工程信号处理——MATLAB实验指导书——伍星机电工程学院KUST-HMI联合实验室2008.02目录1信号分析基础 (3)1.1实验1典型时间信号的波形图 (3)1.2实验2信号数据文件的读取与显示 (4)2确定信号的频谱分析 (4)2.1实验3周期信号的傅立叶级数三角函数展开式 (4)2.2实验4非周期信号的傅立叶变换 (4)2.3实验5时域有限信号的周期延拓 (5)3时域分析 (5)3.1实验6自相关和互相关分析 (5)4随机信号分析 (5)4.1实验7随机信号的数字特征 (5)4.2实验8随机信号的功率谱分析 (6)5系统分析概述 (6)5.1实验9线性系统的主要性质 (6)5.2实验10测定系统特性参数的方法 (7)6模拟信号的离散化 (7)6.1实验11时域采样定理 (7)6.2实验12时域截断与泄露 (7)7离散傅立叶变换 (7)7.1实验13离散傅立叶变换 (7)7.2实验14用X K计算信号的频谱 (8)8快速傅立叶变换及其工程应用 (8)8.1实验15快速傅立叶变换 (8)8.2实验16快速傅立叶变换的应用 (9)【预备知识】机械工程测试技术、机械控制工程、MATLAB、虚拟仪器技术等。
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1信号分析基础1.1实验1典型时间信号的波形图【实验目的】(1)熟悉MATLAB环境，掌握与信号处理相关的常用MATLAB语句和命令；(2)熟悉MATLAB生成典型信号的方法；(3)掌握MATLAB绘制信号波形图的方法；(4)掌握M脚本文件和函数文件的编制方法。
【实验内容】(1)熟悉各种典型信号生成的关键参数，对于大多数的连续时间信号，两个关键要素是信号的起止时间、信号的幅值、频率等；(2)编制确定信号和随机信号的M自定义函数文件，包括的典型信号如下：z确定信号周期信号：正弦信号(MySin)，三角波信号(MyTri)，方波信号(MySquare)。
非周期信号：准周期信号(MyStdPeriod)，矩形脉冲信号(MyImpulse)，指数衰减正弦信号(MyExpSin)。
z随机信号：白噪声信号(MyWhiteNoise)(3)使用上述M函数产生如下信号：z幅值为5，频率为10Hz的正弦信号；z幅值为1，频率为8Hz的三角波信号；z幅值为2.5，频率为20Hz，占空比为50%的方波信号；z使用两个幅值为1的正弦信号构成一个准周期信号；z幅值为10，脉宽为1，时间范围0~6s的矩形脉冲信号；z幅值为5，频率为20Hz，衰减系数为-10的指数衰减正弦信号；z幅值范围为-3~3的白噪声信号。
1.2实验2信号数据文件的读取与显示【实验目的】(1)熟悉MATLAB环境，掌握数据文件生成与读取相关的常用MATLAB语句和命令；(2)掌握用根据数据文件绘制信号波形图的方法。
【实验内容】(1)单边指数信号使用MySin函数产生一个幅值为5、频率为10Hz的正弦信号，并写入数据文件MySin.txt；(2)读取MySin.txt数据文件，绘制信号波形图（title为MySin.txt）。
【参考MATLAB函数】fopen, fscanf, fprintf, fclose等。
2确定信号的频谱分析2.1实验3周期信号的傅立叶级数三角函数展开式【实验目的】(1)理解周期信号傅立叶级数三角函数展开式的物理意义。
【实验内容】(1)分别使用2、5、10、20、30个MySin函数构造一个幅值为5、频率为20Hz的方波信号，并在同一个图形中绘制全部图形；(2)分别使用2、5、10、20、30个MySin函数构造一个幅值为5、频率为20Hz的三角波信号，并在同一个图形中绘制全部图形。
2.2实验4非周期信号的傅立叶变换【实验目的】(1)理解傅立叶变换的物理意义，熟练掌握连续时间信号频谱的计算方法；(2)掌握按定义公式编程直接计算傅立叶变换的方法。
【实验内容】(1)编制矩形脉冲信号(MyImpulse)的M自定义函数文件，并使用该函数产生一个幅值为10、脉宽为0.5s、时间范围0~6s的矩形脉冲信号；(2)使用傅立叶积分计算一个幅值为10、脉宽为0.5s、时间范围0~6s的矩形脉冲信号的傅立叶变换，并绘制其频谱图；(3)编制傅立叶变换的M函数(MyFourierT)。
(4)使用MyFourierT函数计算一个幅值为5、频率为20Hz的正弦信号的傅立叶变换，并绘制其频谱图。
2.3实验5时域有限信号的周期延拓【实验目的】(1)理解时域有限信号周期延拓对频谱的影响。
【实验内容】(1)使用MyExpSin函数，产生一个幅值为5、频率为20Hz、衰减系数为-10、时间范围为0~1s的指数衰减正弦信号x(t)；用MyFourierT函数计算其傅立叶变换X(f)，并绘制其频谱图；(2)将步骤(1)中获得指数衰减正弦信号x(t)进行周期延拓，延拓周期为2s，使用MyFourierT函数计算其傅立叶变换X’(f)，将X(f)和X’(f)绘制同一个频谱图中。
3时域分析3.1实验6自相关和互相关分析【实验目的】(1)理解时域自相关和互相关的物理意义，熟练掌握连续时间信号相关分析的计算方法。
(2)掌握按定义公式编程直接计算相关分析的方法。
