數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教程

前言

數(shù)字信號(hào)處理在通信、航空、航天、雷達(dá)、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)及可編程邏輯器件的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理的理論、算法及實(shí)現(xiàn)方式有了很大的提高。在傳統(tǒng)信號(hào)處理教材普遍使用MATLAB作為仿真工具的基礎(chǔ)上，本書極具特色地提供了DSP硬件實(shí)現(xiàn)和SOPC軟硬件結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式。本書緊密配合“數(shù)字信號(hào)處理”課程的理論教學(xué)，通過實(shí)驗(yàn)加深讀者對(duì)基本理論和基本概念的理解，充分反映了信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。本書應(yīng)用MATLAB仿真分析軟件，DSP處理器和SOPC開發(fā)系統(tǒng)以及相應(yīng)的配套軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，為了便于教師教學(xué)授課和讀者自學(xué)，本書每章都配有電子課件，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)給出了主程序或工程頂層文件或系統(tǒng)模型，實(shí)驗(yàn)思考題給出參考答案。全書共上、中、下三篇，分為8章，第1~2章為上篇；第3~5章為中篇；第6~8章為下篇，力求結(jié)構(gòu)清晰、層次分明、內(nèi)容翔實(shí)。在上篇中，第1章MATLAB快速入門介紹了數(shù)字信號(hào)處理工具箱中的相應(yīng)函數(shù)。通過這一部分的仿真學(xué)習(xí)，讀者能掌握各種數(shù)字信號(hào)及其運(yùn)算的MATLAB表示。第2章的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了離散信號(hào)的分析、采樣定理的驗(yàn)證、應(yīng)用FFT實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜分析、應(yīng)用FFT實(shí)現(xiàn)線性卷積、FIR和IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)以及MATLAB在語音信號(hào)處理中的應(yīng)用。這些內(nèi)容說明了用MATLAB進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的編程方法與技巧，強(qiáng)化了離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念，從而使讀者進(jìn)一步掌握時(shí)域信號(hào)與頻域信號(hào)的仿真與分析方法。在中篇中，第3、4章分別介紹了DSP綜合實(shí)驗(yàn)箱和集成開發(fā)環(huán)境CCS。第5章的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括CCS開發(fā)環(huán)境的使用、正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)、線性卷積算法的實(shí)現(xiàn)、快速傅里葉變換的實(shí)現(xiàn)、FIR和IIR濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)、DSP在語音信號(hào)及數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用。這些內(nèi)容，對(duì)于鞏固和深入理解所學(xué)知識(shí)，提高獨(dú)立思考、獨(dú)立分析問題的能力，都是十分有益的；同時(shí)，也能使讀者熟悉DSP芯片開發(fā)工具及其使用方法，掌握DSP系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方法，具備獨(dú)立從事DSP應(yīng)用開發(fā)的能力。在下篇中，第6、7章分別介紹了硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、VHDL語言的語法知識(shí)及SOPC設(shè)計(jì)工具的安裝和使用，第8章的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含8位加法器設(shè)計(jì)、正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)、快速傅里葉變換的實(shí)現(xiàn)、直接Ⅰ型和基于分布式算法的FIR濾波器設(shè)計(jì)、直接Ⅱ型和兩通路并行IIR濾波器設(shè)計(jì)以及SOPC在語音和圖像中的應(yīng)用。通過典型的應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證了SOPC 可以將 MCU、DSP 和 FPGA完美結(jié)合。通過在實(shí)驗(yàn)板相關(guān)開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號(hào)處理的基本功能，加深對(duì)課程內(nèi)容的理解，增加讀者的硬件知識(shí)進(jìn)而增強(qiáng)其動(dòng)手能力。本書是高等院校理工科的實(shí)驗(yàn)教材，可供從事數(shù)字信號(hào)處理研究和應(yīng)用的廣大技術(shù)人員學(xué)習(xí)和參考。讀者可將上、中、下三篇的內(nèi)容對(duì)照學(xué)習(xí)，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本書由張建平主編，戴詠夏、潘玲玲、王睿韜編寫。全書由張建平統(tǒng)稿。作者在編寫過程中參考了國內(nèi)外出版社的一些書籍、文獻(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)資料，在此特向這些文獻(xiàn)的作者表示感謝！本書參考了TI公司的TMS320系列DSP芯片和達(dá)盛科技公司EL-DSP-EXPII專家Ⅱ型教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱以及Altera公司DE2開發(fā)板附帶資料，在此致以誠摯的謝意！此外，特別感謝清華大學(xué)出版社給予的支持和幫助！為了方便讀者學(xué)習(xí)，本書配套提供了一張光盤，具體包括了本書實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所涉及的源程序文件以及各章節(jié)電子課件，希望為讀者的學(xué)習(xí)帶來便利。在本書編寫過程中，盡管作者盡了很大的努力，但疏漏之處在所難免，我們真誠希望使用本書的讀者，不吝指正，隨時(shí)給我們提出寶貴的意見，以期對(duì)本書進(jìn)一步進(jìn)行修訂、完善。

