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《数字信号处理》实验大纲„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
数字信号处理与 DSP 应用实验开发系统简介„„„„„„„„„„„„„„„1
实验一 低通采样定理实验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
实验二 FFT 频谱分析实验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8
实验三 IIR 滤波器设计实验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13
实验四 窗函数法 FIR 滤波器设计实验„„„„„„„„„„„„„„„„18
实验五 频率采样法 FIR 滤波器设计实验„„„„„„„„„„„„„„„23
《数字信号处理》实验大纲
数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。它利用计算机或专用
处理设备,以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理。
本课开设了五个实验,这些实验内容有助于让学生了解经典的数字信号处理与算法,实验操作
可配合 MATLAB 仿真程序进行,这样可使抽象的理论分析与直观的演示相结合,培养学生学习
的兴趣。
一、 低通采样定理实验
1、 实验目的
了解数字信号处理系统的一般构成;掌握奈奎斯特抽样定理。
2、 实验仪器
低频信号源;双踪示波器。
3、 实验原理
将模拟信号进行数字信号处理之前,需对其进行数字化,即 A/D 转换,数字信号处理后的数据
可能需还原为模拟信号,这就需要进行 D/A 转换。
A/D 转换包括三个过程:抽样、量化和编码。抽样必须满足奈奎斯特抽样定理,才可能在最后
做 D/A 转换时不失真地恢复出原始模拟信号。
这一过程可利用 MATLAB 仿真程序进行,具体程序略。
4、实验内容
编写并调试 MATLAB 程序;输入不同频率的正弦信号,观察采样时钟波形、输入信号波形、
样点输出波形和滤波输出波形。
二、 窗函数法 FIR 滤波器设计实验
1、 实验目的
通过实验加深对 FIR 滤波器基本原理的理解;学习使用窗函数法设计 FIR 滤波器。
2、 实验仪器
低频信号源;双踪示波器;扫频仪。
3、 实验原理
数字滤波器的设计是数字信号处理中的一个重要内容。数字滤波器设计包括 FIR(有限单位脉
冲响应)滤波器与 IIR(无限单位脉冲响应)滤波器两种。
jw
FIR 滤波器的设计任务是选择有限长度的 h(n),使传递函数 H(e )满足设计要求。FIR 滤
波器的设计方法有多种,如窗函数法、频率采样法等,本实验使用窗函数法设计 FIR 滤波器。
窗函数法是使用矩形窗、三角窗、巴特利特窗、汉明窗、汉宁窗和布莱克曼窗等设计出标准响
应的高通、低通、带通和带阻 FIR 滤波器。
这些过程可利用 MATLAB 仿真程序进行,各种窗函数也可通过 MATLAB 实现,具体程序略。
4、实验内容
编写并调试 MATLAB 程序;用窗函数法设计标准响应的 FIR 滤波器,在计算机上观察冲激响
应、幅频特性和相频特性,然后下载到实验箱。用示波器观察输入输出波形,或者直接用扫频仪
测试滤波器的幅频响应特性。
三、 频率采样法 FIR 滤波器设计实验
1、 实验目的
通过实验加深对 FIR 滤波器基本原理的理解;学习使用频率采样法设计 FIR 滤波器。
2、 实验仪器
低频信号源;双踪示波器;扫频仪。
1
3、 实验原理
频率采样法是指定不同频率处的幅度响应值,然后根据这些指定的参数设计出任意响应的 FIR
滤波器。
具体过程可利用 MATLAB 仿真程序进行,具体程序略。
4、实验内容
编写并调试 MATLAB 程序;用频率采样法设计任意响应的 FIR 滤波器,在计算机上观察冲激
响应、幅频特性和相频特性,然后下载到实验箱。用示波器观察输入输出波形,或者直接用扫频
仪测试滤波器的幅频响应特性。
四、 IIR 滤波器设计实验
1、 实验目的
通过实验加深对 IIR 滤波器基本原理的理解;学习编写 IIR 滤波器的 MATLAB 仿真程序。
2、 实验仪器
低频信号源;双踪示波器;扫频仪。
3、 实验原理
IIR 滤波器设计时的阶数不是由设计者指定,而是根据设计者输入的各个滤波器参数(截止频
率、通带滤纹、阻带衰减等),由软件设计出满足这些参数的最低滤波器阶数。在 MATLAB 下设
计不同类型 IIR 滤波器均有与之对应的函数用于阶数的选择。
具体过程可利用 MATLAB 仿真程序进行,具体程序略。
4、实验内容
编写并调试 MATLAB 程序;设计 IIR 滤波器,在计算机上观察冲激响应、幅频特性和相频特
性,然后下载到实验箱。用示波器观察输入输出波形,或者直接用扫频仪测试滤波器的幅频响应
特性。
五、 FFT 频谱分析实验
1、 实验目的
通过实验加深对快速傅立叶变换( FFT)基本原理的理解;了解 FFT 点数与频谱分辨率的关系。
2、 实验仪器
低频信号源;双踪示波器。
3、 实验原理
离散傅立叶变换(DFT)和卷积是信号处理中的两个最基本的也是最常用的运算,它们涉及到
信号与系统的分析与综合这一广泛的信号处理领域。二者之间可以互相实现。
FFT 算法将长序列的 DFT 分解为短序列的 DFT,因而减少计算量。一般而言,FFT 算法可以
分为时间抽取(DIT)FFT 和频率抽取(DIF)两大类。
