- •Министерство образования Российской Федерации новосибирский государственный технический университет цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры в системах подвижной радиосвязи
- •Рабочая программа
- •Вопросы для самоконтроля
- •Структурные схемы и разностные уравнения лис-цепей
- •Методические указания
- •Вопросы для самоконтроля
- •Случайные последовательности и лис-цепи
- •Методические указания
- •Вопросы для самоконтроля
- •Многомерные последовательности и цепи
- •Вопросы для самоконтроля
- •Реализация цифровых фильтров
- •Методические указания
- •Цифровой спектральный анализ и его применение
- •Методические указания
- •Сигнальные процессоры и их применение
- •Методические указания
- •Цифровая обработка временных и пространственно-временных сигналов в системах радиосвязи
- •Методические указания
- •Расчетно-графические задания
- •Литература
Расчетно-графические задания
Задание 1
1. По заданным разностным уравнениям цифровых цепей проверьте их физическую реализуемость (каузальность), стационарность, линейность и устойчивость:
Таблица 1
Вариант |
Разностное уравнение |
1 | |
2 | |
3 | |
4 | |
5 | |
6 | |
7 | |
8 | |
9 | |
0 |
Таблица 2
Подвариант |
a |
b |
c |
k |
1 |
1 |
4 |
3 |
2 |
2 |
3 |
2 |
4 |
1 |
3 |
2 |
3 |
1 |
4 |
4 |
4 |
1 |
2 |
3 |
5 |
2 |
1 |
3 |
4 |
6 |
3 |
2 |
4 |
3 |
7 |
2 |
1 |
4 |
2 |
8 |
3 |
1 |
4 |
2 |
9 |
5 |
2 |
1 |
6 |
0 |
3 |
4 |
6 |
5 |
2. По разностному уравнению
составьте структурную схему цепи
определите импульсную характеристику устойчивой дискретной цепи (аналитически)
постройте график импульсной характеристики
рассчитайте АЧХ и ФЧХ цепи, постройте графики.
постройте нуль-полюсную диаграмму, обозначьте область сходимости -преобразования ИХ.
Таблица 3
Вариант |
Подва-риант | ||||||
1 |
3.1 |
0 |
7 |
1 |
1 |
9 |
2 |
2 |
5.3 |
5 |
3 |
2 |
4 |
8 |
4 |
3 |
7.7 |
1 |
4 |
3 |
3 |
7 |
6 |
4 |
8.4 |
2 |
2 |
4 |
7 |
6 |
8 |
5 |
5.6 |
6 |
5 |
5 |
5 |
5 |
0 |
6 |
3 |
4 |
2.5 |
6 |
2 |
4 |
9 |
7 |
6 |
9 |
6.4 |
7 |
0 |
3 |
1 |
8 |
9 |
8 |
2.2 |
8 |
6 |
2 |
3 |
9 |
7 |
5 |
7.4 |
9 |
8 |
1 |
5 |
0 |
4 |
7 |
9.3 |
0 |
9 |
0 |
7 |
Задание 2
Сформируйте набор из последовательностей, элементы которых состоят из строк матрицы Адамара 5-го порядка. Матрица Адамара первого порядка равна
.
Матрицы Адамара более высокого порядка строятся в соответствии с рекурсивным выражением
.
Для сформированного набора последовательностей:
покажите, что входящие в набор последовательности образуют базис;
отобразите на разных графиках несколько базисных последовательностей;
проверьте, является ли данный базис ортогональным;
постройте базис, сопряженный сформированному базису;
отобразите на разных графиках несколько последовательностей из сопряженного базиса;
используя сформированный базис, разложите последовательность
,
параметры которой определены в таблице 4;
отобразите на графике исходную последовательность;
отобразите на графике последовательность, состоящую из коэффициентов разложения;
постройте сокращенный набор коэффициентов разложения путем обнуления элементов, величина которых по модулю составляет не более 25-ти процентов от величины модуля максимального коэффициента разложения;
отобразите сокращенный набор коэффициентов на графике;
восстановите последовательность, используя сокращенный набор коэффициентов разложения;
отобразите восстановленную последовательность на графике;
рассчитайте энергию ошибки восстановления, а также отношение энергии ошибки восстановления к энергии исходной последовательности (в процентах).
