云南师范大学通信原理实验-03(频谱分析) 本文关键词：频谱，云南，师范大学，原理，实验
云南师范大学通信原理实验-03(频谱分析) 本文简介：本科学生实验报告云南师范大学教务处编印一、实验设计方案实验序号实验3实验名称频谱分析实验实验时间2014-3-28实验室云南师范大学同析3栋通信原理实验室1、实验目的1.1通过对输入模拟信号频谱的观察和分析，加深对傅里叶变换的信号频率特性的理解。1.2掌握频谱分析模块的实验方法。2、实验内容2.1将
云南师范大学通信原理实验-03(频谱分析) 本文内容：
本科学生实验报告
云南师范大学教务处编印
一、实验设计方案
实验序号
实验3
实验名称
频谱分析实验
实验时间
2014-3-28
实验室
云南师范大学同析3栋通信原理实验室
1、
实验目的
1.1通过对输入模拟信号频谱的观察和分析，加深对傅里叶变换的信号频率特性的理解。
1.2掌握频谱分析模块的实验方法。
2、
实验内容
2.1
将信号源输出的模拟信号输入本模块，观察其频谱。
2.2
将其他模块输出的模拟信号输入本模块，观察期频谱。
3、
实验仪器及实物图
3.1
信号源模块（一块），如下图；
图一
信号源实物图
其中信号源中的主要器件有：
①
CPLD：ALTER
MAX
EPM3256ATC144-10，该器件是Altera公司的MAX
3000系列CPID，其特点如下：
l
高性能，低功耗CMOS
EEPOM技术
l
遵循IEEE
STD.1149.1
JOINT
TEST
ACTION
GROUP(JTAG)增强的ISP功能
l
高密度可编程逻辑器件，5000可用门
l
4.5-ns
pin
to
pin
延时，最高频率227.3Mhz
l
I/O接口支持5V、3.3V和2.5V等多种电平，实物图如下：
②
存储器：ATMEL
AT28C64B
l
ATMEL(爱特梅尔)AT28C64是一种采用NMOS、CMOS工艺制成的8K×8位28引脚的可用碘擦除可编程只读存储器。
l
其读写像SRAM操作一样，不需要外加任何元器件，读访问速度可为45ns-450ns,在写入之前自动擦除，有部分芯片具有两种写入方式，一种像28（C）17一样的字节写入方式，还有另一种页写入方式，AT28C64的也寄存器为64B。
l
ATMEL并行节后EEPROM程序储存器芯片AT28C64采用单一电源+5V±0,1V，低功耗工作电流30mA,备用状态时只有100pA出，与TTL电平兼容。
l
一般商业品工作温度范围为0-70℃，工业品为-40-+85℃。
实物图如下：
③
MCU:ATMEL
AT89S51
AT89S51-24PC单片机，最高工作频率24M，供电电压范围4.0-5.5V，40脚DIP封装，片内4K字节的FLASH程序存储器，128字节的片内ram，2个定时器、计数器，6个中断源等。
实物图如上.
3.2
20M双综示波器（一台），如下图：
3.3
连接线（若干），如下图：
3.3频谱分析模块，如下图：
频谱分析中的主要元件：
（1）
可编程逻辑器件CPLD：ALTERA
MAX
EPM7128SLC84-15
可编程逻辑器件CPLD，同实验2.