具体过程可利用 MATLAB 仿真程序进行,具体程序略。
4、实验内容
分别观察正弦信号、方波信号、三角波信号、FSK 信号、PSK 信号及噪声等信号的频谱;改变
FFT 的点数,查看频谱图有何区别。
2
第一章 数字信号处理与 DSP 应用实验开发系统简介
数字信号处理与 DSP 应用实验开发系统是南京通信工程学院研制的集数字信号
处理原理实验及 DSP 芯片原理与应用实验等实验于一体的多功能综合实验开发系统。
该开发系统支持德州仪器 TMS320 系列 DSP 芯片,既可用于开设数字信号处理实验,
又可以开设 DSP 芯片原理与应用等实验课程,让学生掌握数字信号处理技术的基本原
理,熟悉 DSP 应用系统开发,对 DSP 有一个比较深入的理解。
§1-1 数字信号处理与 DSP 应用实验开发系统的主要特色
数字信号处理与 DSP 应用实验开发系统具有以下几个显著优势
1. 紧跟现代电子技术发展潮流。数字信号处理技术本身并不是一门孤立的技
术。相反,只有将数字信号处理技术用在电子技术的各个领域,如通信、自动控制和
信息家电等,才会体现出数字信号处理技术的重要性。基于此,我们在数字信号处理
与 DSP 应用实验开发系统上开发了很多 DSP 在各个应用领域的实例,让学生对数字信
号处理技术及 DSP 芯片的应用有一个较为深刻的认识,同时也有利于培养学生的创新
能力。
2. 实验内容新颖丰富。数字信号处理课程的基本内容就是 FFT、IIR 滤波器及
FIR 滤波器等,这些实验是一些基本实验。如果仅完成这几个实验,则显得实验内容
比较单调。本实验开发系统着重表现了数字信号处理技术在现代通信中的应用,从而
丰富了数字信号处理装置的实验内容。
3. 应用范围广。使用本实验开发系统不仅能开设数字信号处理课程的实验,还
可以开设 DSP 原理与应用和现代通信技术课程两门课程的实验。
4. 演示性实验与动手性实验相结合。对数字信号处理和现代通信技术课程的实
验,主要以演示的方法展示;对 DSP 原理与应用课程的实验,则让学生动手设计并调
试,让学生设计自己的 DSP 程序,通过实验学习 DSP 的软硬件知识。通过实验装置中
的串口,就可以调试简单的 DSP 程序。如果配以 DSP 仿真器和 CCS 软件,还可以系统
地学习 DSP 开发设计过程。
5. 软件硬件结合,表现方法灵活多样。本实验开发系统最大的特点是软件与硬
件结合紧密,使学生通过软件轻松学习硬件知识,同时加深对抽象理论的认识。
6. 内容紧密结合《数字信号处理》、《DSP 原理与应用》及《通信原理》等课程
的教学要求,融合了多年的科研积累,并经过精心筛选。
§1-2 数字信号处理与 DSP 应用实验开发系统硬件结构
如下图所示,实验开发系统的硬件结构包括 DSP 处理器单元、CPLD 时钟与控制
逻辑产生单元、模拟接口单元、串行接口控制单元、键盘单元、单片机控制单元及液
晶显示单元等。
目前,DSP 芯片的主要生产商包括美国的 TI 公司、AD 公司、AT&T 公司和 Motorola
公司等。其中,TI 公司的 DSP 芯片占世界市场近 50%,在国内也被广泛地采用。DSP
芯片按运算类型分为浮点和定点两大类,浮点芯片同时可以实现定点运算和浮点运
算,因此本实验开发系统采用 TI 公司的浮点 DSP 芯片—TMS320C32 作为主 CPU 芯片。
本实验开发系统可以直接与计算机接口,上层控制命令(如功能号标志)及一些
3
处理数据(如 FFT 运算数据、FIR 滤波器等)可以通过计算机串口发送给本实验系统,
此时需通过计算机控制软件进行控制。
考虑到有些实验室没有配备计算机,本实验系统用单片机、键盘和液晶显示构成
了一个独立于计算机的控制系统。此时控制命令是通过一片单片机发送给 DSP 的。由
于单片机的处理能力较弱,因此 FIR 滤波器实验时只存放了几组固定的滤波器系数。
时钟与控制
逻辑
模拟信号接口
单片机 键盘
放大滤波
D
液晶显示屏
S
P
放大滤波
放大滤波
计算机
数据接口
系统硬件框图
§1-3 数字信号处理与 DSP 应用实验开发系统设计思想
就 DSP 实验系统而言,应能满足三个教学层次的要求:
(1) 本科生教学层次。主要是建立数字信号处理的基本概念,掌握基本的运算
思想,实验时以验证为主,但也可以进行设计性实验。本实验系统就提供了 AD、DA、
FFT、IIR、FIR 及有限精度等实验的验证环境,相关实验还配有参考程序,为学生做
设计性实验时提供参考。
(2) 研究生教学层次。提供算法的模拟环境及软件实验环境与应用问题的验证
环境。要求学生用 Matlab 设计 DSP 算法并验证。
(3) DSP 芯片应用的研究生层次。提供硬件系统的二次开发环境。
数字信号处理与 DSP 应用实验开发系统可以满足以上三个教学层次的要求。
§1-4 数字信号处理与 DSP 应用实验开发系统是一个开放的资源
为满足数字信号处理实验的不同层次应用,在本实验系统中我们提出了一种开放
式的系统设计思想,为用户提供如下的资源供其使用:
(1) 模拟接口采用 TI 公司的 TLC320AD50 AD/DA 芯片,这是 TI 公司的一种高
分辨率的模拟接口芯片。它具有 16 位的处理精度;可以提供灵活的抽样率配置方案,
通过一同步串行口来配置;可以配置成主或从工作模式,最多可以接三路从工作模式;
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苦茶子12138
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