Таблица 4
Вариант | |||
1 |
0.65 |
0.95 | |
2 |
0.92 |
0.76 | |
3 |
0.7 |
0.93 | |
4 |
0.97 |
0.68 | |
5 |
0.76 |
0.93 | |
6 |
0.92 |
0.77 | |
7 |
0.88 |
0.94 | |
8 |
0.75 |
0.97 | |
9 |
0.91 |
0.73 | |
10 |
0.72 |
0.96 | |
11 |
0.56 |
0.99 | |
12 |
0.99 |
0.57 | |
13 |
0.68 |
0.89 | |
14 |
0.71 |
0.88 | |
15 |
0.93 |
0.76 | |
16 |
0.89 |
0.9 | |
17 |
0.69 |
0.93 | |
18 |
0.95 |
0.78 | |
19 |
0.78 |
0.97 | |
20 |
0.94 |
0.83 |
Задание 3
Линейная инвариантная к сдвигу цепь задана разностным уравнением
,
параметры уравнения приведены в таблице 5. Для заданной цепи:
постройте эквивалентную минимально-фазовую цепь, обладающую такой же амплитудно-частотной характеристикой;
постройте нуль-полюсную диаграмму передаточной функции исходной цепи, обозначьте область сходимости;
постройте нуль-полюсную диаграмму передаточной функции эквивалентной минимально-фазовой цепи, обозначьте область сходимости;
рассчитайте АЧХ и ФЧХ исходной цепи, постройте графики;
рассчитайте АЧХ и ФЧХ эквивалентной минимально-фазовой цепи, постройте графики;
определите импульсную характеристику исходной цепи и отобразите ее на графике;
определите импульсную характеристику эквивалентной минимально-фазовой цепи и отобразите ее на графике;
Таблица 5
Вариант | ||||
1 |
-0.61 |
0.32 |
-0.67 |
1.3 |
2 |
0.17 |
-0.37 |
1.2 |
-1.1 |
3 |
-0.29 |
-0.99 |
2.4 |
-1.7 |
4 |
0.65 |
0.1 |
-0.34 |
0.29 |
5 |
0.42 |
-0.13 |
0.22 |
-0.34 |
6 |
-0.39 |
-0.64 |
1.8 |
-1.3 |
7 |
0.82 |
-0.55 |
2 |
-3.6 |
8 |
-0.7 |
-0.1 |
0.15 |
-0.22 |
9 |
0.94 |
0.25 |
-0.6 |
1.1 |
10 |
-0.76 |
0.17 |
-0.16 |
0.29 |
11 |
0.21 |
0.24 |
-0.48 |
0.76 |
12 |
-0.67 |
0.82 |
-2.6 |
3.2 |
13 |
-0.89 |
-0.37 |
1.1 |
-1.4 |
14 |
0.57 |
-0.07 |
0.15 |
-0.13 |
15 |
0.75 |
0.65 |
-0.4 |
1.5 |
16 |
0.91 |
-0.75 |
2.6 |
-2.5 |
17 |
0.65 |
-0.76 |
0.45 |
-3.0 |
18 |
-0.67 |
-0.67 |
1.4 |
-1.7 |
19 |
0.42 |
0.22 |
-0.7 |
1.4 |
20 |
-0.39 |
0.35 |
-1.2 |
1.2 |
Задание 4
Некаузальная линейная инвариантная к сдвигу цепь задана разностным уравнением
,
параметры уравнения определены в таблице 6.
преобразуйте заданную цепь в параллельное соединение рекурсивно вычислимых цепей;
составьте структурную схему рекурсивно вычислимой реализации цепи;
определите передаточную функцию цепи, постройте нуль-полюсную диаграмму, обозначьте область сходимости;
рассчитайте АЧХ и ФЧХ цепи, постройте графики;
определите (через обратное -преобразование передаточной функции цепи) импульсную характеристику цепи, отобразите ее на графике;
рассчитайте численно импульсную характеристику цепи (65 отсчетов) путем подачи единичного импульса на вход разностных уравнений рекурсивно вычислимой реализации, отобразите полученные значения на графике.
