基于Matlab測速儀設(shè)計(jì)

1、 “數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)”任務(wù)書題目5基于Matlab測速儀設(shè)計(jì)(多普勒效應(yīng)回波信號(hào)處理)主要內(nèi)容 利用離散付里葉變換進(jìn)行頻譜分析，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器組，并對(duì)濾波器組加窗降低副瓣，通過頻域方法測量速度。設(shè)計(jì)要求1. 產(chǎn)生輸入回波信號(hào)及加性噪聲信號(hào)。2. 計(jì)算回波頻率偏移于目標(biāo)速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。3. 按技術(shù)指標(biāo)要求對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻域分析。4. 寫出所設(shè)計(jì)的窄帶濾波器組的系統(tǒng)函數(shù)并顯示出頻率響應(yīng)曲線。5. 設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)募訖?quán)窗函數(shù)，寫出設(shè)計(jì)過程，畫出加權(quán)后濾波器頻率響應(yīng)曲線6. 正確顯示信號(hào)頻譜和對(duì)應(yīng)的濾波器響應(yīng)間的關(guān)系。7. 采用門限等方法確定并顯示目標(biāo)速度。主要儀器設(shè)備1、計(jì)算

2、機(jī)1臺(tái)，安裝MATLAB軟件主要參考文獻(xiàn)美數(shù)字信號(hào)處理使用MATLABM.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002. 課程設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃（起止時(shí)間、工作內(nèi)容）本課程設(shè)計(jì)共安排7個(gè)題目，這是其中題目之一。整個(gè)課程設(shè)計(jì)共45學(xué)時(shí)，分1.5周安排，具體進(jìn)度如下：8學(xué)時(shí) 復(fù)習(xí)題目相關(guān)知識(shí)，掌握實(shí)現(xiàn)的原理；20學(xué)時(shí) 用MATLAB語言實(shí)現(xiàn)題目要求；9學(xué)時(shí) 進(jìn)一步完善功能，現(xiàn)場檢查、答辯；8學(xué)時(shí) 完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。課程設(shè)計(jì)開始日期2010.12.6課程設(shè)計(jì)完成日期2010.12.15課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室名稱信號(hào)與信息處理實(shí)驗(yàn)室地 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)樓3-503資料下載地址11/實(shí)踐環(huán)節(jié)/數(shù)字信號(hào)處理

3、課程設(shè)計(jì) 目錄一、 概述41、 目的4二、 相關(guān)知識(shí)簡介41、 背景簡介42、 多普勒頻移43、 程序中的相關(guān)計(jì)算54、 測速儀的技術(shù)規(guī)格65、 設(shè)計(jì)內(nèi)容66、 測量方法6三、 設(shè)計(jì)過程71、 設(shè)計(jì)步驟72、 設(shè)計(jì)流程圖3、 程序7四、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析121、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果12五、 總結(jié)15參考文獻(xiàn)資料16一、 概述1、 目的：1、 熟悉DFT的基本性質(zhì)，利用離散付里葉變換對(duì)信號(hào)和系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析；2、 熟悉并加深對(duì)采樣定理的理解；3、 設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器組，實(shí)現(xiàn)對(duì)存在加性干擾的時(shí)域離散信號(hào)的濾波；4、 對(duì)濾波器組進(jìn)行加權(quán)設(shè)計(jì)，降低副瓣，通過頻域方法測量速度。二、 相關(guān)知識(shí)簡介1、 背景簡介： 車輛監(jiān)

4、測用測速雷達(dá)是依據(jù)多普勒效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的。由雷達(dá)發(fā)出一束微波，遇被測目標(biāo)（車輛）時(shí)微波被反射回來，再由雷達(dá)接收反射波。如果目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)有距離上的運(yùn)動(dòng)，反射波的頻率將與發(fā)射頻率發(fā)生差異，而這種差異的大小正比于目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。于是，雷達(dá)通過檢測反射波頻率和發(fā)射波頻率的差，就可以計(jì)算出被測車輛的移動(dòng)速度。2、 多普勒頻移：多普勒頻移，當(dāng)運(yùn)動(dòng)在波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻率變得較低 （紅移red shift）。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)光波紅（藍(lán)）移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測方向運(yùn)動(dòng)的速度。把聲波視為有規(guī)律間隔發(fā)射的脈沖，可以想象若你每走一步，便發(fā)射了一個(gè)脈

5、沖，那么在你每走一步時(shí)，面前的聲源發(fā)出的脈沖相對(duì)于你的傳播距離比你站立不動(dòng)時(shí)近了一步，而在你后面的聲源則比原來不動(dòng)時(shí)遠(yuǎn)了一步。或者說，在你之前的脈沖頻率比平常變高，而在你之后的脈沖頻率比平常變低了。所謂多普勒效應(yīng)就是當(dāng)發(fā)射源與接收體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體接收的發(fā)射源發(fā)射信息的頻率與發(fā)射源發(fā)射信息頻率不相同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，接收頻率與發(fā)射頻率之差稱為多普勒頻移。聲音的傳播也存在多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源與接收體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體接收的聲波頻率f'與聲源頻率f存在多普勒頻移f(doppler shift)即f=f'-f當(dāng)接收體與聲源相互靠近時(shí)，接收頻率f'大于發(fā)射

