信号与系统matlab实验（精选10篇）
MATLAB 综合实验 项目二
连续系统的频域阐发 目的：
周期信号输入连续系统的响应可用傅里叶级数阐发。由于盘算历程啰嗦，最适适用MATLAB 盘算。通过编程实现对输入信号、输出信号的频谱和时域响应的盘算，认识盘算机在系统阐发中的作用。
任务：
线性连续系统的系统函数为11)(jj H，输入信号为周期矩形波如图 1 所示，用MATLAB 阐发系统的输入频谱、输出频谱以及系统的时域响应。
-3-2-1 0 1 2 300.511.52Time(sec)
图 1
要领：
1、确定周期信号 f(t)的频谱nF。基波频率 Ω。
2、确定系统函数 )( jn H。
3、盘算输出信号的频谱
n nF jn H Y )(
4、系统的时域响应
nt jnn eY t y)（MATLAB 盘算为
y=Y_n*exp(j*w0*n“*t);
要求（画出 3 幅图）：
1、在一幅图中画输入信号 f(t)和输入信号幅度频谱|F(j)|。用两个子图画出。
2、画出系统函数的幅度频谱|H(j)|。
3、在一幅图中画输出信号 y(t)和输出信号幅度频谱|Y(j)|。用两个子图画出。
解:(1)阐发盘算：
输入信号的频谱为
(n)输入信号最小周期为 =2，脉冲宽度，基波频率Ω=2π/ =π，所以
(n)系统函数为
因此
输出信号的频谱为
系统响应为
(2)步伐：
t=linspace(-3,3,300);
tau_T=1/4;
%
n0=-20;n1=20;
n=n0:n1;
%盘算谐波次数20
F_n=tau_T*Sa(tau_T*pi*n);
f=2*(rectpuls(t+1.75,0.5)+rectpuls(t-0.25,0.5)+rectpuls(t-2.25,0.5));
figure(1),subplot(2,1,1),line(t,f,”linewidth“,2);
%输入信号的波形 axis([-3,3,-0.1,2.1]);grid on
xlabel(”Time(sec)“,”fontsize“,8),title(”输入信号“,”fontweight“,”bold“)%设定字体巨细，文本字符的粗细
text(-0.4,0.8,”f(t)“)
subplot(2,1,2),stem(n,abs(F_n),”.“);
%输入信号的幅度频谱 xlabel(”n“,”fontsize“,8),title(”输入信号的幅度频谱“,”fontweight“,”bold“)
text(-4.0,0.2,”|Fn|“)
H_n=1./(i*n*pi+1);
figure(2),stem(n,abs(H_n),”.“);
%系统函数的幅度频谱 xlabel(”n“,”fontsize“,8),title(”系统函数的幅度频谱“,”fontweight“,”bold“)
text(-2.5,0.5,”|Hn|“)
Y_n=H_n.*F_n;y=Y_n*exp(i*pi*n”*t);
figure(3),subplot(2,1,1),line(t,y,“linewidth”,2);
%输出信号的波形 axis([-3,3,0,0.5]);grid on
xlabel(“Time(sec)”,“fontsize”,8),title(“输出信号”,“fontweight”,“bold”)
text(-0.4,0.3,“y(t)”)
subplot(2,1,2),stem(n,abs(Y_n),“.”);
%输出信号的幅度频谱 xlabel(“n”,“fontsize”,8),title(“输出信号的幅度频谱”,“fontweight”,“bold”)
text(-4.0,0.2,“|Yn|”)
(3)波形：
-3-2-1 0 1 2 300.511.52Time(sec)输 入 信 号f(t)-20-15-10-5 0 5 10 15 2000.10.20.30.4n输 入 信 号 的 幅 度 频 谱|Fn|-20-15-10-5 0 5 10 15 2000.10.20.30.40.50.60.70.80.91n系 统 函 数 的 幅 度 频 谱|Hn|
-3-2-1 0 1 2 300.10.20.30.4Time(sec)输 出 信 号y(t)-20-15-10-5 0 5 10 15 2000.10.20.30.4n输 出 信 号 的 幅 度 频 谱|Yn|
项目三
连续系统的复频域阐发 目的：
周期信号输入连续系统的响应也可用拉氏变更阐发。用 MATLAB 的标记盘算成果，通过编程实现对系统瞬态响应和稳态响应的阐发，加深理解拉氏变更在阐发系统中的作用。
任务：
