信号与系统实验 [平装]

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《信号与系统实验》是国家级电工电子实验教学示范中心实验教材系列之一，是信号与系统实验教材，内容通俗易懂，使硬件实验和软件实验有机结合，可供高等院校电子及相关专业的师生阅读参考。

目录

前言
第1章 电信号的分解与合成
1.1 实验目的
1.2 实验仪器设备元器件
1.3 实验原理及说明
1.3.1 电信号的傅里叶级数
1.3.2 电信号频谱分量的观测
1.4 实验内容及步骤
1.4.1 波形的分解
1.4.2 波形的合成
1.5 实验注意事项
1.6 实验预习
1.7 实验总结
第2章 系统响应的观测
2.1 实验目的
2.2 实验仪器设备元器件
2.3 实验原理及说明
2.4 实验内容及步骤
2.4.1 观察一阶线性系统的零输入、零状态和完全响应
2.4.2 测量线性时不变系统的冲激响应和阶跃响应
2.4.3 观察一阶线性系统中,时间常数对系统响应的影响
2.5 实验注意事项
2.6 实验预习
2.7 实验总结
第3章 时域采样与恢复
3.1 实验目的
3.2 实验仪器设备元器件
3.3 实验原理及说明
3.4 实验内容及步骤
3.4.1 基本要求
3.4.2 设计性要求
3.5 实验注意事项
3.6 实验预习
3.7 实验总结
第4章 无源低通、高通滤波器设计与特性测试
4.1 实验目的
4.2 实验仪器设备元器件
4.3 实验原理及说明
4.3.1 定义
4.3.2 分类
4.3.3 幅频特性
4.3.4 RC无源低通滤波器频率特性
4.3.5 RC无源高通滤波器特性
4.4 实验内容及步骤
4.4.1 基本要求
4.4.2 设计性要求
4.5 实验注意事项
4.6 实验预习
4.7 实验总结
第5章 无源带通、带阻滤波器设计与特性测试
5.1 实验目的
5.2 实验仪器设备元器件
5.3 实验原理及说明
5.3.1 理想带通、带阻滤波器的频率特性
5.3.2 无源带通滤波器电路及其频率特性
5.3.3 无源带阻滤波器电路及其频率特性
5.4 实验内容及步骤
5.4.1 基本要求
5.4.2 设计性要求
5.5 实验注意事项
5.6 实验预习
5.7 实验总结
第6章 有源低通、高通滤波器设计与特性测试
6.1 实验目的
6.2 实验仪器设备元器件
6.3 实验原理及说明
6.3.1 二阶RC有源低通滤波器的电路
6.3.2 二阶RC有源高通滤波器的频率特性
6.4 实验内容及步骤
6.4.1 基本要求
6.4.2 设计性要求
6.5 实验注意事项
6.6 实验预习
6.7 实验总结
第7章 有源带通、带阻滤波器设计与特性测试
7.1 实验目的
7.2 实验仪器设备元器件
7.3 实验原理及说明
7.3.1 理想的带通、带阻滤波器的频率特性
7.3.2 有源带通滤波器电路及其频率特性
7.3.3 有源带阻滤波器电路及其频率特性
7.4 实验内容及步骤
7.4.1 基本要求
7.4.2 设计性要求
7.5 实验注意事项
7.6 实验预习
7.7 实验总结
第8章 状态轨迹的显示
8.1 实验目的
8.2 实验仪器设备元器件
8.3 实验原理及说明
8.4 实验内容及步骤
8.5 实验注意事项
8.6 实验预习
8.7 实验总结
第9章 基本运算单元电路实现
9.1 实验目的
9.2 实验仪器设备元器件
9.3 实验原理及说明
9.4 实验内容及步骤
9.4.1 基本要求
9.4.2 设计性要求
9.5 实验注意事项
9.6 实验预习
9.7 实验总结
9.8 运算放大器uA741和LM358引脚定义
第10章 连续时间系统的模拟
10.1 实验目的
10.2 实验仪器设备元器件
10.3 实验原理及说明
10.4 实验内容及步骤
10.4.1 基本要求
10.4.2 设计性要求
10.5 实验注意事项
10.6 实验预习
10.7 实验总结
第11章 MATLAB在信号与系统中的基本使用
11.1 实验目的
11.2 实验原理
11.3 MATLAB函数
11.4 实验内容与方法
11.5 实验要求
第12章 连续时间系统的频域分析
12.1 实验目的
12.2 实验原理
12.3 MATLAB函数
12.4 实验内容与方法
12.5 实验要求
第13章 连续时间系统的复频域分析
13.1 实验目的
13.2 实验原理
13.2.1 从傅里叶变换到拉普拉斯变换
13.2.2 单边拉普拉斯变换
13.2.3 常见函数的拉普拉斯变换
13.2.4 拉普拉斯变换性质
13.2.5 微分方程的变换解
13.2.6 系统函数
13.3 MATLAB函数
13.4 实验内容与方法
13.5 实验要求
第14章 离散时间系统的时域分析
14.1 实验目的
14.2 实验原理
14.2.1 差分方程的经典解
14.2.2 零输入响应和零状态响应
14.2.3 卷积和
14.2.4 差分方程的变换解
14.3 MATLAB函数
14.4 实验内容与方法
14.5 实验要求
第15章 离散时间系统的z域分析
15.1 实验目的
15.2 实验原理
15.2.1 从拉普拉斯变换到z变换
15.2.2 收敛域
15.2.3 z变换的性质
15.2.4 系统稳定性的判断
15.3 MATLAB函数
15.4 实验内容与方法
15.5 实验要求
第16章 FIR数字滤波器的设计
16.1 实验目的
16.2 实验原理
16.2.1 窗函数法
16.2.2 典型窗口函数介绍
16.2.3 频率抽样法
16.2.4 切比雪夫最佳一致逼近法
16.3 MATLAB函数
16.4 实验内容与方法
16.5 实验要求
第17章 IIR数字滤波器的设计
17.1 实验目的
17.2 实验原理
17.2.1 IIR滤波器与FIR滤波器的对比
17.2.2 IIR滤波器设计
17.2.3 IIR滤波器实现方法
17.3 MATLAB函数
17.4 实验内容与方法
17.5 实验要求
第18章 音频信号的噪声去除
18.1 实验目的
18.2 实验内容
18.3 MATLAB实验流程简图
18.4 实验任务
18.5 实验要求
18.6 相关MATLAB函数
附录A 实验测试基本知识
附录B MATLAB简介
附录C 如何建立并运行MATLAB程序文件
附录D MATLAB预定义变量与常用函数
参考文献