6、頻率f即：f>0當(dāng)接收體與聲源相互遠(yuǎn)離時(shí)，接收頻率f'小于發(fā)射頻率 即： f<0可以證明若接收體與聲源相互靠近或相互遠(yuǎn)離的速度為v，聲速為c，則接收體接收聲波的多普勒頻率為：f'= f·(c+-v1)/(c-+v2)括號(hào)中分子和分母的加、減運(yùn)算分別為“接近”和“遠(yuǎn)離”之意。發(fā)射信號(hào)表示為： 回波信號(hào)：回波與發(fā)射信號(hào)之間有固定相位差：當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則距離R隨時(shí)間變化：由于通常雷達(dá)和目標(biāo)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v，遠(yuǎn)小于電磁波速度c，故時(shí)延：相位差：頻差（多普勒頻移）：多普勒測速系統(tǒng)是利用多普勒效應(yīng)測定飛行器徑向速度的無線電跟蹤測量系統(tǒng)。由地面向飛行器

7、或由飛行器向地面發(fā)射固定頻率的等幅電磁波，因飛行器與測控站存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收信號(hào)的頻率與發(fā)射信號(hào)的頻率互不相同。其頻率之差就是多普勒頻移。多普勒頻移正比于測控站航天器方向上的速度分量，所以測出多普勒頻移的大小，就可獲得目標(biāo)對(duì)測控站的相對(duì)徑向速度。3、 程序中的相關(guān)計(jì)算測速范圍： 精度： 70km/h - 150km/h 5km/h換算： 19.4m/s - 41.6m/s 1.387m/sfd: 606Hz - 1300Hz 43.3Hzwp=2*pi*f/Fs=0.233*pi ws=2*pi*f/Fs=0.249*pi Bt=2*pi*f/Fs=0.016*pi=ws-wpFs=45*fd

8、4、帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理 一個(gè)理想的濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通帶，例如在通帶內(nèi)沒有增益或者衰減，并且在通帶之外所有頻率都被完全衰減掉，另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成。實(shí)際上，并不存在理想的帶通濾波器。濾波器并不能夠?qū)⑵谕l率范圍外的所有頻率完全衰減掉，尤其是在所要的通帶外還有一個(gè)被衰減但是沒有被隔離的范圍。這通常稱為濾波器的滾降現(xiàn)象，并且使用每十倍頻的衰減幅度dB來表示。通常，濾波器的設(shè)計(jì)盡量保證滾降范圍越窄越好，這樣濾波器的性能就與設(shè)計(jì)更加接近。然而，隨著滾降范圍越來越小，通帶就變得不再平坦開始出現(xiàn)“波紋”。這種現(xiàn)象在通帶的邊緣處尤其明顯，這種效應(yīng)稱為吉布斯現(xiàn)象。 除了電子學(xué)和信號(hào)

9、處理領(lǐng)域之外，帶通濾波器應(yīng)用的一個(gè)例子是在大氣科學(xué)領(lǐng)域，很常見的例子是使用帶通濾波器過濾最近3到10天時(shí)間范圍內(nèi)的天氣數(shù)據(jù)，這樣在數(shù)據(jù)域中就只保留了作為擾動(dòng)的氣旋。 在頻帶較低的剪切頻率f1和較高的剪切頻率f2之間是共振頻率，這里濾波器的增益最大，濾波器的帶寬就是f2和f1之間的差值。布萊克曼窗計(jì)算公式：    增加一個(gè)二次諧波余弦分量，可進(jìn)一步降低旁瓣，但主瓣寬度進(jìn)一步增加，增加N可減少過渡帶。 頻譜的幅度函數(shù)為：              &

10、#160;     +0.04  5、 設(shè)計(jì)內(nèi)容：基于Matlab設(shè)計(jì)車輛測速儀的信號(hào)處理部分，要求測速范圍：18255Km/h，測速精度：優(yōu)于1Km/h，響應(yīng)時(shí)間：小于30ms。6、 測量方法：a) 測量方法大致有兩種方法:時(shí)域法和頻域法。b) 因環(huán)境影響，接收到的多普勒信號(hào)的“背景”十分復(fù)雜，信噪比大大降低，采用傳統(tǒng)的時(shí)域處理方法對(duì)被淹沒在干擾和噪聲中的多普勒信號(hào)檢出或識(shí)別往往是困難的，使得測頻精度明顯下降。c) 采用頻域譜分析方法，選擇合適的采樣頻率及適當(dāng)?shù)拇翱?，可以大大提高測頻精度和可靠性。三、 設(shè)計(jì)過程：1、 設(shè)計(jì)步驟：1. 按技術(shù)指