线性连续系统的系统函数为11)(ss H，输入信号为周期矩形波如图2所示，用MATLAB阐发系统的响应和稳态响应。
0 1 2 3 4 5 6 700.511.52Time(sec)
图 2
要领：
1、确定第一个周期拉氏变更)(0s F。
2、确定前 6 个周期的拉氏变更)(s F。
3、盘算输出信号的拉氏变更)()()(s F s H s Y
4、系统的时域响应)()(s Y t y
MATLAB 盘算为
y=ilaplace(Y);5、系统的稳态响应和稳态值，即经过 4 个周期后，系统响应趋于稳态，两个稳态值可取为
t=8s 和 t=8.5s
要求：
1、画出输入信号 f(t)波形。
2、画出系统输出信号 y(t)的波形。
3、画出系统稳态响应 yss(t)的波形，4 个周期后。并盘算出稳态值。
解:(1)步伐 syms s;
H=1/(s+1);
F0=1/s*(1-exp(-0.5*s));
%输入信号第一个周期的laplace变更
F=F0+F0*exp(-2*s)+F0*exp(-4*s)+F0*exp(-6*s);
Y=H.*F;
Y0=H.*F0;
y=ilaplace(Y);
y=simple(y);
t=linspace(0,12,300);
f=2*(rectpuls(t-0.25,0.5)+rectpuls(t-2.25,0.5)+rectpuls(t-4.25,0.5)+rectpuls(t-6.25,0.5));
yn=subs(y);
%标记替换
figure(1),plot(t,f,“linewidth”,2);
axis([0,7,-0.2,2.2]),xlabel(“Time(sec)”,“fontsize”,8),title(“输入信号”,“fontweight”,“bold”)
text(3.0,1.0,“f(t)”)
figure(2),plot(t,yn,“linewidth”,2);
axis([0,7,-0.1,0.5]),xlabel(“Time(sec)”,“fontsize”,8),title(“输出信号”,“fontweight”,“bold”)
text(3.0,0.3,“y(t)”)
figure(3),plot(t,yn,“linewidth”,2);
axis([8,12,-0.1,0.5]),xlabel(“Time(sec)”,“fontsize”,8),title(“输出信号稳态响应”,“fontweight”,“bold”)
text(10.0,0.2,“ys(t)”)
t=8:0.5:8.5;
%取t=8s和t=8.5两个稳态值
ys=subs(y,t,“t”);
disp(“输入为周期信号的响应的第一个周期”);
y0=ilaplace(Y0);
pretty(y0);
%标记输出类似数值形式
disp(“输出稳态周期信号的两个值”);
ys
(2)波形
0 1 2 3 4 5 6 700.511.52Time(s ec)输 入 信 号f(t)
0 1 2 3 4 5 6 7-0.100.10.20.30.4Time(sec)输 出 信 号y(t)8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12-0.100.10.20.30.4Time(sec)输 出 信 号 稳 态 响 应ys(t)
命令窗口显示：
输入为周期信号的响应的第一个周期
heaviside(t-1/2)(exp(1/2-t)-1)-exp(-t)+ 1 输出稳态周期信号的两个值 ys =
0.1015
为了达到好的教学效果,课程实验是不可缺少的。由于受硬件电路与元器件性能的限制,硬件电路实验的灵活性与实时性较差,影响了学生对理论与概念的深入理解与掌握。在本文中,我们基于MATLAB软件设计并开发了一套信号与系统实验系统。
1、《信号与系统》课程介绍
《信号与系统》课程是一门实践性较强的课程,其基本方法和原理广泛应用于计算机信息处理的各个领域[1]。但由于信号与系统课程本身的特点及教学方法和手段的单一,信号与系统却长期处于教师难教、学生难学的境况中[3,4]。教与学的矛盾主要表现在以下三个方面:
(1)该课程对高等数学要求较高。课程中的很多理论结果来源于复杂的数学运算及推导,这就导致教师在教和学生在学的时候将很多时间用于数学推导(如微分、积分等),而忽视了理论结果在信号处理中的实际应用。
(2)课程中信号分析的结果缺乏可视化的直观表现,例如给出一个复杂的信号,学生不能直接看到该信号的波形;信号频谱特性或系统的响应只能推导得到不易理解的数学表达式,而无法直观地看到波形显示。这些都严重影响了学生对所学知识的理解.
