應(yīng)用-MATLAB實現(xiàn)連續(xù)信號的采樣與重構(gòu)仿真

應(yīng)用MATLAB實現(xiàn)連續(xù)信號的采樣與重構(gòu)仿真課程設(shè)計的目的1.掌握利用MATLAB分析系統(tǒng)頻率響應(yīng)的方法，增加對仿真軟件MATLAB的感性認(rèn)識，學(xué)會該軟件的操作和使用方法。2.掌握利用MATLAB實現(xiàn)連續(xù)信號采用與重構(gòu)的方法，加深理解采樣與重構(gòu)的概念。3.初步掌握線性系統(tǒng)的設(shè)計方法，培養(yǎng)獨立工作能力。4.學(xué)習(xí)MATLAB中信號表示的根本方法及繪圖函數(shù)的調(diào)用，實現(xiàn)對常用連續(xù)時間信號的可視化表示，加深對各種電信號的理解。5.加深理解采樣對信號的時域和頻域特性的影響；驗證信號與系統(tǒng)的根本概念、根本理論，掌握信號與系統(tǒng)的分析方法。6.加深對采樣定理的理解和掌握，以及對信號恢復(fù)的必要性；掌握對連續(xù)信號在時域的采樣與重構(gòu)的方法。二．課程設(shè)計的內(nèi)容及要求1.課程設(shè)計的內(nèi)容離散正弦序列的MATLAB表示與連續(xù)信號類似，只不過是用stem函數(shù)而不是用plot函數(shù)來畫出序列波形。命令窗口沒翻開時，從“Desktop〞菜單中選擇“CommandWindow〞選項可以翻開它?！?gt;>〞符號是輸入函數(shù)的提示符，在提示符后面輸入數(shù)據(jù)和運行函數(shù)。退出MATLAB時，工作空間中的內(nèi)容隨之去除?？梢詫?dāng)前工作中的局部或全部變量保存在一個MAT文件中，它是一種二進制文件，擴展名為.mat。然后可在以后使用它時載入它。用MATLAB的當(dāng)前目錄瀏覽器搜索、查看、翻開、查找和改變MATLAB路徑和文件。在MATLAB桌面上，從“Desktop〞菜單中選擇“CurrentDirectory〞選項，或者在命令窗口鍵入“filebrowser〞，翻開當(dāng)前目錄瀏覽器。使用當(dāng)前目錄瀏覽器可以完成下面的主要任務(wù)：查看和改變路徑；創(chuàng)立、重命名、復(fù)制和刪除路徑和文件；翻開、運行和查看文件的內(nèi)容；由于函數(shù)不是嚴(yán)格的帶限信號，其帶寬可根據(jù)一定的精度要求做一近似。根據(jù)以下三種情況用MATLAB實現(xiàn)采樣信號及重構(gòu)并求出兩者誤差，分析三種情況下的結(jié)果?！?〕的臨界采樣及重構(gòu)：，，；〔2〕的過采樣及重構(gòu)：，，；〔3〕的欠采樣及重構(gòu)：，，。2.課程設(shè)計的方案2.1課程設(shè)計的原理2.1.1連續(xù)信號的采樣定理模擬信號經(jīng)過(A/D)變換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為采樣，信號采樣后其頻譜產(chǎn)生了周期延拓，每隔一個采樣頻率fs，重復(fù)出現(xiàn)一次。為保證采樣后信號的頻譜形狀不失真，采樣頻率必須大于信號中最高頻率成分的兩倍，這稱之為采樣定理。時域采樣定理從采樣信號恢復(fù)原信號必需滿足兩個條件：(1)必須是帶限信號，其頻譜函數(shù)在＞各處為零；〔對信號的要求，即只有帶限信號才能適用采樣定理?！?/p>

(2)取樣頻率不能過低，必須＞2〔或＞2〕。〔對取樣頻率的要求，即取樣頻率要足夠大，采得的樣值要足夠多，才能恢復(fù)原信號?！橙绻蓸宇l率大于或等于，即〔為連續(xù)信號的有限頻譜〕，那么采樣離散信號能無失真地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號。一個頻譜在區(qū)間〔-，〕以外為零的頻帶有限信號，可唯一地由其在均勻間隔〔＜〕上的樣點值所確定。根據(jù)時域與頻域的對稱性，可以由時域采樣定理直接推出頻域采樣定理。