Таблица 6
Вариант | |||||
1 |
0.56 |
0.53 |
-0.51 |
0.1 |
0.82 |
2 |
4.3 |
0.36 |
0.92 |
0.25 |
0.86 |
3 |
1.3 |
0.49 |
0.02 |
0.31 |
0.84 |
4 |
2.4 |
0.43 |
-0.07 |
0.41 |
0.74 |
5 |
2.1 |
0.44 |
0.2 |
0.14 |
0.43 |
6 |
2.0 |
0.45 |
0.37 |
0.1 |
0.55 |
7 |
3.0 |
0.43 |
0.12 |
0.06 |
0.12 |
8 |
0.37 |
0.54 |
-0.82 |
0.36 |
0.55 |
9 |
1.4 |
0.5 |
-0.75 |
0.21 |
0.7 |
10 |
0.31 |
0.73 |
-0.66 |
0.28 |
0.7 |
11 |
5.0 |
0.35 |
0.07 |
0.02 |
0.1 |
12 |
1.5 |
0.49 |
0.28 |
0.03 |
0.63 |
13 |
0.5 |
0.58 |
-0.28 |
0.41 |
0.57 |
14 |
1.9 |
0.45 |
0.17 |
0.03 |
0.59 |
15 |
4.1 |
0.38 |
-0.59 |
0.22 |
0.57 |
16 |
0.39 |
0.51 |
-0.39 |
0.14 |
0.31 |
17 |
4.2 |
0.37 |
0.01 |
0.16 |
0.74 |
18 |
1.1 |
0.6 |
0.12 |
0.07 |
0.79 |
19 |
4.0 |
0.39 |
-0.3 |
0.1 |
0.23 |
20 |
2.5 |
0.44 |
0.49 |
0.12 |
0.51 |
Задание 5
1. Рассчитать полосовой цифровой фильтр (ПФ) 3 порядка (для чётных подвариантов – фильтр Чебышёва, для нечётных – фильтр Баттерворта), предназначенный для фильтрации аналогового сигнала после его преобразования в цифровую форму.
Исходные данные:
частота дискретизации аналогового сигнала; нижняяи верхняяграницы полосы частот, занимаемой аналоговым сигналом – таблица 7;
преобразование ФНЧ в полосовой фильтр провести для аналогового фильтра-прототипа;
аналого-цифровую трансформацию ПФ провести методом билинейного преобразования;
параметр для фильтра Чебышёва принять равным 0.4.
2. Построить структурную схему ЦФ в произвольной форме, при этом коэффициенты фильтра не должны быть комплексными. Записать разностное уравнение ЦФ. Рассчитать и построить графики АЧХ, ФЧХ и импульсной характеристики цифрового фильтра.
Таблица 7
Вариант |
Частота |
Частота |
Частота дискретизации |
1 |
3000 |
6000 |
30000 |
2 |
3500 |
7000 |
24000 |
3 |
5000 |
9000 |
35000 |
4 |
14000 |
26000 |
70000 |
5 |
6000 |
10000 |
38000 |
6 |
3000 |
6000 |
18000 |
7 |
3000 |
6000 |
37000 |
8 |
3000 |
6000 |
23000 |
9 |
13000 |
26000 |
80000 |
10 |
20000 |
48000 |
200000 |
11 |
7500 |
16000 |
50000 |
12 |
6300 |
11500 |
35000 |
13 |
3200 |
7100 |
18000 |
14 |
4600 |
8100 |
22000 |
15 |
4000 |
7500 |
32000 |
16 |
4000 |
8500 |
35000 |
17 |
3700 |
7200 |
25000 |
18 |
5200 |
9500 |
37000 |
19 |
13000 |
22000 |
65000 |
20 |
5800 |
10300 |
42000 |
Задание 6
Синтезируйте цифровой согласованный фильтр для сигнала, заданного в таблице 8. Сигнал наблюдается на фоне белого гауссовского шума с нулевым математическим ожиданием и дисперсией . Для синтезированного фильтра:
рассчитайте и постройте график исходного сигнала;
определите импульсную характеристику фильтра, постройте ее график;
определите передаточную функцию фильтра;
рассчитайте и постройте АЧХ и ФЧХ фильтра;
рассчитайте и постройте графики модуля и аргумента спектральной плотности исходного сигнала;
найдите автокорреляционную функцию исходного сигнала, рассчитайте и постройте ее график;
определите аналитическое выражение отклика согласованного фильтра, получаемого при воздействии на его вход исходного сигнала, отобразите его на графике;
рассчитайте методом быстрой свертки отклик согласованного фильтра, получаемый при подаче на его вход заданного сигнала; используйте для этого стандартные функции вычисления БПФ реализованные в пакетах универсального программирования типа MathCAD, MatLab и т.п.; сравните полученный результат с результатами расчетов, полученных в предыдущем пункте;
найдите отношение сигнал/шум на входе и выходе согласованного фильтра.