（2）
数字信号处理芯片DSP：TMS32VC5402
TMS32VC5402芯片是C5000系列中性价比较高的一颗芯片，独特的6总线哈佛结构，使其能够6调流水线同时工作，工作频率达到100Mhz，VC5402除了使用VC54x系列中常用的通用I/O口，还为用户提供了多个可选的GPIO，HPI-8和McBSP。
TMS32VC5402是IT公司近年推出的性价比比较高的定点数字信号处理器，器主要特点有：
①
操作速率达100MHz；
②
具有先进的多总线结构（1条程序总线，3条数据总线和4条地址总线）；
③
40位算术逻辑运算单元（ALU），包括1个40位桶形移位寄存器和个独立的40为累加器。
④
17位并行乘法器与40位专用加法器相连，用于非流水线式单周期乘法、累加（MAC）运算；
⑤
双地址生成器，包括8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术运算单元（ARAU）。
⑥
数据、程序寻址空间1M16bit，内存4k16bit和16K16bit双存取RAM；
⑦
内置可编程等待状态发生器，锁相环（PLL）时钟发生器，2个多通道缓冲
串行口；1个8位并行为外部处理器通信的HPI口，2个16位定时器及6通道DMA控制器。
⑧
低功耗，工作电源3,3V和1,8V。
（3）29LE010
29LE010是12K×8BitEEProm存储器。
4、实验原理、实验流程或装置示意图
实验原理：
在本实验箱中，模拟信号从S-IN输入，进过低通滤波器以后，通过用拨码开关SW01进行选择的通道对经预处理后的模拟信号进行AD转换，然后数字信号传送到U01进行处理，最后把处理后的信号经两片8位DA转换器进行DA转换以后分成X轴和Y轴信号输出到示波器上进行频谱观察。信号处理款图如下：
一、低通滤波器
低通滤波器的作用是抗混叠，所谓混叠是指信号的最高频率超过1/2倍的采样频率时，部分频率成分互相交叠起来的现象，这是混叠的那部分频率成分的幅值就与原来情况不同，采用就造成了信息的损失，因此在采样前需要对输入信号做滤波，以去除输入信号中高于1/2倍采用频率的那部分频率成分，这种以防混叠的模拟滤波器有称为“抗混叠滤波器”。低通滤波器如下图：
二、增益调节电路
该电路又叫信号调理电路，没在AD转换器都有其输入的满肚电压，如果输入信号的幅度超过了这个范围，就会因为限幅而照成失真，而在满度电压的范围内，大信号转换精度高，小信号的转换精度低，因此，在AD转换前应先将信号输入至一个信号调理电路，使得输入AD转换器信号既不超过满度电压，又尽可能接近满度，提高转换精度。增益调节图如下:
三、AD转换器电路
本电路采用的是低功耗10位20MSPS模数转换器TLC876，在本模块中，将进过低通滤波器和信号增益电路的模信号转换成数字信号，电路原理图如下：
四、DA转换器
电路原理图如下（X增益调节）：
Y增益调节：
ＤＡ转换电路是由ＡＤ7524和运放TLE2084构成双极性输出的ＤＡ转换电路，通过此电路将ＤＳＰ计算得到的数字信号转换为模拟信号，从ＤＳＰ计算处理得到的１６数据，其中高8位数据通过DA转换为X轴的信号从X-out输出，地8位的从Y-out输出。
5、实验方法步骤及注意事项
5.1
将信号源模块、终端模块小心地同定在主机箱中，确保电源接触良好。
5.2
插上电源线，扣开主机箱右侧的交流开关，再分别按F两个模块中的开关POWERI、
POWER2，对应的发光二极管LED01、LED02发光，按一下信号源模块的复位键，两个模块均开始工作。（注意，此处只足验证通电是否成功，在实验中均是先连线，后扣升电源做实验，不要带电连线）。
5.3用连接线连接信号源模块中信号输出点“32KHZ正弦波”及频谱分析模块中“信号输入点”，调节输入增益调节点位器P02调节输入增益，使输入信号的“峰峰值测试点”为3V左右。
5.4
设置拨码开关SW01进行选择低通滤波器的通道，可拨为0010。
5.5
设置拨码开关SW02进行采样频率设置，这里可以设为0110.