內(nèi)容概要

　　本書主要介紹了數(shù)字信號(hào)處理的基本理論、相應(yīng)的算法以及這些算法的軟件與硬件實(shí)現(xiàn)，是一本指導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)教材。全書共上、中、下三篇，分為8章：上篇為MATLAB實(shí)現(xiàn)，中篇為DSP實(shí)現(xiàn)，下篇為SOPC實(shí)現(xiàn)?！　￠_發(fā)的24個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋了離散信號(hào)的分析、正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)、采樣定理的驗(yàn)證、線性卷積算法的實(shí)現(xiàn)、快速傅里葉變換的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用、各種類型不同算法的FIR和IIR濾波器設(shè)計(jì)、語音信號(hào)處理及數(shù)字圖像處理等各個(gè)方面。每個(gè)實(shí)驗(yàn)由實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)思考題及實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求等組成，書后還附有所有實(shí)驗(yàn)思考題參考答案以及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)參考資料?！　⊥瑫r(shí)，本書介紹了MATLAB軟件工具的常用操作、集成開發(fā)環(huán)境CCS的使用方法、前沿的SOPC技術(shù)以及硬件編程語言VHDL的基本語法?！　榱朔奖憬虒W(xué)，本書所附光盤包含書中實(shí)驗(yàn)部分的MATLAB源代碼文件、DSP項(xiàng)目文件和DSP Builder模型及SOPC工程頂層文件，以及所有章節(jié)的電子教案，向采納本書作為實(shí)驗(yàn)教材的教師免費(fèi)提供?！　”緯勺鳛楦叩仍盒ｋ娮有畔⒐こ?、通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)、自動(dòng)控制工程、自動(dòng)化等專業(yè)本科生或低年級(jí)研究生數(shù)字信號(hào)處理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)用書，也可作為其他理工科相關(guān)專業(yè)教師和學(xué)生的參考書，同時(shí)可供工程技術(shù)人員參閱。