Таблица 8
Вариант |
Сигнал | |
1 |
4.0 | |
2 |
2.4 | |
3 |
1.5 | |
4 |
0.8 | |
5 |
2.2 | |
6 |
5.2 | |
7 |
7.4 | |
8 |
3.6 | |
9 |
8.1 | |
10 |
2.7 | |
11 |
3.2 | |
12 |
6.4 | |
13 |
7.9 | |
14 |
8.3 | |
15 |
4.1 | |
16 |
2.8 | |
17 |
3.4 | |
18 |
5.3 | |
19 |
2.8 | |
20 |
1.9 |
Задание 7
Сигнал, передаваемый по каналу связи, подвергается воздействию помехи в соответствии с моделью
,
где – наблюдаемая последовательность,– полезный сигнал,– стационарный белый шум с нулевым средним и дисперсией. Статистические свойства полезного сигнала описываются уравнением авторегрессии-скользящего среднего (АРСС)
,
где – последовательность независимых случайных величин с нулевым средним и дисперсией. Для подавления шума используется цифровой трансверсальный фильтр порядка, определяемый выражением
,
где – оценка полезного сигнала,,– коэффициенты трансверсального фильтра.
Значения параметров полезного сигнала и шума приведены в таблице 9.
рассчитайте и постройте автокорреляционную функцию и спектральную плотность мощности последовательности ;
рассчитайте коэффициенты трансверсального фильтра, исходя из условия обеспечения минимума дисперсии ошибки оценивания
,
где – ошибка оценивания,– оператор усреднения по ансамблю реализаций;
рассчитайте и постройте импульсную характеристику, АЧХ и ФЧХ синтезированного фильтра;
рассчитайте дисперсию ошибки оценивания.
Таблица 9
Вариант | |||||||
1 |
0.82 |
0.46 |
0.59 |
-1.4 |
2.1 |
1.9 |
8 |
2 |
0.17 |
0.86 |
-0.74 |
2.9 |
-1.3 |
-1.7 |
3 |
3 |
0.71 |
0.78 |
0.57 |
2.2 |
1.7 |
-0.55 |
15 |
4 |
0.3 |
0.99 |
0.15 |
-0.59 |
-1.9 |
1.8 |
17 |
5 |
0.09 |
0.61 |
-0.43 |
-2.5 |
1.5 |
0.73 |
18 |
6 |
0.15 |
0.27 |
-0.52 |
1.5 |
2.0 |
-1.1 |
6 |
7 |
0.99 |
0.84 |
0.75 |
-0.3 |
-0.57 |
2.2 |
3 |
8 |
0.53 |
0.38 |
0.17 |
1.7 |
1.4 |
-2.4 |
16 |
9 |
0.6 |
0.68 |
-0.49 |
-1.6 |
0.29 |
2.0 |
13 |
10 |
0.45 |
0.28 |
0.7 |
-1.9 |
-2.8 |
0.95 |
5 |
11 |
0.06 |
0.59 |
0.15 |
2.6 |
0.68 |
0.33 |
19 |
12 |
0.78 |
0.84 |
-0.43 |
-0.33 |
-1.2 |
2.6 |
14 |
13 |
0.52 |
0.49 |
0.97 |
0.94 |
1.9 |
-0.47 |
10 |
14 |
0.88 |
0.74 |
0.82 |
0.86 |
1.3 |
0.24 |
12 |
15 |
0.96 |
0.46 |
-0.19 |
-1.8 |
-1.8 |
-1.9 |
7 |
16 |
0.54 |
0.74 |
0.82 |
2.2 |
2.6 |
1.6 |
11 |
17 |
0.86 |
0.48 |
0.67 |
-1.5 |
2.2 |
1.8 |
8 |
18 |
0.67 |
0.39 |
0.59 |
2.7 |
-1.4 |
-1.8 |
10 |
19 |
0.75 |
0.68 |
-0.37 |
-0.61 |
-1.8 |
1.7 |
16 |
20 |
0.91 |
0.73 |
0.74 |
1.8 |
1.5 |
-2.5 |
14 |
Задание 8
На вход линейной инвариантной к сдвигу цепи поступает белый шум с нулевым средним значением и дисперсией . Импульсная характеристика цепи определена в таблице 10. Для заданных параметров цепи и шума:
отобразите на графике импульсную характеристику цепи;
определите передаточную функцию цепи;
постройте АЧХ и ФЧХ цепи;
определите спектральную плотность мощности и корреляционную функцию последовательности на выходе цепи, отобразите их на графике.