文摘

第1章电信号的分解与合成
1.1 实验目的
通过实验观测周期方波和三角波信号的频谱成分，学习和掌握用傅里叶级数进 行谐波分析的方法，加深对信号的傅里叶级数及傅里叶变换的认识和理解。
1.2 实验仪器设备元器件
实验所用仪器仪表如表1-1所示，由实验者自行概述各表的功能。
1.3 实验原理及说明
1.3.1 电信号的傅里叶级数
任何电信号都是由特定频率、特定幅度和初相的正弦波叠加而成的。
对于周期信号，只要其满足狄里赫利条件，都可将其展开为三角形式的傅里 叶级数
f（t）＝a0+a1cosω0t+a2cos2ω0t+…+ancosnω0t+…+b1sinω0t+b2sin2ω0t
+…+bnsinnω0t+…
＝a0+Σ
∞
n＝1
（ancosnω0t+bnsinnω0t）
式中，T为该信号的周期；ω0为该信号的基波频率。
a0＝1
T∫t0+T
t0
f（t）dt
an＝2
T∫t0+T
t0
f（t）cosnω0tdt
bn＝2
T∫t0+T
t0
f（t）sinnω0tdt
对于非周期信号（要求在无限区间内满足绝对可积条件），由于其周期T趋于无 穷大，则谱线的间隔趋于无限小，其频谱包含了从零到无穷大的所有频率成分，而其 每一频率分量的幅值趋向无穷小，但其相对大小（频谱密度）却是有限值且各不相同
f（t）＝1
2π∫∞
-∞F（jω）ejωtdω，F（jω）＝∫∞
-∞f（t）e-jωtdt
式中，F（jω）是表征非周期信号各频率分量的频谱（密度）函数。
由于不同性质的电信号，其三角形式或指数形式的傅里叶级数具有不同的展开 项。因此在实验前应对分解的电信号的傅里叶级数有所认识。
本实验仅对周期信号的各频率分量进行观察、比较和分析。
1.3.2 电信号频谱分量的观测
对于周期电信号可通过一个选频网络将该信号所包含的各个频率成分提取出 来。本实验采用的选频网络是最简单的―种，即LC谐振回路。对周期电信号波形
进行分解的实验电路如图1-1所示。
被测的电信号被加到谐振频率分别为基波和各次谐波的并联谐振回路中。从不 同的谐振回路两端用示波器可观察到相应的谐波分量波形。若被测信号是2kHz的 方波，由傅里叶级数展开式可知，应使LC分别谐振于2kHz、6kHz、10kHz、…，那么， 从各LC谐振回路两端即可观测到基波和各次谐波，且各次谐波的幅值比 为11
3
1
5…
方波波形的合成实验电路如图1-2所示。电信号通过选频网络（电路接法和 图1-1有变化），L1C1谐振于2kHz，产生波形合成所需的基波；L3C3谐振于6kHz，产 生波形合成所需的3次谐波；L5C5谐振于10kHz，产生波形合成所需的5次谐波。电 阻R1、R2、R3通过变换其电阻值，可调整其幅度，使其各次谐波的幅度分别为基波的 1/3、1/5。波形的合成最终由加法器来完成。
若在实验电路的R5与运算放大器反相端之间串一个1000pF电容，它使3次 谐波的初相发生变化，合成的波形跟着发生了变化，这种由于谐波相位变化而使合 成波形产生的失真称为“相位失真”；如移去R5，合成的波形中将缺少了一种频率 成分，合成的波形也发生了变化，这种由于缺少某种谐波而使合成波形产生的失真 称为“频率失真”。
实验中为选出方波的基波、3次谐波、5次谐波，选频电路的L1C1应谐振于 2kHz、L3C3谐振于6kHz、L5C5谐振于10kHz。选择的各器件参数如表1-2所示。
电容可选用与以上参数值相近的器件，电感的值可通过调节内插的硅钢芯的插 入深度来改变电感值，使最终获得满意的波形。
