《数字信号处理实验教程(第2版)/21世纪高等学校电子信息工程规划教材》针对工程应用型本科专业的实验教学特点,注重数字信号处理的基本理论、基本算法的MATLAB实现,倡导有条件的双语教学、践行个性化的分层教学新理念。通过典型的实例MATLAB程序帮助读者理解和掌握基础理论的基本应用,激发学生的自主学习兴趣。
本书第一部分(实验1~实验6)为基础实验,侧重基本MATLAB语言介绍、基本信号概念和系统原理,是用英文撰写的。由于课程教材一般为中文,实践环节的这种安排既能保证学生对基本概念和基础理论算法的理解掌握,又培养了学生的英文应用能力。第二部分(实验7~实验13)为专题实验,是用中文撰写的。专题实验内容循序渐进,通过各专题的相关子课题,引导有兴趣的学生进行综合性、设计性实验研究。根据实验教学要求可对两部分实验内容进行选择,作为必做实验或课外拓展综合设计选做实验。
本书也可作为通信、电子信息、计算机应用技术等相关专业本科生实验教学用书或者作为从事数字信号处理工作的工程技术人员的参考书。
数字信号处理基础知识已成为通信、电子信息、计算机应用技术等相关专业本科学生必须学习和掌握的专业基础知识。
从教学目的和内容上可把数字信号处理相关课程分为两类: 一类是以学习数字信号处理基本概念、算法及其应用和数字滤波器系统原理为主要目的; 另一类是在某数字信号处理器硬件开发平台上,针对选定数字信号处理芯片型号,学习利用该芯片的指令集进行数字信号处理算法硬件开发编程。由于这两类课程的教学侧重点有较大的差异,故相关实践教学环节的软件内容、硬件环境也有较大不同。
本书是针对上述第一类课程的实践教学环节而编写的。主要有以下特点: 第一,针对工程应用型本科专业的教学特点,注重数字信号分析和数字处理系统的基本原理验证和算法综合实现; 第二,实验均在通用计算机平台上,用MATLAB语言编程实现; 第三,为在课程实践环节尝试双语教学提供了参考教材; 第四,便于践行个性化、分层教学的新理念。
本书是在作者2011年编写的《数字信号处理实验教程》原书基础上增加、修订而成的,主要对原书基础实验部分增加了新的MATLAB实例程序,同时设计了针对该实验内容的问题作业,便于学生通过模仿、修改实例程序,完成基本作业,达到理解、加深、巩固课堂所学基本算法,掌握MATLAB基本编程方法的实验教学目标。
本书在基础理论方面并没有进行完整的叙述,有需要的读者可参阅相关书籍。特别是专题实验部分的例子仅抛砖引玉,期望在巩固理解基本概念和编程应用的同时,激发读者自主学习的兴趣。
本书第一部分(实验1~实验6)为基础实验,侧重基本MATLAB语言介绍、基本信号概念和系统原理,是用英文撰写的; 可安排8~10个学时。因课程教材一般为中文,实践环节提供的英文材料既保证学生对基本概念和基础理论算法的理解掌握,又培养了学生的英文应用能力; 第二部分(实验7~实验13)为中文撰写的专题实验; 通过各专题相关子课题内容的循序渐进,引导有兴趣的学生进行综合性、设计性实验研究。在这部分可以让学生以研究课题的形式选做某个专题。
全书由李莉统稿。实验1~实验3由倪继锋编写; 实验4和实验5、实验7和实验8由郑振东编写; 实验6、实验9和实验10、实验12由李莉编写; 实验11由张倩编写; 实验13由俞玉莲编写。
本书集作者在上海师范大学多年课程建设的探索和教学改革的实际经验,是上海市精品课程建设配套教材。由于编者水平有限,书中难免有错误和不妥之处,敬请读者不吝指正。
书中例子的程序集,读者可在上海师范大学课程中心的“数字信号处理及DSP技术基础”课程网站(http://cc.shnu.edu.cn)上免费下载。
编者2015年5月于上海
第一部分基 础 实 验
Laboratory 1Generate and Plot Basic Digital Signals with MATLAB
1.1Overview and goal
1.2Preknowledge
1.2.1Basic knowledge about MATLAB
1.2.2Unit impulse sequence
1.2.3Unit step sequence
1.2.4Exponential sequences
1.2.5Sinusoidal sequences
1.3Using the MATLAB command
1.4Experiments
1.4.1Unit impulse sequence and unit step sequence
1.4.2Exponential sequences
1.4.3Sinusoidal sequence
1.4.4Questions
Laboratory 2Time Domain Representations of LTI Discrete
time System
2.1Overview and goal
2.2Preknowledge
2.2.1Unit impulse and unit step responses to a LTI digital system
2.2.2The response y[n] of LTI discretetime system to an
arbitrary input x[n]
2.2.3The finite impulse response and the infinite impulse
response systems
2.3Using the MATLAB command
2.4Experiments
2.4.1Calculating the impulse response to a linear timeinvariant
discrete time system
2.4.2Convolution
2.4.3The interpretation of the concept of filtering
2.4.4Questions
Laboratory 3Transform Domain Representations of Digital Signals
3.1Overview and goal
3.2Preknowledge
3.2.1Definition of discrete time Fourier transform
3.2.2Definition of discrete Fourier transform
3.3Using the MATLAB command
3.4Experiments
3.4.1Calculating the discrete time Fourier transform
3.4.2Calculating the discrete Fourier transform
3.4.3Questions
Laboratory 4Transform Domain Representations of LTI Discrete
Time System
4.1Overview and goal
4.2Preknowledge
4.2.1Z transform
4.2.2The input and output relationship of a digital system in