一個時間受限信號，它集中在〔〕的時間范圍內(nèi)，那么該信號的頻譜在頻域中以間隔為的沖激序列進行采樣，采樣后的頻譜可以惟一表示原信號的條件為重復(fù)周期，或頻域間隔〔其中〕。采樣信號的頻譜是原信號頻譜的周期性重復(fù)，它每隔重復(fù)出現(xiàn)一次。當(dāng)＞2時，不會出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，原信號的頻譜的形狀不會發(fā)生變化，從而能從采樣信號中恢復(fù)原信號?！沧ⅲ海?的含義是：采樣頻率大于等于信號最高頻率的2倍；這里的“不混疊〞意味著信號頻譜沒有被破壞，也就為后面恢復(fù)原信號提供了可能！〕(a)(b)(c)圖*抽樣定理等抽樣頻率時的抽樣信號及頻譜〔不混疊〕高抽樣頻率時的抽樣信號及頻譜〔不混疊〕c)低抽樣頻率時的抽樣信號及頻譜〔混疊〕信號采樣如圖1所示，給出了信號采樣原理圖信號采樣原理圖〔a〕由圖1可見，，其中，沖激采樣信號的表達(dá)式為：其傅立葉變換為，其中。設(shè)，分別為，的傅立葉變換，由傅立葉變換的頻域卷積定理，可得假設(shè)設(shè)是帶限信號，帶寬為，經(jīng)過采樣后的頻譜就是將在頻率軸上搬移至處〔幅度為原頻譜的倍〕。因此，當(dāng)時，頻譜不發(fā)生混疊；而當(dāng)時，頻譜發(fā)生混疊。一個理想采樣器可以看成是一個載波為理想單位脈沖序列的幅值調(diào)制器，即理想采樣器的輸出信號，是連續(xù)輸入信號調(diào)制在載波上的結(jié)果，如圖2所示。圖2信號的采樣用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述上述調(diào)制過程，那么有理想單位脈沖序列可以表示為其中是出現(xiàn)在時刻，強度為1的單位脈沖。由于的數(shù)值僅在采樣瞬時才有意義，同時，假設(shè)所以又可表示為2.1.3信號重構(gòu)設(shè)信號被采樣后形成的采樣信號為，信號的重構(gòu)是指由經(jīng)過內(nèi)插處理后，恢復(fù)出原來信號的過程。又稱為信號恢復(fù)。假設(shè)設(shè)是帶限信號，帶寬為，經(jīng)采樣后的頻譜為。設(shè)采樣頻率，那么由式〔9〕知是以為周期的譜線?，F(xiàn)選取一個頻率特性〔其中截止頻率滿足〕的理想低通濾波器與相乘，得到的頻譜即為原信號的頻譜。顯然，，與之對應(yīng)的時域表達(dá)式為〔10〕而將及代入式〔10〕得〔11〕式〔11〕即為用求解的表達(dá)式，是利用MATLAB實現(xiàn)信號重構(gòu)的根本關(guān)系式，抽樣函數(shù)在此起著內(nèi)插函數(shù)的作用。例：設(shè)，其為：即的帶寬為，為了由的采樣信號不失真地重構(gòu)，由時域采樣定理知采樣間隔，取〔過采樣〕。利用MATLAB的抽樣函數(shù)來表示，有。據(jù)此可知：通過以上分析，得到如下的時域采樣定理：一個帶寬為wm的帶限信號f(t)，可唯一地由它的均勻取樣信號fs(nTs)確定，其中，取樣間隔Ts<π/wm,該取樣間隔又稱為奈奎斯特間隔。根據(jù)時域卷積定理，求出信號重構(gòu)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中的抽樣函數(shù)Sa(wct)起著內(nèi)插函數(shù)的作用，信號的恢復(fù)可以視為將抽樣函數(shù)進行不同時刻移位后加權(quán)求和的結(jié)果，其加權(quán)的權(quán)值為采樣信號在相應(yīng)時刻的定義值。利用MATLAB中的抽樣函數(shù)來表示Sa(t)，有，，于是，信號重構(gòu)的內(nèi)插公式也可表示為：