(3)教材内容偏重理论,相关理论的最新应用实例介绍不够,容易造成理论和实践分离。因此,该课程迫切需要在实验环境中,帮助学生完成数值计算、信号分析的可视化建模及仿真调试。
2、MATLAB简介
MATLAB是matrixlabortory(矩阵实验室)的缩写,是一套功能十分强大的工程计算及数据分析软件,它的应用范围覆盖了工业、电子、医疗、建筑等多个领域。同时它也是一种交互式、面向对象的程序设计语言,其结构完整,具有优良的移植性。它主要用于矩阵运算,同时在数据分析、自动控制、数字信号处理、绘图等方面具有强大的功能[2,3]。
它的主要特点有以下几点:
(1)运算功能强大,MATLAB的数值运算要素不是单个数据,而是矩阵,每个元素都可看作复数,运算包括加、减、乘、除、函数运算等;通过MATLAB的符号工具箱,还可以解决在数学、应用科学和工程计算领域中常常遇到的符号计算问题。
(2)完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化。
(3)人机界面友好,编程效率高;MATLAB的命令表达方式与标准的数学表达式非常相近,使学者易于学习和掌握。
(4)功能丰富的应用工具箱,大量针对各专业应用的工具箱的提供,使MATLAB适用于不同领域。
(5)S i m u l i n k动态仿真功能,MATLAB的Simulink提供了动态仿真的功能,用户通过绘制框图来模拟一个线性、非线性、连续或离散的系统,通过Simulink能够仿真并分析该系统。
MATLAB的上述特点,使它深受工程技术人员及科技专家的欢迎,并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真、教学等领域不可缺少的基础软件。基于以上考虑,我们以MATLAB为平台设计并开发一套信号与系统实验软件。
3、《信号与系统》实验系统的设计
3.1系统的特点
《信号与系统》实验系统充分利用了交互式人机界面和计算机快速运算的特点,同时运用了MATLAB的数值分析及计算结果可视化、信号处理工具箱的强大功能。实验系统共设立三类实验:验证性实验着重于对“信号与系统”课程的重要原理和知识点进行验证,巩固所学知识点;研究性实验要求学生通过对比不同的实验现象,提高他们提出问题,分析问题,解决问题的能力,培养其对知识进行探索的兴趣;综合设计性实验涵盖“信号与系统”的重要知识点,并将这些知识点有机结合起来,学生在做实验的过程中对所学知识进行融会贯通。
验证性实验和研究性实验有统一的用户界面,学生可以选择实验内容设置相应的参数来观看实验结果,同时要求学生读懂实验中所使用的关键MATLAB代码。综合设计性实验要求学生掌握基本的MATLAB编程,实际动手编程以达到相应的实验效果,使学生增强了动手能力。通过实验,学生对知识的掌握是一个从验证性实验、研究性实验到综合设计性实验,从观察演示结果到自主设计开发实验的过程。
本系统主要分为连续信号及系统实验和离散信号及系统实验两大部分。连续信号及系统实验中,验证性实验包括连续信号的波形及运算;研究性实验包括系统的零状态响应和系统的冲激响应与阶跃响应;综合性实验包括系统的频率特性分析、s域分析和滤波器的设计。在离散信号及系统实验中,验证性实验包括离散信号的波形及运算;研究性实验包括系统的零状态响应和系统的冲激响应和阶跃响应;综合性实验包括离散时间系统的z域分析和离散傅立叶变换和逆变换。实验体系如图1所示。
3.2实验实例及代码分析
下面各选择一个验证性实验,研究性实验和综合性实验为例介绍实验系统的用户界面和设计代码。
3.2.1验证性实验
验证性实验针对原理性和抽象性强的知识点,进行原理性演示和验证,实现抽象原理到具体演示的形象转换,实验应尽量涵盖课程的重要知识点。这类实验相对简单,属于基本训练实验。它的目的是加强学生对信号与系统所学理论知识的巩固。
例如对于连续信号和离散信号的波形,学生一直没有直观的认识。通过实验界面学生可以选择想要观察的信号,如抽样信号,在实验窗口中输入相关的参数,就可以观察到信号的波形,如图2所示。
