-2 0 1 –1 3}和序列{1 2 0 -1}的离散卷积。 解 MATLAB程序如下： a=[-2 0 1 -1 3]; b=[1 2 0 -1]; c=conv(a,b); M=length(c)-1; n=0:1:M; stem(n,c); xlabel('n'); ylabel('幅度'); 图1.1给出了卷积结果的图形，求得的结果存放在数组c中为：{-2 -4 1 3 1 5 1 -3}。 例1-2 用MATLAB计算差分方程 当输入序列为时的输出结果。 解 MATLAB程序如下： N=41; a=[0.8 -0.44 0.36 0.22]; b=[1 0.7 -0.45 -0.6]; x=[1 zeros(1,N-1)]; k=0:1:N-1; y=filter(a,b,x); stem(k,y) xlabel('n');ylabel('幅度') 图 1.2 给出了该差分方程的前41个样点的输出，即该系统的单位脉冲响应。 例1-3 用MATLAB 计算例1-2差分方程 所对应的系统函数的DTFT 。 解 例1-2差分方程所对应的系统函数为： 123 123 0.80.440.360.02()10.70.450.6z z z H z z z z -------++= +-- 其DTFT 为 23230.80.440.360.02()10.70.450.6j j j j j j j e e e H e e e e ωωωω ωωω--------++= +-- 用MATLAB 计算的程序如下： k=256; num=[0.8 -0.44 0.36 0.02]; den=[1 0.7 -0.45 -0.6]; w=0:pi/k:pi; h=freqz(num,den,w); subplot(2,2,1); plot(w/pi,real(h));grid title('实部') xlabel('\omega/\pi');ylabel('幅度') Dsp-matlab实验 实验三：梳状滤波器的应用 设 计 报 告 课题名称：梳状滤波器的应用 学生姓名： 班级： 班内序号： 学号： 日期：2015/06/15 目录 一、实验内容········································· 二、Matlab运行结果（含分析）································· 三、Matlab源代码···························· 四、遇到的难题与解决方法···························· 参考文献························································· 一、实验内容 录制一段自己的话音，时间长度及取样频率自定；对该段声音加入一次反射、三次反射和无穷多次反射。试验报告要求： 1、对试验原理的说明； 回声往往是原始声音衰减后的多个延迟叠加而组成的，因此回声可以用延迟单元来生成。X(n)表示原始声音信号，α为衰减系数，N为延迟周期，回声信号Y(n)=X(n)α*x(n-T）+α^2*x(n-2T)+……+α^N*x(n-NT). Z变换后的系统函数H（Z)可由梳状滤波器实现。MATLAB filter函数可用来仿真差分方程，本次实验用的就是这个函数。 2、在同一张图上，绘制原声音序列() x n、加入一次反射后的声音序列 1() x n、加入三次反射后的声音序列 3() x n和加入无穷多次反射后的声音序列() I x n； 其中蓝色为原声音序列x(n)，粉红色为加入一次反射后的声音序列 x1(n)，绿色为加入三次反射后的声音序列x3(n)，红色为加入无穷多次反射后的声音序列x ∞(n)。 二、Matlab 运行结果（含分析）· 结合上述各序列，分析延时、衰减系数对回声效果的影响（提示：定量考察序列()x n 、1()x n 、3()x n 和()I x n 之间的区别） 延时不变时，衰减系数a 从零增大到1的过程中，回声效果由差变好再变差。a 很小时几乎听不到回声，a 在0.5±0.1时回声效果最明显，a 接近1时声音变得很不清晰，几乎不可识别。衰减系数不变时延时T 从零增大的过程中回声效果由差变好再变差。T 接近0时可以听到回声，但多次回声的层次感不清晰。0.1s 实验五图的遍历及其应用实现 一、实验目的 1．熟悉图常用的存储结构。 2．掌握在图的邻接矩阵和邻接表两种结构上实现图的两种遍历方法实现。 3．会用图的遍历解决简单的实际问题。 