11、標(biāo)要求確定抽樣頻率，分析車輛反射波的信號(hào)形式、載波、頻偏范圍，仿真車輛反射波的抽樣信號(hào)（線性調(diào)頻信號(hào)）。2. 按照對(duì)實(shí)際背景噪聲分析，仿真產(chǎn)生加性隨機(jī)噪聲輸入信號(hào)。3. 分析輸入信號(hào)的頻譜，根據(jù)載波頻率和車輛速度范圍要求，分析多普勒頻率與車速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定濾波器系統(tǒng)的處理帶寬。4. 選擇合適的濾波器，按照技術(shù)指標(biāo)及測速精度要求和測量范圍要求，分析分辨率與濾波器之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)濾波器組，顯示出窄帶濾波器組的頻率響應(yīng)圖形。5. 選用合適的窗函數(shù)加權(quán)，以降低副瓣，實(shí)用中，為避免副瓣淹沒附近較小的車輛回波的主信號(hào)，引起漏測，必須壓低副瓣電平。加權(quán)處理可以抑制副瓣電平。加權(quán)處理可以在時(shí)域或頻域進(jìn)

12、行。時(shí)域加權(quán)會(huì)降低發(fā)射機(jī)的利用率，且特定形狀的波形調(diào)制困難。一般在頻域進(jìn)行，頻域加權(quán)處理不必增加實(shí)時(shí)處理的運(yùn)算量。實(shí)際采用的加權(quán)函數(shù)包括漢明、漢寧、余弦平方、余弦立方等。從信噪比損失、主瓣寬度和旁瓣電平方面分析選擇較優(yōu)的加權(quán)函數(shù)，顯示出加權(quán)后濾波器響應(yīng)曲線。6. 采用門限等方法判明信號(hào)所出濾波器位置，確定目標(biāo)速度。7. 利用Matlab將測速結(jié)果仿真顯示出來。2、 設(shè)計(jì)流程圖3、 程序：clc;clear all;fs=5213;N=1200;n=0:N-1;t=n/fs;v1=75;v2=(v1*1000)./3600;fd=(2*v2)./(6.4*0.01);y=sin(2*pi*fd*

13、t)/800+randn(1,N)/N;B=2*pi*100/fs;%一個(gè)過渡帶wc1=2*pi*584.55/fs;wc2=2*pi*627.95/fs;figure(1)plot(t,y);M=ceil(11*pi/B);a=(M-1)/2;k=0:1:M-1;m=k-a;ep=0.0000001;hd1=sin(wc1*m+ep)./(pi*m+ep);hd2=sin(wc2*m+ep)./(pi*m+ep);hd=hd2-hd1;Ha=abs(fft(hd,1024);f=0:1023*fs/1024;figure(2)plot(f,20*log10(Ha/max(Ha);grid;t

14、itle('(a) 帶通濾波器幅頻特性')axis(0,fs/3,-60,20);xlabel('f/Hz');ylabel('幅度')%*加布萊克曼窗之后的濾波器wn=(blackman(M)'hn=hd.*wn;Hw=abs(fft(wn,1024);Hw0=abs(fft(hn,1024);f=0:1023*fs/1024;figure(3)plot(f,20*log10(Hw0/max(Hw0);grid;title('(a) 帶通濾波器幅頻特性')axis(0,fs/3,-60,20);xlabel('f

15、/Hz');ylabel('幅度');figure(4)plot(wn);figure(5)plot(f,20*log10(Hw/max(Hw);grid;title('(a) 窗函數(shù)幅頻特性')axis(0,500,-100,0);xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');%*L=16;hh1=0;hh2=0;for i=0:Lwc3=(584.55+43.44*i)*2*pi/fs;wc4=(584.55+43.44*(i+1)*2*pi/fs;hd3=sin(wc3*m+ep)./(pi*m+ep);h

16、d4=sin(wc4*m+ep)./(pi*m+ep);hp=hd3-hd4;hh1=hh1+hp;Hw2=abs(fft(hp,1024);wn2=(blackman(M)'figure(6)plot(f,20*log10(Hw2/max(Hw2);grid;title('(a) 帶通濾波器組幅頻特性')axis(500,fs/3-300,-34,20);xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');hold onh=hp.*wn2;hh2=hh2+h; Hw3=abs(fft(h,1024);figure(7)%y1=fft

17、filt(h,y,1024);plot(f,Hw3);grid;title('(a) 帶通濾波器組幅頻特性')axis(500,1400,-34,20);xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');hold onend%*Hw4=fft(y);f=0:fs/N:fs-fs/N;plot(f,abs(Hw4),'m');axis(500,1400,0,1);四、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:1、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果: 載波正弦波信號(hào) 噪聲信號(hào)帶通濾波器加窗的帶通濾波器窗函數(shù)窗函數(shù)幅頻特性帶通濾波器組的幅頻特性 速度探測 加窗的濾波器組五、 總結(jié)：首先是整個(gè)測速