2.2設(shè)計的思路連續(xù)信號是指自變量的取值范圍是連續(xù)的，且對于一切自變量的取值，除了有假設(shè)干個不連續(xù)點以外，信號都有確定的值與之對應(yīng)。嚴(yán)格來說，MATLAB并不能處理連續(xù)信號，而是用等時間間隔點的樣值來近似表示連續(xù)信號。當(dāng)取樣時間間隔足夠小時，這些離散的樣值就能較好地近似連續(xù)信號。時域?qū)B續(xù)時間信號進行采樣，是給它乘以一個采樣脈沖序列，就可以得到采樣點上的樣本值，信號被采樣前后在頻域的變化，可以通過時域頻域的對應(yīng)關(guān)系分別求得了采樣信號的頻譜。在一定條件下，一個連續(xù)時間信號完全可以用該信號在等時間間隔上的瞬時值來表示，并且可以用這些樣本值把信號完全恢復(fù)過來。這樣，抽樣定理為連續(xù)時間信號與離散時間信號的相互轉(zhuǎn)換提供了理論依據(jù)。通過觀察采樣信號的頻譜，發(fā)現(xiàn)它只是原信號頻譜的線性重復(fù)搬移，只要給它乘以一個門函數(shù)，就可以在頻域恢復(fù)原信號的頻譜，在時域是否也能恢復(fù)原信號時，利用頻域時域的對稱關(guān)系，得到了信號。2.3詳細(xì)設(shè)計過程的臨界采樣及重構(gòu)1實現(xiàn)程序代碼當(dāng)采樣頻率小于一個連續(xù)的同信號最大頻率的2倍，即時，稱為臨界采樣.修改門信號寬度、采樣周期等參數(shù)，重新運行程序，觀察得到的采樣信號時域和頻域特性，以及重構(gòu)信號與誤差信號的變化。Sa(t)的臨界采樣及重構(gòu)程序代碼；wm=1; %升余弦脈沖信號帶寬wc=wm;%頻率Ts=pi/wm;%周期ws=2.4*pi/Ts;%理想低通截止頻率n=-100:100;%定義序列的長度是201nTs=n*Ts%采樣點f=sinc(nTs/pi);%抽樣信號Dt=0.005;t=-20:Dt:20;fa=f*Ts*wc/pi*sinc((wc/pi)*(ones(length(nTs),1)*t-nTs'*ones(1,length(t))));%信號重建t1=-20:0.5:20;f1=sinc(t1/pi);subplot(211);stem(t1,f1);xlabel('kTs');ylabel('f(kTs)');title('sa(t)=sinc(t/pi)的臨界采樣信號');subplot(212);plot(t,fa)xlabel('t');ylabel('fa(t)');title('由sa(t)=sinc(t/pi)的臨界采樣信號重構(gòu)sa(t)');grid; 2程序運行運行結(jié)果圖與分析圖3的臨界采樣及重構(gòu)圖運行結(jié)果分析：為了比擬由采樣信號恢復(fù)后的信號與原信號的誤差，可以計算出兩信號的絕對誤差。當(dāng)t選取的數(shù)據(jù)越大，起止的寬度越大。的過采樣及重構(gòu)1實現(xiàn)程序代碼當(dāng)采樣頻率大于一個連續(xù)的同信號最大頻率的2倍，即時，稱為過采樣.在不同采樣頻率的條件下，觀察對應(yīng)采樣信號的時域和頻域特性，以及重構(gòu)信號與誤差信號的變化。Sa(t)的過采樣及重構(gòu)程序代碼；wm=1;wc=1.1*wm;Ts=1.1*pi/wm;ws=2*pi/Ts;n=-100:100;nTs=n*Tsf=sinc(nTs/pi);Dt=0.005;t=-10:Dt:10;fa=f*Ts*wc/pi*sinc((wc/pi)*(ones(length(nTs),1)*t-nTs'*ones(1,length(t))));error=abs(fa-sinc(t/pi));t1=-10:0.5:10;f1=sinc(t1/pi);subplot(311);stem(t1,f1);xlabel('kTs');ylabel('f(kTs)');title('sa(t)=sinc(t/pi)的采樣信號');subplot(312);plot(t,fa)xlabel('t');ylabel('fa(t)');title('由sa(t)=sinc(t/pi)的過采樣信號重構(gòu)sa(t)');grid;subplot(313);plot(t,error);xlabel('t');ylabel('error(t)');title('過采樣信號與原信號的誤差error(t)');2程序運行運行結(jié)果圖與分析。