二、实验内容 [题目一] ：从键盘上输入图的顶点和边的信息,建立图的邻接表存储结构,然后以深度优先搜索和广度优先搜索遍历该图,并输出起对应的遍历序列. 试设计程序实现上述图的类型定义和基本操作,完成上述功能。该程序包括图类型以及每一种操作的具体的函数定义和主函数。 提示： 输入示例 上图的顶点和边的信息输入数据为： 5 7 DG A B C D E AB AE BC CD DA DB EC [题目二]：在图G中求一条从顶点 i 到顶点 s 的简单路径 [题目三]：寻求最佳旅游线路（ACM训练题） 在一个旅游交通网中，判断图中从某个城市A到B是否存在旅游费用在s1-s2元的旅游线路，为节省费用，不重游故地。若存在这样的旅游线路则并指出该旅游线路及其费用。 输入： 第一行：n //n-旅游城市个数 第2行：A B s1 s2 //s1,s2-金额数 第3行---第e+2行 ( 1≤e≤n(n-1)/2 ) 表示城市x,y之间的旅行费用，输入0 0 0 表示结束。 输出： 第一行表示 A到B的旅游线路景点序列 第二行表示沿此线路，从A到B的旅游费用 设计要求： 1、上机前，认真学习教材，熟练掌握图的构造和遍历算法,图的存储结 构也可使用邻接矩阵等其他结构. 2、上机前，认真独立地写出本次程序清单，流程图。图的构造和遍历算法 分别参阅讲义和参考教材事例 图的存储结构定义参考教材 相关函数声明： 1、/* 输入图的顶点和边的信息,建立图*/ void CreateGraph(MGraph &G) 2、/* 深度优先搜索遍历图*/ void DFSTraverse(Graph G, int v) 3、/*广度优先搜索遍历图 */ void BFSTraverse(Graph G, int v)4、 4、/* 其他相关函数 */…… 三、实验步骤 ㈠、数据结构与核心算法的设计描述 ㈡、函数调用及主函数设计 （可用函数的调用关系图说明） ㈢程序调试及运行结果分析 ㈣实验总结 四、主要算法流程图及程序清单 1、主要算法流程图： 2、程序清单 （程序过长，可附主要部分） MATLAB中FFT的使用方法 说明：以下资源来源于《数字信号处理的MATLAB实现》万永革主编 一.调用方法 X=FFT(x)； X=FFT(x，N)； x=IFFT(X); x=IFFT(X,N) 用MATLAB进行谱分析时注意： （1）函数FFT返回值的数据结构具有对称性。 例： N=8; n=0:N-1; xn=[43267890]; Xk=fft(xn) → Xk= 39.0000-10.7782+6.2929i0-5.0000i 4.7782-7.7071i 5.0000 4.7782+7.7071i0+5.0000i-10.7782-6.2929i Xk与xn的维数相同，共有8个元素。Xk的第一个数对应于直流分量，即频率值为0。 （2）做FFT分析时，幅值大小与FFT选择的点数有关，但不影响分析结果。在IFFT时已经做了处理。要得到真实的振幅值的大小，只要将得到的变换后结果乘以2除以N即可。 二.FFT应用举例 例1：x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t)。采样频率fs=100Hz，分别绘制N=128、1024点幅频图。 clf; fs=100;N=128;%采样频率和数据点数 n=0:N-1;t=n/fs;%时间序列 x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t);%信号 y=fft(x,N);%对信号进行快速Fourier变换 mag=abs(y);%求得Fourier变换后的振幅 f=n*fs/N;%频率序列 subplot(2,2,1),plot(f,mag);%绘出随频率变化的振幅 xlabel('频率/Hz'); ylabel('振幅');title('N=128');grid on; subplot(2,2,2),plot(f(1:N/2),mag(1:N/2));%绘出Nyquist频率之前随频率变化的振幅xlabel('频率/Hz'); ylabel('振幅');title('N=128');grid on; %对信号采样数据为1024点的处理 fs=100;N=1024;n=0:N-1;t=n/fs; x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t);%信号 