5.6
示波器选择为X-Y模式，分别调节电位器“X增益调节”，“Y增益调节”，改变信号输出增益，使示波器上显示的波形清晰且幅度适中，即可进行观察。
5.7
关闭交流电源电源开关，取出选用任意可输出模拟信号的模块固定在主机箱上，将其输出的模拟信号送如频谱分析模块，选择正确的通道，观察输出波形。
注意事项：
①
输入单频率成分的模拟信号时，应选择大于输入信号频率的最低采样频率的通道，即输入频率为32Khz时，应选用112kHz通道，选择其他的实验结构可能不准确。
②
输入多频率成分的模拟信号时。应根据输入信号所包含的频率中的最高频率选择通道，即输入信号中包含2kHz，16kHz，32kHz等频率成分，则应选择大于最高采用频率成分中的最低频率的通道——112kHz。
③
输入信号峰峰值不得超过4V。
④
当没有信号显示或显示明显不正常时，按下复位键K01进行复位。
⑤
输入信号的最高频率不能高于1Mhz。
二．实验过程
1、实验现象及结果
①
按照步骤一的连接好实验实物，从信号源模块输出一个32K的正弦波峰峰值在3-4V左右。图如下：
拨码开关如下置：
波形如下：
示波器使用YT模式检测X-out测试点的波形如下：
示波器使用YT模式观察Y-out测试点的波形如下：
XY模式实物连接和测试波形：
课后总结及思考：
通过本实验对模拟信号频谱的观察和分析。加深了对傅里叶变换和信号频率特性的理解。并且掌握了频谱分析模块的使用方法。
熟悉了增益调节电路，AD转换电路，DA转换电路的一些工作原理。
教师评语及评分：
签名：*年*月*日
17
篇2：典型周期信号的频谱表示
典型周期信号的频谱表示 本文关键词：频谱，周期，信号，典型
典型周期信号的频谱表示 本文简介：实验四典型周期信号的频谱表示一、实验目的：1、掌握用MATLAB分析周期矩形脉冲、三角波脉冲频谱的方法。2、掌握非周期信号（方波）的频谱分析方法。题目一：周期信号频谱的分析设计要求：周期电流、电压（统称其为信号）f(t)可展开为直流与各次谐波之和，即式中W=2p/T是基波角频率，T为周期。4.1周期
典型周期信号的频谱表示 本文内容：
实验四
典型周期信号的频谱表示
一、实验目的：
1、掌握用
MATLAB
分析周期矩形脉冲、三角波脉冲频谱的方法。
2、掌握非周期信号（方波）的频谱分析方法。
题目一：周期信号频谱的分析
设计要求：周期电流、电压（统称其为信号）f(t)可展开为直流与各次谐波之和，即
式中W=2p/T是基波角频率，T为周期。
4.1
周期信号的有效值定义为
4.2
若用各谐波有效值
则表示为
全波整流电压Us(t)的波形如图13所示，用傅立叶级数可求得
可写出其展开式为（它只含直流和偶次谐波，令k=2n）
若Um=100V,频率f=50Hz,(相应的T=0.02S,w1=100p
rad/s),分别用式（4.1）和式（4.2）计算其有效值Us1和Us2（取至六次谐波），并求Us2的误差。
参考程序：clear,format
compact
Um=100;T=0.02;w=2*pi*5
方法一：按傅立叶分析定义计算
N=input(
取的谐波次数
N=
);
t=linspace(-T/2,T/2);dt=T/99;
u=Um*abs(sin(w*t));
for
k=0:N
a(k+1)=trapz(u.*cos(k*w*t))*dt/T*2;
b(k+1)=trapz(u.*sin(k*w*t))*dt/T*2;
A(k+1)=sqrt(a(k+1)^2+b(k+1)^2);
end
[[0:N],[A(1)/2,A(2:end)]
]
stem(0:N,[a(1)/2,A(2:end)])
Usll=sqrt(trapz(u.^2)*dt/T)
Us12=sqrt(A(1)^2/4+sum(A(2:end).^2/2))
方法二：按推导出的全波傅立叶分量公式计算
clear,format
compact
Um=100;T=0.02;w=2*pi*5
N=input(
取的谐波次数
N=
);
t=linspace(-T/2,T/2);dt=T/99;