different domains
4.2.3Transfer function and system function
4.2.4Zeros and poles of a digital system
4.3Using the MATLAB command
4.4Experiments
4.4.1Frequency response of a digital system
4.4.2Questions
Laboratory 5Implementation of Digital Filters
5.1Overview and goal
5.2Preknowledge
5.2.1Basis of digital filters
5.2.2IIR filter design
5.2.3FIR filter design
5.3Using the MATLAB command
5.3.1MATLAB commands for estimating order to a filter
5.3.2MATLAB commands for design an IIR filter
5.3.3MATLAB commands for produce a lengthL window
5.3.4MATLAB commands for design a FIR filter
5.4Experiments
5.4.1Design butterworth IIR filters
5.4.2Design FIR filter based on Blackman window
5.4.3Questions
Laboratory 6Filtering Digital Signals
6.1Overview and goal
6.2Preknowledge
6.2.1MATLAB implement of discrete time linear time
invariance systems
6.2.2Properties of discretetime linear timeinvariance systems
6.2.3Data preparation for laboratory
6.3Experiments
6.3.1Preexperiment study
6.3.2The design of cascade systems
6.3.3Study the firstdifference system
6.3.4Study fivepoint moving averager
6.3.5Study cascade system 1
6.3.6Study cascade system 2
6.3.7Comparisons of the two cascade systems
6.3.8Filtering the audio signal with h1
6.3.9Filtering the audio signal with h2
6.3.10Listen to and discuss effect of filtering the audio signal
第二部分专 题 实 验
实验7取样与恢复
7.1频谱混叠研究
7.1.1基本原理
7.1.2实验内容
7.1.3实验报告要求
7.2非有限时长信号取样
7.2.1基本原理
7.2.2实验内容
7.2.3实验报告要求
7.3理想采样、平顶采样、自然采样对原信号频谱的影响
7.3.1基本原理
7.3.2实验内容
7.3.3实验报告要求
实验8离散时间系统与卷积
8.1线性卷积运算
8.1.1基本原理
8.1.2实验内容
8.1.3实验报告要求
8.2滤波的思想实现卷积
8.2.1基本原理
8.2.2实验内容
8.2.3实验报告要求
8.3圆周卷积
8.3.1基本原理
8.3.2实验内容
8.3.3实验报告要求
8.4分段卷积
8.4.1基本原理
8.4.2实验内容
8.4.3实验报告要求
8.5卷积的应用
8.5.1基本原理
8.5.2实验内容
8.5.3实验报告要求
实验9系统函数与Z变换
9.1数字系统的系统函数研究
9.1.1基本原理
9.1.2实验内容
9.1.3实验报告要求
9.2数字周期波形发生器
9.2.1基本原理
9.2.2实验内容
9.2.3实验报告要求
9.3求解数字系统时域输入输出差分方程
9.3.1基本原理
9.3.2实验内容
9.3.3实验报告要求
实验10DFT/FFT
10.1矩形窗和汉明窗
10.1.1窗函数基础知识
10.1.2实验内容
10.1.3实验报告要求
10.2DTMF信号分析
10.2.1DTMF信号基本概念
10.2.2实验内容
10.2.3实验报告要求
10.3DFT/FFT在频谱分析中的应用
10.3.1基础知识
10.3.2实验内容
10.3.3实验报告要求
实验11数字滤波器的实现
11.1滤波器设计的基础知识
11.2IIR滤波器系统函数、I/O差分方程和实现结构
11.2.1基础理论
11.2.2直接型和级联型滤波器系统函数间的互相转换
11.2.3无限单位取样脉冲响应滤波器设计
11.2.4实验内容
11.2.5实验报告要求
11.3FIR滤波器的设计
11.3.1FIR滤波器基本特性
11.3.2FIR滤波器设计方法介绍
11.3.3窗函数法设计步骤
11.3.4利用fir1和fir2函数进行有限单位取样脉冲响应
滤波器设计
11.3.5实验内容
11.3.6实验报告要求
实验12应用研究——数字音响
12.1波形表数字振荡器
12.1.1波形表数字振荡器基本原理
12.1.2实验内容
12.1.3实验报告要求
12.2波形表法调幅和调频
12.2.1波形表法实现调幅、调频的原理
12.2.2基于波形表振荡器设计AM信号发生器
12.2.3基于波形表振荡器设计FM信号发生器
12.2.4实验内容
12.2.5实验报告要求
12.3序列延迟在数字音响合成中的应用
12.3.1序列延迟产生简单音响效果的基本原理
12.3.2实验内容
12.3.3实验报告要求
12.4数字反射器及其回响时间常数
12.4.1反射及回响时间常数
12.4.2简单的数字反射器
12.4.3低通反射器
12.4.4实验内容
12.4.5实验报告要求
12.5(反射)延迟单元
12.5.1简单反射多重延迟原理
12.5.2低通反射多重延迟原理
12.5.3实验内容
12.5.4实验报告要求
12.6高阶多重延迟的音响效果
12.6.1高阶多重延迟的结构原理
12.6.2高阶多重延迟的实现例子
12.6.3实验内容
12.6.4实验报告要求
12.7压缩器和扩展器
12.7.1压缩器和扩展器的基本原理
12.7.2压缩器和扩展器的稳态输入输出关系
12.7.3动态范围处理器的实现结构
12.7.4实验内容
12.7.5实验报告要求
实验13应用研究——数字图像处理
13.1平滑滤波器
13.1.1基本原理
13.1.2实验内容
13.1.3实验报告要求
13.2锐化滤波器
13.2.1基本原理
13.2.2实验内容
13.2.3实验报告要求
13.3中值滤波器
13.3.1基本原理
13.3.2实验内容
13.3.3实验报告要求
参考文献