y=fft(x,N);%对信号进行快速Fourier变换 mag=abs(y);%求取Fourier变换的振幅 f=n*fs/N; subplot(2,2,3),plot(f,mag);%绘出随频率变化的振幅 xlabel('频率/Hz'); ylabel('振幅');title('N=1024');grid on; subplot(2,2,4) plot(f(1:N/2),mag(1:N/2));%绘出Nyquist频率之前随频率变化的振幅 xlabel('频率/Hz'); ylabel('振幅');title('N=1024');grid on; 运行结果： 实验一 基于Matlab 的数字信号处理基本操作 一、 实验目的：学会运用MA TLAB 表示的常用离散时间信号；学会运用MA TLAB 实现离 散时间信号的基本运算。 二、 实验仪器：电脑一台，MATLAB6.5或更高级版本软件一套。 三、 实验内容： （一） 离散时间信号在MATLAB 中的表示 离散时间信号是指在离散时刻才有定义的信号，简称离散信号，或者序列。离散序列通常用)(n x 来表示，自变量必须是整数。 离散时间信号的波形绘制在MATLAB 中一般用stem 函数。stem 函数的基本用法和plot 函数一样，它绘制的波形图的每个样本点上有一个小圆圈，默认是空心的。如果要实心，需使用参数“fill ”、“filled ”，或者参数“.”。由于MATLAB 中矩阵元素的个数有限，所以MA TLAB 只能表示一定时间范围内有限长度的序列；而对于无限序列，也只能在一定时间范围内表示出来。类似于连续时间信号，离散时间信号也有一些典型的离散时间信号。 1. 单位取样序列 单位取样序列)(n δ，也称为单位冲激序列，定义为 ) 0() 0(0 1)(≠=?? ?=n n n δ 要注意，单位冲激序列不是单位冲激函数的简单离散抽样，它在n =0处是取确定的值1。在MATLAB 中，冲激序列可以通过编写以下的impDT .m 文件来实现，即 function y=impDT(n) y=(n==0); %当参数为0时冲激为1,否则为0 调用该函数时n 必须为整数或整数向量。 【实例1-1】 利用MATLAB 的impDT 函数绘出单位冲激序列的波形图。 解：MATLAB 源程序为 >>n=-3:3; >>x=impDT(n); >>stem(n,x,'fill'),xlabel('n'),grid on >>title('单位冲激序列') >>axis([-3 3 -0.1 1.1]) 程序运行结果如图1-1所示。 图1-1 单位冲激序列 A卷 一、[15分] 1、10 2、f>=2fh 3、()()()y n x n h n =* 4、1 -az -11a 或者-z z ，a 1 -z 或1-1-az -1z 5、对称性 、 可约性 、 周期性 6、191点，256 7、典范型、级联型、并联型 8、T ω = Ω，)2 tan(2ω T = Ω或)2arctan(2T Ω=ω。 二、[20分] 1、C 2、 A 3、 C 4、C 5、B 6、D 7、B 8、A 9、D 10、A (CACCB DBADA) 三、[15分] 1、（5分） 混叠失真：不满足抽样定理的要求。 改善方法：增加记录长度 频谱泄漏：对时域截短，使频谱变宽拖尾，称为泄漏 改善方法：1）增加w (n )长度 2）缓慢截短 栅栏效应：DFT 只计算离散点（基频F0的整数倍处）的频谱，而不是连续函数。 改善方法：增加频域抽样点数N （时域补零），使谱线更密 2、（5分） 3、 （5分） IIR 滤波器: 1）系统的单位抽样相应h (n )无限长 2）系统函数H (z )在有限z 平面（ ）上有极点存在 3）存在输出到输入的反馈，递归型结构 Fir 滤波器: ? 1）系统的单位冲激响应h (n )在有限个n 处不为零； ? 2）系统函数 在||0 z >处收敛，在 处只有零点，即有限z 平面只有零点，而全部极点都在z =0处； ? 3）机构上主要是非递归结构，没有输入到输出的反馈，但有些结构中也包含有反馈的递归部分。 四、计算题（40分） 1、（12分）解： 解： 对上式两边取Z 变换，得： ()H z ||0z > 题目: 数字信号处理MATLAB仿真实验 姓名 学院 专业 班级 学号 班内序号 实验一：数字信号的 FFT 分析 1、实验内容及要求 (1) 离散信号的频谱分析： 设信号 此信号的0.3pi 和 0.302pi 两根谱线相距很近，谱线 0.45pi 的幅度很小，请选择合适的序列长度 N 和窗函数，用 DFT 分析其频谱，要求得到清楚的三根谱线。 (2) DTMF 信号频谱分析 用计算机声卡采用一段通信系统中电话双音多频（DTMF ）拨号数字 0～9的数据，采用快速傅立叶变换（FFT ）分析这10个号码DTMF 拨号时的频谱。 2、实验目的 通过本次实验，应该掌握： (a) 用傅立叶变换进行信号分析时基本参数的选择。 (b) 经过离散时间傅立叶变换（DTFT ）和有限长度离散傅立叶变换（DFT ） 后信号频谱上的区别，前者 DTFT 时间域是离散信号，频率域还是连续的，而 DFT 在两个域中都是离散的。 (c) 离散傅立叶变换的基本原理、特性，以及经典的快速算法（基2时间抽选法），体会快速算法的效率。 (d) 获得一个高密度频谱和高分辨率频谱的概念和方法，建立频率分辨率和时间分辨率的概念，为将来进一步进行时频分析（例如小波）的学习和研究打下基础。 (e) 建立 DFT 从整体上可看成是由窄带相邻滤波器组成的滤波器组的概念，此概念的一个典型应用是数字音频压缩中的分析滤波器，例如 DVD AC3 和MPEG Audio 。 3、程序代码 (1) N=5000; n=1:1:N; x=0.001*cos(0.45*pi*n)+sin(0.3*pi*n)-cos(0.302*pi*n-pi/4); y=fft(x,N); magy=abs(y(1:1:N/2+1)); k=0:1:N/2; w=2*pi/N*k; stem(w/pi,magy) axis([0.25,0.5,0,50]) （2） column=[1209,1336,1477,1633]; line=[697,770,852,941]; fs=10000; N=1024; 00010450303024().*cos(.)sin(.)cos(.)x n n n n ππππ=+-- 第一课：工具的使用 一、Photoshop 简介： Adobe 公司出品的Photoshop 是目前最广泛的图像处理软件，常用于广告、艺术、平面设计等创作。也广泛用于网页设计和三维效果图的后期处理，对于业余图像爱好者，也可将自己的照片扫描到计算机，做出精美的效果。总之，Photoshop 是一个功能强大、用途广泛的软件，总能做出惊心动魄的作品。 二、认识工具栏 1、 选框工具：用于选取需要的区域 ----选择一个像素的横向区域 ----选择一个像素的竖向区域 属性栏： 注：按shift 键+ 框选，可画出正方形或正圆形区域 2、 移动工具 ： -----用于移动图层或选区里的图像 3、套索工具： ----用于套索出选区 ----用于套索出多边形选区 ----可根据颜色的区别而自动产生套索选区 4、魔术棒工具： ----根据颜色相似原理，选择颜色相近的区域。 注：“容差”，定义可抹除的颜色范围，高容差会抹除范围更广的像素。 5、修复工具： 且是 ----类似于“仿制图工具”，但有智能修复功能。 ----用于大面积的修复 一新 ----用采样点的颜色替换原图像的颜色 注：Alt+鼠标单击，可拾取采样点。 6、仿制图章工具----仿制图章工具从图像中取样，然后您可将样本应用到其它图像或同一图像的其它部分。 ----仿制图章工具从图像中取样，然后将样本应用到其它图像或同 一图像的其它部分（按Alt键，拾取采样点）。 ----可先自定义一个图案，然后把图案复制到图像的其它区域或其它图像上。 三、小技巧： ①、取消选区：【Ctrl ＋D 】 ②、反选选区：【Shif+F7】 ③、复位调板：窗口—工作区—复位调板位置。 ④、ctrl+[+、-]=图像的缩放 ⑤空格键：抓手工具 ⑥Atl+Delete = 用前景色填充 Ctrl+Delete = 用背景色填充 第二课：工具的使用二 一、工具栏 自由变换工具：【 Ctrl ＋T 】 2、使用框选工具的时候，按【Shift 】后再框选，则框选出正圆或正方形。 按【Alt 】后再框选，则选区以鼠标点为中心 实验1 时域离散信号的产生 一、实验目的 学会运用MATLAB 产生常用离散时间信号。 二、实验涉及的matlab 子函数 1、square 功能：产生矩形波 调用格式： x=square(t)；类似于sin （t ），产生周期为2*pi ，幅值为+—1的方波。 x=square(t ，duty)；产生制定周期的矩形波，其中duty 用于指定脉冲宽度与整个周期的比例。 2、rand 功能：产生rand 随机信号。 