u=Um*abs(sin(w*t));
Us21=Um*sqrt(trapz(sin(w*t).^2)*dt/T)
Us22=4*Um/pi*sqrt(0.5^2+0.5*sum((1./(4*[1:3].^2-1)).^2))
e=(Us21-Us22)/Us21
运行程序，按提示输入，
取的谐波次数
N=
10
Us21
=
17.9615
Us22
=
70.6833
e
=
-2.9353
半波信号的波形图如图4-1所示，半波信号的各谐波分量如图4-2所示
图4-1
半波信号的波形图
图4-2
半波信号的各谐波分量
题目二：非周期信号（方波）的频谱分析
设计要求：如图4-3a的矩形脉冲信号，求其在w=-40rad/s~40rad/s区间的频谱。
参考程序：clear
tf=10;
N=input(
N=
);
dt=10/N;
t=[1:N]*dt;
f=[ones(1,N/2),zeros(1,N/2)];
wf=input(
wf=
);
Nf=input(
Nf=
);
w1=linspace(0,wf,Nf);dw=wf/(Nf-1);
F1=f*exp(-j*tw1)dt;
w=[-fliplr(w1),w1(2:Nf)];
F=[fliplr(F1),F1(2:Nf)];
subplot(1,2,1),plot(t,f,linewidth,1.5),grid
subplot(1,2,2),plot(w,abs(F),linewidth,1.5),grid
程序运行结果：取时间分隔的点数N=256，需求的频谱宽度wf=40，需求的频谱点数Nf=64,得出图4-3b
图4-3a
时域信号
图4-3b
频谱图（采样密）
若取时间分隔的点数N=64，需求的频谱宽度wf=40，需求的频谱点数Nf=256,得出图4-4
图4-4
时域信号及其频谱图（采样稀，有频率泄漏）
三、思考题：
1、总结MATLAB在信号与系统中的常用函数。
2、周期信号与非周期信号的频谱分析方法是什么？
四、实验报告：
实验名称
班级
姓名
学号
1.实验目的。
2
.实验内容。
3.各题的建模、设计过程。
4.各题的执行参数和运行结果。
5.思考题。
篇3：北理工_数据分析_实验6_信号频谱分析与信号滤波
北理工_数据分析_实验6_信号频谱分析与信号滤波 本文关键词：信号，分析，滤波，频谱，实验
北理工_数据分析_实验6_信号频谱分析与信号滤波 本文简介：(封皮页)北京理工大学现代数据分析实验6实验报告主讲：李明学生：李经2012/11/143(目录页)实验6数据拟合16.1实验目的16.2实验内容16.2.1信号的频谱分析16.2.2滤波16.3实验代码及结果16.3.1信号的频谱分析t=0:1/fs:1;x=sin(2*pi*10*t)+sin(
北理工_数据分析_实验6_信号频谱分析与信号滤波 本文内容：
(封皮页)
北京理工大学
现代数据分析
实验6实验报告
主讲：李明
学生：李经
2012/11/14
3
(目录页)
实验6数据拟合1
6.1实验目的1
6.2实验内容1
6.2.1信号的频谱分析1
6.2.2滤波1
6.3实验代码及结果1
6.3.1信号的频谱分析
t
=
0:1/fs:1;
x
=
sin(2*pi*10*t)
+
sin(2*pi*100*t);
y
=
x
+
randn(size(t));
plot(y(1:50));
Y
=
fft(y,256);
Pyy
=
Y.*conj(Y)/256;
f
=
fs/256*(0:127);
figure(2);
plot(f,Pyy(1:128));
xlabel(
Frequency
(Hz)
)
figure(3);
plot(t,y);
[b,a]
=
ellip(4,0.1,40,[5
15]*2/fs);
sf
=
filter(b,a,y);
figure(4);
plot(t,sf);
axis([0
1
-1
1]);
结果：
图1.
噪声信号
图2.
功率谱
图3.
显示信号
图4.
滤波结果