圖4的過采樣信號、重構(gòu)信號及兩信號的絕對誤差圖運行分析：將原始信號分別修改為抽樣函數(shù)Sa(t)、正弦信號sin(20*pi*t)+cos(20*pi*t)、指數(shù)信號e-2tu(t)時，在不同采樣頻率的條件下，可以觀察到對應(yīng)采樣信號的時域和頻域特性，以及重構(gòu)信號與誤差信號的變化。Sa(t)的欠采樣及重構(gòu)1實現(xiàn)程序代碼當(dāng)采樣頻率小于一個連續(xù)的同信號最大頻率的2倍，即時，稱為過采樣。利用頻域濾波的方法修改實驗中的局部程序，完成對采樣信號的重構(gòu)。Sa(t)的欠采樣及重構(gòu)程序代碼；wm=1; wc=wm;Ts=2.5*pi/wm;ws=2*pi/Ts;n=-100:100;nTs=n*Tsf=sinc(nTs/pi);Dt=0.005;t=-20:Dt:20;fa=f*Ts*wc/pi*sinc((wc/pi)*(ones(length(nTs),1)*t-nTs'*ones(1,length(t))));error=abs(fa-sinc(t/pi));t1=-20:0.5:20f1=sinc(t1/pi);subplot(311);stem(t1,f1);xlabel('kTs');ylabel('f(kTs)');title('sa(t)=sinc(t/pi)的采樣信號sa(t)');subplot(312);plot(t,fa)xlabel('t');ylabel('fa(t)');title('由sa(t)=sinc(t/pi)的欠采樣信號重構(gòu)sa(t)');grid;subplot(313);plot(t,error);xlabel('t');ylabel('error(t)');title('欠采樣信號與原信號的誤差error(t)');2程序運行運行結(jié)果圖與分析圖5的欠采樣信號、重構(gòu)信號及兩信號的絕對誤差圖誤差分析：絕對誤差error已大為增加，其原因是因采樣信號的頻譜混疊，使得在區(qū)域內(nèi)的頻譜相互“干擾〞所致。2.4設(shè)計方案優(yōu)缺點優(yōu)點：MATLAB在繪圖方面提供了相當(dāng)高級的函數(shù)序及程序界面，即使用戶沒有豐富的程序設(shè)計經(jīng)驗，也能夠快速地得到自己想要的結(jié)果，熟練的使用MATLAB的程序員或研究人員能縮短研究開發(fā)時間，從而提高競爭力，MATLAB和其他高級語言有良好的接口，可以方便地實現(xiàn)與其他語言的混合編程，從而進一步擴寬MATLAB的應(yīng)用潛力。缺點：MATLAB占用內(nèi)存空間很大，并且會因硬盤分區(qū)是NTFS格式還是FAT格式而有差異。3.程序中的常見函數(shù)和功能程序中的常見函數(shù)和功能:abs()求絕對值;sinc()Sa(t)函數(shù);ones()全1矩陣;plot()繪圖;subplot()繪制子圖;stem()繪制離散序列數(shù)據(jù)圖.三．收獲和體會該課程設(shè)計使我對采樣定理的一些根本公式得到了進一步穩(wěn)固。在整個實驗過程中，我查閱了很多相關(guān)知識，從這些書籍中我受益良多。也使我上機操作順利完成。雖然剛開始對采樣過程和恢復(fù)過程認(rèn)識不深，但是通過這次實驗對采樣過程和恢復(fù)過程有了進一步掌握。通過實驗的設(shè)計使我對采樣定理和信號的重構(gòu)有了深一步的掌握，從而在上機的過程中沒有出現(xiàn)太多的問題。雖然在實驗過程中出現(xiàn)很多錯誤，但是在老師的幫助下，不斷的修正錯誤，同時也學(xué)會了MATLAB中信號表示的根本方法及繪圖函數(shù)的調(diào)用。雖然剛開始我對MATLAB的根本使用方法沒有太深刻的認(rèn)識。但是該實驗使我對MATLAB函數(shù)程序的根本結(jié)構(gòu)有所了解，也提高了我獨立完成實驗的能力和理論聯(lián)系實際的應(yīng)用能力。進而了解了采樣的方法。實驗通過測量系統(tǒng)的頻率特性，加