调用格式： x=rand （n ，m ）；用于产生一组具有n 行m 列的随机信号。 三、实验原理 在时间轴的离散点上取值的信号，称为离散时间信号。通常，离散时间信号用x （n ）表示，其幅度可以在某一范围内连续取值。 由于信号处理所用的设备主要是计算机或专用的信号处理芯片，均以有限的位数来表示信号的幅度，因此，信号的幅度也必须“量化”，即取离散值。我们把时间和幅度上均取离散值的信号称为时域离散信号或数字信号。 在MATLAB 中，时域离散信号可以通过编写程序直接生成，也可以通过对连续信号的等间隔抽样获得。 下面介绍常用的时域离散信号及其程序。 1、单位抽样序列 ? ? ?≠==000 1)(k k k δ MATLAB 源程序为 1) function [x,n] = impuls (n0,n1,n2) % Generates x(n) = delta(n-n0); n=n0 处建立一个单位抽样序列% [x,n] = impuls (n0,n1,n2) if ((n0 < n1) | (n0 > n2) | (n1 > n2)) error('arguments must satisfy n1 <= n0 <= n2') end n = [n1:n2]; x = [zeros(1,(n0-n1)), 1, zeros(1,(n2-n0))]; 将上述文件存为：impuls.m，在命令窗口输入 n0=0,n1=-10,n2=11; [x,n]=impuls (n0,n1,n2); stem(n,x,’filled’) 2)n1=-5;n2=5;n0=0; n=n1:n2; x=[n==n0]; stem(n,x,'filled','k'); axis([n1,n2,1.1*min(x),1.1*max(x)]); title('单位脉冲序列'); xlabel('时间(n)'); ylabel('幅度x(n)'); 3)n1=-5;n2=5;k=0; n=n1:n2; nt=length(n); %求n点的个数 nk=abs(k-n1)+1; %确定k在n序列中的位置 x=zeros(1,nt); %对所有样点置0 x(nk)=1; %对抽样点置1 stem(n,x,'filled','k'); axis([n1,n2,0,1.1*max(x)]); title('单位脉冲序列'); xlabel('时间(n)'); Ylabel('幅度x(n)'); Dsp-matlab实验 实验一：重叠相加法和重叠保留法的实现 设 计报告课题名称： 学生姓名： 级：班 班内序号： 学号： 2015/06/15 日期： 目录 一、实验原理········································· 二、Matlab源代码································· 运行结果Matlab三、···························· 结果分析Matlab四、···································· 五、遇到的难题与解决方法···························· 参考文献························································· 一、实验原理 1、算法来源 DFT 是连续傅里叶变换在时域和频域上都离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换频域的采样。在形式上，变换两端（时域和频域上）的序列是有限长的。DFT 具备明确且合理的物理含义，适合应用于数字系统，同时可以方便地由计算机进行运算。 对于线性非移变离散系统，可由线性卷积表示时域输入输出关系，即 x(n)*h(n)=y(n) 通常采用循环卷积降低运算量，但实际中往往无法满足对信号处理的实时性要求。因此，产生了重叠相加法和重叠保留法两种典型的算法，用以快速计算线性卷积，成为了DFT 的一个重要应用。 2、两种算法基本思想 1）重叠相加法 重叠相加法和重叠保留法的实质都是以逐段地方式通过循环卷积来完成线性卷积的计算。将输入序列x（n）进行分段，每段长为N,且N≥M（M为有限长因果序列h（n）的长度），x（n）逐段 标头.h #include 昆明理工大学信息工程与自动化学院学生实验报告 （2011—2012 学年第二学期） 课程名称：数字信号处理开课实验室：信自楼111 2012 年 5 月 31 日年级、专业、班生医学号姓 名 成绩 实验项目名称数字信号处理的matlab 实现指导教师 教 师 评语教师签名： 年月日 一．