Таблица 10
Вариант |
Имп. хар-ка |
Вариант |
Имп. хар-ка |
1 |
11 | ||
2 |
12 | ||
3 |
13 | ||
4 |
14 | ||
5 |
15 | ||
6 |
16 | ||
7 |
17 | ||
8 |
18 | ||
9 |
19 | ||
10 |
20 |
СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ
Алгебраические модели. Группы, поля, пространства
Множество элементов,,,называется группой, если определена бинарная операция, которая каждой паре элементов,ставит в соответствие элементтак, что выполняются свойства (аксиомы группы):
а) (замкнутостьпо отношению к операции);
б) (ассоциативность операции);
в) (существование нейтрального элемента);
г) (существование обратного элемента для каждого элемента группы).
Группа называется коммутативной (абелевой) если.
Множество элементов,,,называется полем, если на нем определены две бинарные операциии, условно называемые сложением и умножением, такие, что выполняются аксиомы поля:
а) является коммутативной группой по сложению;
б) совокупность всех ненулевых элементов является коммутативной группой по умножению;
в) , (дистрибутивность сложения и умножения).
Множество элементов,,,называется линейным (векторным) пространством над полем, а элементы множестваназываются векторами, если наопределены две бинарные операции – сложение векторов (+) и умножение вектора на скаляр (), такие, что
I) есть коммутативная группа по сложению векторов.
II) Операция умножения вектора (,,…) на скаляр (,,…) удовлетворяет следующим условиям:
а) (замкнутость пространства относительно умножения вектора на скаляр);
б) (ассоциативность умножения вектора на скаляр);
в) ,(дистрибутивность сложения векторов и умножения вектора на скаляр);
г), где– элемент поля(скаляр), нейтральный относительно операции умножения скаляров в поле.
Метрикой (расстоянием) на произвольном множественазывается вещественная функция (или функционал1), определенная для любой пары элементови удовлетворяющая следующим условиям:
а) , итолько если;
б) (симметрия);
в) (неравенство треугольника).
Множество , на котором задана метрика, называется метрическим пространством.
Пусть – линейное пространство над полем. Функция (функционал)называетсянормой вектора, если она удовлетворяет следующим условиям:
а) , причем, только если;
б) (неравенство треугольника);
в) .
Пусть – линейное пространство над полем(или). Функция (функционал)называетсяскалярным произведением, если она удовлетворяет следующим условиям:
а) ;
б) ;
в) , причем, только если.
В пространстве со скалярным произведением выполняется неравенство Шварца
или,
на основе которого может быть введено понятие угла между векторами(только для пространства над полем), такого что
.
Совокупность векторов линейного пространства является линейно независимой, когдав том и только в том случае, еслипри всех(здесь– количество векторов).
Если в пространстве можно найтилинейно независимых элементов, а любыеэлементов этого пространства линейно зависимы, то пространствоимеет размерность. Если вможно указать систему изпроизвольного конечного числа линейно независимых векторов, то говорят, что пространствобесконечномерно.
Базисом -мерного пространстваназывается любая система излинейно независимых векторов. Базисом бесконечномерного пространства является бесконечная совокупность векторов, такая, что любое ее конечное подмножество линейно независимо.
Прямое и обратное -преобразование
Прямое -преобразование последовательностиопределяется выражением
.
Обратное -преобразование
,
где – контур, расположенный в области сходимости и охватывающий начало координат, направление обхода контура – против часовой стрелки.
Теорема о вычетах:
,
где – изолированные полюсы, находящиеся внутри контура интегрирования. Если– полюс порядка, то
.
Свойства -преобразования:
а) линейность
б) сдвиг последовательности
в) отражение последовательности
г) умножение на экспоненту
д) умножение на линейную последовательность
е) переход к комплексно-сопряженной последовательности
ж) свертка последовательностей
з) произведение последовательностей
Прямое и обратное преобразование Фурье
Прямое преобразование Фурье определяется выражением
.
Для абсолютно суммируемой последовательности ряд в правой части выражения сходится равномерно к непрерывной функции аргумента.
Обратное преобразование Фурье определяется выражением
, .
Формулы Эйлера
,
,
.
Некоторые неравенства
,
,
–неравенство Коши – Буняковского (Шварца)
Свойства -функции Дирака
а) , б).
Формула суммирования Пуассона
.
Спектральные плотности некоторых сигналов
а) ,
б) ,
в) .
Некоторые числовые суммы
а) , б),
в) .
Геометрическая прогрессия
Сумма геометрической прогрессии
, при ,
где ,,– первый член,– знаменатель прогрессии.
Частичная сумма геометрической прогрессии .