書籍目錄

上篇 MATLAB實(shí)現(xiàn)　第1章 MATLAB快速入門　　1.1 MATLAB簡介　　1.2 MATLAB的使用　第2章 基于MATLAB實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)　　2.1 學(xué)習(xí)使用MATLAB　　2.2 離散信號(hào)的分析　　2.3 采樣定理的驗(yàn)證　　2.4 應(yīng)用FFT實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜分析　　2.5 應(yīng)用FFT實(shí)現(xiàn)線性卷積　　2.6 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)　　2.7 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)　　2.8 MATLAB在語音信號(hào)處理中的應(yīng)用中篇 DSP實(shí)現(xiàn)　第3章 DSP綜合實(shí)驗(yàn)箱　　3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)　　3.2 系統(tǒng)硬件模塊　　3.3 硬件仿真系統(tǒng)　第4 章集成開發(fā)軟件CCS　　4.1 CCS簡介　　4.2 CCS的安裝　　4.3 CCS的設(shè)置　　4.4 CCS的使用　第5章 基于DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)　　5.1 CCS的使用和調(diào)試　　5.2 正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)　　5.3 線性卷積算法的實(shí)現(xiàn)　　5.4 快速傅里葉變換的實(shí)現(xiàn)　　5.5 FIR濾波器的設(shè)計(jì)　　5.6 IIR濾波器的設(shè)計(jì)　　5.7 DSP在語音信號(hào)處理中的應(yīng)用　　5.8 DSP在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用下篇 SOPC實(shí)現(xiàn)　第6章 SOPC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介　　6.1 系統(tǒng)硬件單元　　6.2 硬件描述語言基礎(chǔ)　第7章 SOPC設(shè)計(jì)工具　　7.1 軟件的安裝　　7.2 軟件的使用　第8章 基于SOPC實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)　　8.1 開發(fā)環(huán)境Quartus Ⅱ　　8.2 正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)　　8.3 快速傅里葉變換的實(shí)現(xiàn)　　8.4 直接Ⅰ型FIR濾波器設(shè)計(jì)　　8.5 基于分布式算法的FIR濾波器設(shè)計(jì)　　8.6 直接Ⅱ型IIR濾波器設(shè)計(jì)　　8.7 兩通路并行IIR濾波器設(shè)計(jì)　　8.8 SOPC在語音和圖像中的應(yīng)用附錄A 基于MATLAB數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)部分　　A.1 實(shí)驗(yàn)中用到的一些子程序　　A.2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的參考程序　　A.3 實(shí)驗(yàn)思考題參考答案附錄B 基于DSP數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)部分　　B.1 實(shí)驗(yàn)中用到的一些子程序　　B.2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的參考程序　　B.3 實(shí)驗(yàn)思考題參考答案附錄C 基于SOPC數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)部分　　C.1 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)參考資料　　C.2 實(shí)驗(yàn)思考題參考答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展到今天，科學(xué)計(jì)算在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在科學(xué)研究和工程應(yīng)用的過程中，諸如控制論、時(shí)間序列分析、系統(tǒng)仿真、圖像信號(hào)處理等方面產(chǎn)生了大量的矩陣及其相應(yīng)的計(jì)算問題，往往需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，傳統(tǒng)的紙筆和計(jì)算器已經(jīng)不能滿足海量計(jì)算的要求。通過編寫繁復(fù)的計(jì)算程序，不僅會(huì)消耗時(shí)間和精力，減緩工作進(jìn)程，而且往往質(zhì)量不高。一些技術(shù)人員嘗試用Basic、Fortran以及C語言編制程序來減輕計(jì)算的工作量，但編制程序不僅需要掌握所用語言的語法，還需要對(duì)有關(guān)算法進(jìn)行深入分析，致使科學(xué)工作者在編程上花費(fèi)過多時(shí)間。為了滿足用戶對(duì)工程數(shù)學(xué)計(jì)算的要求，一些軟件公司相繼推出了一批數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件，如MATLAB、Xmath、Mathematica、Maple等。其中，Mathworks公司推出的MATLAB（即Matrix和Laboratory的前三位字母組合）以其強(qiáng)大的功能和易用性受到越來越多的科技工作者的歡迎。MATLAB起初是作為矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）提供對(duì)LINPAcK和EISPACK（LINPACK是解線性方程的Fortran鏈接庫，EISPACK是解特征值問題的Fortran鏈接庫）矩陣軟件包接口與Basic、Fortran以及C語言比較，MATLAB的語法規(guī)則更簡單，編程特點(diǎn)更貼近人的思維方式，在工程計(jì)算方面的編程效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他編程語言。MATLAB的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是矩陣。

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