实验目的 熟练掌握matlab的基本操作。 了解数字信号处理的MATLAB实现。 二．实验设备 安装有matlab的PC机一台。 三．实验内容 .1.求信号x(n)=cos(6.3Пn/3)+cos(9.7Пn/30)+cos(15.3Пn/30),0≤n≤29的幅度频谱. 2. 用冲击响应不变法设计一个Butterworth低通数字滤波器,要求参数为: Wp=0.2Пαp=1dB Ws=0.3Пαs=15dB 3.用双线性变换法设计一个Chebyshev高通IIR滤波器,要求参数为: Wp=0.6Пαp=1dB Ws=0.4586Пαs=15dB 4.用窗函数法设计一个低通FIR滤波器,要求参数为: Wp=0.2Пαp=0.3dB Ws=0.25Пαs=50dB 5.用频率抽样法设计一个带通FIR滤波器,要求参数为: W1s=0.2П W1p=0.35П W2p=0.65П W2s=0.8П αs=60dB αp=1dB 6.根据 4 点矩形序列，( n ) = [1 1 1 1] 。做 DTFT 变换，再做 4 点 DFT 变换。然后分别补零做 8 点 DFT 及 16 点 DFT。 7.调用filter解差分方程，由系统对u(n)的响应判断稳定性 8编制程序求解下列系统的单位冲激响应和阶跃响应。 y[n]+ 0.75y[n -1]+ 0.125y[n -2] = x[n]- x[n -1] 四．实验源程序 1. n=[0:1:29]; x=cos(6.3*pi*n/30)+cos(9.7*pi*n/30)+cos(15.3*pi*n/30); 第一课：工具的使用 、 Photoshop 简介： Adobe 公司出品的 Photoshop 是目前最广泛的图像处理软件，常用于广告、艺术、平面 设计等创作。也广泛用于网页设计和三维效果图的后期处理，对于业余图像爱好者，也 可将自己的照片扫描到计算机，做出精美的效果。总之， Photoshop 是一个功能强大、 用途广泛的软件，总能做出惊心动魄的作品。 、认识工具栏 1、 选框工具 ：用于选取需要的区域 选择一个像素的横向区域 选择一个像素的竖向区域 注：按 shift 键 +框选，可画出正方形或正圆形区域 可根据颜色的区别而自动产生套索选区 根据颜色相似原理，选择颜色相近的区域。 5、 修复工具 ： 类似于“仿制图工具” ，但有智能修复功能。 用于大面积的修复 用采样点的颜色替换原图像的颜色 注： Alt+ 鼠标单击，可拾取采样点。 6、仿制图章工具 仿制图章工具从图像中取样， 然后您可将样本应用到其它图像或同一 图像的其它部分。 - 仿制图章工具从图像中取样，然后将样本应用到其它图像或同 一图像的其它部分（按 Alt 键，拾取采样点） 。 区域或其 它图像上。 2、 移动工具 ： 3、 套索工具 ： 用于移动图层或选区里的图像 - - 用于套索出选区 用于套索出多边形选 区 属性栏： 选区相交 单个选区 选区相加 选区相减 4、魔术棒工具 ，定义可抹除的颜色范围，高容差会抹除范围更广的像素。 且是 --------- - 三、小技巧： ①、取消选 区： 【Ctrl ＋D】 ②、反选选 区： 【Shif+F7 】 ③、 复位调 板： 窗口—工作区—复位调板位置。 ④、 ctrl+[+ 、 -]= 图像的缩放 ⑤空格键：抓手工具 ⑥ Atl+Delete = 用前景色填充 Ctrl+Delete = 用背景色填充 第二课：工具的使用二 模1、糊自工由具变换工具：【Ctrl ＋T】减淡工具 模糊工具 2、使用框选工具的时候，按【Shift 】后再框选，则框选出正圆或正方形。 实验一熟悉MATLAB环境 一、实验目的 (1)熟悉MATLAB的主要操作命令。 (2)学会简单的矩阵输入和数据读写。 (3)掌握简单的绘图命令。 (4)用MATLAB编程并学会创建函数。 (5)观察离散系统的频率响应。 二、实验内容 认真阅读本章附录，在MATLAB环境下重新做一遍附录中的例子，体会各条命令的含义。在熟悉了MATLAB基本命令的基础上，完成以下实验。 上机实验内容： (1)数组的加、减、乘、除和乘方运算。输入A=[1234]，B=[345 6]，求C=A+B，D=A-B，E=A.*B，F=A./B，G=A.^B并用stem语句画出 A、B、C、D、E、F、G。 (2)用MATLAB实现以下序列。 