【实验内容】(1)编制直接相关(MyDirectCorrelate)的M函数。
(2)使用MyDirectCorrelate函数，计算一个由MySquare函数生成的幅值为5、频率为20Hz的方波信号x(t)的自相关R xx(τ)，并绘制其图形；(3)使用MyWhiteNoise函数生成一个幅值为5白噪声信号n(t)，使用MyDirectCorrelate函数计算n(t)的自相关R xx(τ)，并绘制其图形。
(4)使用MySin函数生成一个幅值为1、频率为10Hz的正弦信号x(t)；使用MyWhiteNoise函数生成一个幅值为5白噪声信号n(t)；令信号y(t)=x(t)+n(t)；使用MyDirectCorrelate函数计算x(t)与y(t)的互相关R xy(τ)，并绘制其图形。
4随机信号分析4.1实验7随机信号的数字特征【实验目的】(1)理解随机信号数字特征的物理意义，熟练掌握随机信号数字特征的计算方法。
(2)掌握按定义公式编程计算随机信号数字特征的方法。
【实验内容】(1)编制均值(MyMean)、方差(MyVariance)、均方值(MySMR)、概率密度函数(MyProbability)的M函数。
(2)使用MyMean、MyVariance和MySMR函数，计算一个由MySin函数生成的幅值为5、频率为10Hz的正弦信号x(t)的数字特征，在正弦信号图形上绘出三个数字特征的不同色彩的直线并显示图例。
(3)使用MyProbability函数，计算一个由MySin函数生成的幅值为5、频率为10Hz的正弦信号x(t)和一个由MyWhiteNoise函数生成的幅值为5白噪声信号n(t)的概率密度函数P(x)，并绘制其图形。
4.2实验8随机信号的功率谱分析【实验目的】(1)理解时域自功率谱密度和互谱密度的物理意义，熟练掌握连续时间信号功率谱分析的计算方法。
(2)掌握使用幅值谱编程计算功率谱密度的方法。
【实验内容】(1)使用MyFourierT函数编制功率谱密度(MyPowerSpectrum)的M函数。
(2)使用MyPowerSpectrum函数，计算一个由MySquare函数生成的幅值为5、频率为20Hz的方波信号x(t)的自功率谱密度G xx(f)，并绘制其图形；(3)使用MyWhiteNoise函数生成一个幅值为5白噪声信号n(t)，使用MyPowerSpectrum函数计算n(t)的自功率谱密度G xx(f)，并绘制其图形。
(4)使用MySin函数生成一个幅值为1、频率为10Hz的正弦信号x(t)；使用MyWhiteNoise函数生成一个幅值为5白噪声信号n(t)；令信号y(t)=x(t)+n(t)；使用MyPowerSpectrum函数计算x(t)与y(t)的互功率谱密度G xy(f)，并绘制其图形。
5系统分析概述5.1实验9线性系统的主要性质【实验目的】(1)理解线性系统主要性质的物理意义，熟悉SIMULINK中常用子库。
(2)掌握使用SIMULINK进行系统仿真的方法。
【实验内容】(1)进行线性系统的叠加性、比例性、微分性、积分性和频率保持性的仿真。
5.2实验10测定系统特性参数的方法【实验目的】(1)理解线性系统主要性质的物理意义，熟悉SIMULINK中常用子库。
(2)掌握使用SIMULINK进行系统仿真的方法。
【实验内容】τ=、阶跃(1)进行一阶系统阶跃信号输入测定法的仿真，其中一阶系统的1信号幅值为10。
6模拟信号的离散化6.1实验11时域采样定理【实验目的】(1)掌握时域采样定理的含义，及其在实际应用中需要注意的问题。
【实验内容】(1)用实验验证采样定理。
使用MySin函数生成一个幅值为3、频率为10Hz的正弦信号x(t)，其中dt分别为0.1s、0.08、0.05s、0.005s。
在四幅图中，绘出四个正弦信号波形及其单边幅值谱（使用MyFourierT函数）。
6.2实验12时域截断与泄露【实验目的】(1)掌握时域截断与泄露的物理意义，及其在实际应用中需要注意的问题。
(2)熟悉常用窗函数对时域截断与泄露的影响，及其各自的适用场合。
【实验内容】(1)用实验验证截断导致的能量泄露。
使用MySin函数生成一个幅值为3、频率为10Hz的正弦信号x(t)，使用矩形窗截断x’(t)=x(t)×w(t)，使用MyFourierT函数计算截断信号x’(t)的幅值谱，绘出其单边幅值谱。
(2)对比分别使用矩形窗和hanning窗对x(t)进行截断的效果，使用MyFourierT函数计算截断信号x’(t)的幅值谱，在同一图中分别绘制时域波形和频谱的对比图。
7离散傅立叶变换7.1实验13离散傅立叶变换【实验目的】(1)理解离散傅立叶变换的物理意义，熟练掌握离散时间信号频谱的计算方法；(2)掌握按定义公式编程直接计算离散傅立叶变换的方法。
【实验内容】(1)按求和公式编制离散傅立叶变换的M函数(MyDFT)。
(2)使用MyFourierT和MyDFT函数分别计算一个幅值为5、频率为20Hz的正弦信号的傅立叶变换，将计算结果绘制在同一窗口的一个图中进行对比并显示图例。
7.2实验14用Xk计算信号的频谱【实验目的】(1)掌握基于DFT结果计算频谱的方法，及其在实际应用中需要注意的问题。