实际获得的波形基波较接近理想值，3次和5次谐波的波形与理想值有一些变 化，主要是有不等幅现象（正弦波的幅值大小不断变化），越是高次谐波越严重。提高 谐振Q值能减少这种现象。
1.4 实验内容及步骤
1.4.1 波形的分解
按照图1-1所示选择适当器件，在九孔方板上搭接实验电路。调节函数信号发 生器，使其输出电压峰峰值为2V、频率为2kHz的方波信号。
（1）调节LC并联谐振回路的电感值，使电路谐振于2kHz（此时波形幅值应为最 大），用示波器观测基波波形，测量此信号的幅值，记入表1-3。
（2）调节LC并联谐振回路的电感值使电路谐振于6kHz，用示波器观测3次谐 波波形，测量此谐波分量的幅值并记入表1-3。
（3）调节LC并联谐振回路的电感值使电路谐振于10kHz，用示波器观测5次谐 波波形，测量此谐波分量的幅值并记入表1-3。
1.4.2 波形的合成
（1）按照图1-2在九孔方板（2块）上排好器件，将LF353运放正确装入集成块插 座（注：LF353需双电源±10V供电，由实验台上的直流电压源提供）。
（2）调节函数信号发生器，使其输出峰峰值为2V、频率为2kHz的方波信号。
（3）用示波器观测选频电路L1C1两端波形，调节电感值使其谐振于2kHz。
（4）用示波器观测L3C3两端波形，调节电感值使其谐振于6kHz。
（5）用示波器观测L5C5两端波形，调节电感值使其谐振于10kHz。
（6）调节电位器R1、R2、R3的大小，使基波、3次、5次谐波的幅度比为113 15 。用 示波器观察并记录加法器输出端的波形。
（7）在R5和运放反相端间串一个1000pF电容，观察并记录“相位失真”。
（8）拔去电阻R5，观察并记录“频率失真”。
1.5 实验注意事项
1、在使用函数信号发生器时，要注意信号引出端的位置是否正确、输出信号类型 是否正确、波形幅值是否正确。
2、运放LF353插入集成块插座的方向必须正确，运放的缺口方向和插座的缺口 方向一致。加在运放上的±10V电源的极性必须正确，否则容易将运放烧毁。
1.6 实验预习
充分预习方波、三角波周期信号傅里叶级数各频谱分量的频率成分及其幅值的 大小关系。
1.7 实验总结
1、整理实验数据：基波及各次谐波的频率、幅度、相位。
2、用方格纸，在同一坐标系下绘制方波及其基波和各次谐波的波形（频率和幅度 应按比例关系画出），绘制由这三个谐波分量合成的波形并与理论值比较分析。
3、由实验观察的现象和实验后对波形的整理、合成情况讨论电信号的波形特点、 电信号的波形特性与其傅里叶级数的关系。
4、试分析观察到的三次、五次谐波为什么会出现与理论值不等幅现象？
5、若要观察三角波的分解与合成，实验电路应如何设计？
6、实验总结和体会。
第2章系统响应的观测
2.1 实验目的
1、研究一阶线性时不变系统的零输入响应、零状态响应和完全响应。
2、研究线性系统的线性特性。
3、研究线性系统的阶跃响应和冲激响应。
2.2 实验仪器设备元器件
实验所用仪器仪表如表2-1所示，由实验者自行概述各表的功能。
2.3 实验原理及说明
1.系统的时域分析
通过建立系统的时域数学模型――线性常系数微分方程来描述激励e（t）与响应 r（t）之间的关系。由于不需进行任何变换，对系统的分析和计算全部在时间变量域 中进行，通过直接求解系统的微积分方程而得，所以方法简单直观，物理概念清楚，是 一种常用的系统分析方法。

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