a）x(n)=0.8n0≤n≤15 b）x(n)=e(0.2+3j)n0≤n≤15 c）x(n)=3cos(0.125πn+0.2π)+2sin(0.25πn+0.1π)0≤n≤15 (n)=x(n+16),绘出四个d）将c)中的x(n)扩展为以16为周期的函数x 16 周期。 (n)=x(n+10),绘出四个e）将c)中的x(n)扩展为以10为周期的函数x 10 周期。 (3)x(n)=[1,-1,3,5]，产生并绘出下列序列的样本。 a）x 1(n)=2x(n+2)-x(n-1)-2x(n) b）∑=-=5 1k 2) k n (nx (n) x (4)绘出下列时间函数的图形，对x轴、y轴以及图形上方均须加上适当的标注。 a)x(t)=sin(2πt)0≤t≤10s b)x(t)=cos(100πt)sin(πt) 0≤t≤4s (5)编写函数stepshift(n0,n1,n2)实现u(n-n0),n1 2013 基于MatLab的Smith圆图演示 程序设计 微波技术课程设计 目录 一．原理介绍 (2) 1.Smith圆图组成 (2) 2.阻抗匹配 (3) 2.1单支节阻抗匹配 (3) 2.2双支节阻抗匹配 (4) 二．软件功能 (5) 三．程序界面 (6) 四．使用演示 (6) 1.求解归一化阻抗，归一化导纳，反射系数及驻波比 (6) 2.画等反射系数图等电阻图等电抗图 (7) 3.求解及演示支节匹配 (8) 3.1 单支路并联短路 (8) 3.2 单支路并联开路 (9) 3.3 单支路串联短路 (11) 3.4 单支路串联开路 (13) 3.5 双支路并联短路 (15) 3.6 双支路并联开路 (16) 3.7 双支路串联短路 (18) 3.8 双支路串联开路 (19) (21) 4. 保存图像 (22) 5.差错检测 (23) 五．总结体会 (23) 一．原理介绍 微波工程中，smith圆图是一种最有效最常见的图形工具。圆图全面反映了反射系数与阻抗/导纳之间的相互管，能够极大的简化传输线及集总参数电路中复杂问题的分析与设计。 1.Smith圆图组成 Smith圆图（阻抗圆图）以反射系数Γ图为基底，所描述的r和x在Γ复平面上的轨迹。 Γ=Z L?Z0 Z L+Z0 =|Γ|e jθT（1.1） 实部：Γr=r2?1+x2 (r+1)2+x2 （1.2） 虚部：Γi=2x (r+1)2+x2 （1.3） 根据式（1.2）和式（1.3）可得到两组圆，当他们叠在一起便构成一张完整的smith圆图。 等电阻圆：(Γr?r 1+r ) 2 +Γi2=(1 1+r ) 2 ,|Γ|≤1 图的基本操作与实现的课程设计报 告 中国矿业大学徐海学院计算机系 《软件认知实践》报告 姓名：_学号： 专业：___________________ 设计题目：_______________ 指导教师：____________________________ 2013年12月30日 第1章题目概述 第1.1节题目要求. 第1.2节主要难点 第2章系统流程 第3章数据结构和算法 第4章核心代码分析.. 第5章复杂度分析 参考文献 第一章题目概述 第1.1节题目要求 (1) 自选存储结构，输入含n 个顶点(用字符表示顶点)和e 条边的图G ； (2) 求每个顶点的度，输出结果； (3) 指定任意顶点x 为初始顶点，对图G 作DFS 遍历，输出DFS 顶点序列(提示:使用一个栈 实 现 DFS); ⑷指定任意顶点x 为初始顶点，对图G 作BFS 遍历，输出BFS 顶点序列(提示:使用一个队列 实现BFS); (5) 输入顶点x,查找图G:若存在含x 的顶点，则删除该结点及与之相关连的边，并作DFS 遍 历(执行操作3)；否则输出信息“无x” ; (6) 判断图G 是否是连通图，输出信息“YES” / “NO”； (7) 如果选用的存储结构是邻接矩阵,则用邻接矩阵的信息生成图G 的邻接表，即复制图G, 然再执行操作(2);反之亦然。 .2 .2 .3 .4 .5 .6 25 25 第1. 2节主要难点 (1)自选存储结构创建一个图：通过用户从键盘敲入的两个数值分别确定图的顶点数和边数，选择邻接矩阵存储结构将图的结点信息存储在一个顺序表中，图的边信息存储在一个二维数组中。 (2)求每个顶点的度: 数字信号处理（第二版） 绪论 1.4 MATLAB 在信号处理中的应用简介 MATLAB 是美国Mathworks 公司于1984年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理、系统仿真和图形显示于一体，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作。 MATLAB 软件包括五大通用功能：数值计算功能（Numeric ），符号运算功能（Symbolic ）；数据可视化功能（Graphic ），数据图形文字统一处理功能（Notebook ）和建模仿真可视化功能（Simulink ）。该软件有三大特点：一是功能强大；二是界面友善、语言自然；三是开放性强。目前，Mathworks 公司已推出30多个应用工具箱。MA TLAB 在线性代数、矩阵分析、数值及优化、数理统计和随机信号分析、电路与系统、系统动力学、信号和图像处理、控制理论分析和系统设计、过程控制、建模和仿真、通信系统、以及财政金融等众多领域的理论研究和工程设计中得到了广泛应用。 2.10 离散时间信号与系统的Matlab 表示 2.10.1 离散时间信号的表示和运算 1、基本序列的Matlab 表示 单位采样序列 在MA TLAB 中，单位采样序列可以通过编写以下的DTimpulse .m 文件来实现，即 function y=DTimpulse (n) y=(n==0); %当参数为0时冲激为1,否则为0 调用该函数时n 必须为整数或整数向量。 单位阶跃序列 在MA TLAB 中，单位阶跃序列可以通过编写DTu .m 文件来实现，即 function y=DTu (n) y=n>=0; %当参数为非负时输出1 调用该函数时n 必须为整数或整数向量。 矩形序列 用MA TLAB 表示矩形序列可根据公式()()()N R n u n u n N =--并利用DTu 函数生成，即 function y=DTR(n,N) y=DTu(n)-DTu(n-N); 调用该函数时n 必须为整数或整数向量，N 必须为整数。 实指数序列 用MA TLAB 表示实指数序列()(),n x n a u n n N a R =∈∈，即 1.已知3阶椭圆IIR数字低通滤波器的性能指标为：通带截止频率0.4π，通带波纹为0.6dB，最小阻带衰减为32dB。设计一个6阶全通滤波器对其通带的群延时进行均衡。绘制低通滤波器和级联滤波器的群延时。 %Q1_solution %ellip(N,Ap,Ast,Wp) %N--->The order of the filter %Ap-->ripple in the passband %Ast->a stopband Rs dB down from the peak value in the passband %Wp-->the passband width [be,ae]=ellip(3,0.6,32,0.4); hellip=dfilt.df2(be,ae); f=0:0.001:0.4; g=grpdelay(hellip,f,2); g1=max(g)-g; [b,a,tau]=iirgrpdelay(6,f,[0 0.4],g1); hallpass=dfilt.df2(b,a); hoverall=cascade(hallpass,hellip); hFVT=fvtool([hellip,hoverall]); set(hFVT,'Filter',[hellip,hoverall]); legend(hFVT,'Lowpass Elliptic filter','Compensated filter'); clear; [num1,den1]=ellip(3,0.6,32,0.4); [GdH,w]=grpdelay(num1,den1,512); plot(w/pi,GdH); grid xlabel('\omega/\pi'); ylabel('Group delay, samples'); F=0:0.001:0.4; g=grpdelay(num1,den1,F,2); % Equalize the passband Gd=max(g)-g; % Design the allpass delay equalizer [num2,den2]=iirgrpdelay(6,F,[0,0.4],Gd); [GdA,w] = grpdelay(num2,den2,512); hold on; plot(w/pi,GdH+GdA,'r');邻接表表示的图的基本操作的实现
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