验证性实验有效地弥补了理论教学缺乏形象、具体的缺点,为学生提供了直观的概念解释和原理验证过程,同时实验尽量涵盖了“信号与系统”课程的重要知识点,使学生对本课程的重点知识进行了回顾和加深。
3.2.2研究性实验
研究性实验不是单一的验证某个结果,而是要设计多组实验,得出多个实验现象,让学生对这些实验现象进行比较,发现其中的问题,用所学的知识点来解释或解决问题,或是让学生改变实验中的某些参数,看这些参数对结果的影响。这类实验旨在传达给学生研究的方法,培养其探索知识的兴趣。这里所选的实验内容和实验参数要具有可扩展性、可跟踪性,并且难易程度适中,能适合大多数学生。
例如求解连续系统的冲激响应,当系统对应的微分方程不同时,冲激响应也不同。连续系统的冲激响应实验界面如图3所示,学生可以选择连续系统的阶数,以二阶系统为例,单击冲激响应下的“二阶系统”按钮,进入二阶系统的冲激响应界面,如图4所示。学生可以输入微分方程的系数,单击“计算”按钮,则可以在界面上画出该微分方程对应系统的冲激响应的波形,使得学生可以直观看到给定的连续系统的冲激响应。
关键代码如下所示:
其中微分方程的LTI系统模型sys要借助MATLAB中的tf函数来获得,其调用形式为:sys=tf(b,a),b和a分别为微分方程右端和左端各项的系数向量。系统冲激响应可以用控制系统工具箱提供的函数impulse,其调用形式为:y=impulse(sys,t)。
研究性实验让学生对信号与系统学习中碰到的问题进行探索,提高了学生的研究能力,同时学生通过比较不同的实验结果,了解到实验过程中任何一个参数或条件的细微变化都可能造成实验结果的截然不同,训练了科学规范的思维。同时阅读实验中的关键代码使得学生通过实验实例学习MATLAB编程,为后面综合性实验做准备。
3.2.3综合性实验
综合性实验综合信号与系统的知识点,将部分分散的理论知识点进行有机整合,同时与其他课程或实际系统相联系,拓宽和加深学生的知识,实现从知识点到知识面的过渡,培养学生的创新性和科研素质。
在连续系统的频域特性分析实验中,学生可以在MATLAB中仿照实验例子画出连续系统的频域特性曲线。例如三阶的Butterworth低通滤波器的频率响应为:
其中,MATLAB信号处理工具箱提供了freqs函数可以直接计算系统的频率响应,它的一般调用形式为:H=freqs(b,a,w),式中b为中分子多项式的系数向量,a为分母多项式的系数向量,w为需要计算的的频率抽样点向量(w中至少需包含2个频率点,w的单位为rad/s)。
如果没有输出参数直接调用freqs函数,则MATLAB会在当前绘图窗口中自动画出幅频和相频响应曲线图形。程序运行结果如图5所示:
学生可以仿照该例子做出其他连续时间系统(如
的频率响应的幅值和相位特性曲线。由此可见,综合设计性实验通过将零散的知识点整合起来,能够综合和总结知识,实现学生对知识系统性的掌握,同时锻炼了学生MATLAB编程的能力。
4、结论
本文提出并实现了基于MATLAB的信号与系统实验系统,该系统将信号与系统实验分为验证性实验,研究性实验和综合设计性实验。实验系统对学生学好信号与系统的课程具有很好的辅助作用。在实验过程中,学生可以在实验界面随意修改实验参数,比较实验结果,从而达到加深学习信号与系统中关键知识点的目的;同时可通过学习MATLAB编程语言自行设计系统进行模拟,从而加强了学生的综合设计能力。
参考文献
[1]郑君里,杨为理,应启珩.信号与系统[M].第2版.北京:人民出版社.2000
[2]张智星.MATLAB程序设计与应用[M].北京:清华大学出版社.2002
[3]王红梅,黄华飞,唐春霞.MATLAB软件在信号与系统实验中的应用[J].广西轻工业.2007.6,pp:55-56
关键词：信号处理；MATLAB；图形用户界面；实验软件
引言
信号处理类课程是高等院校电气信息学科学生的必修课程，它不仅是电类专业和信息类专业的一门专业基础课程，而且也是工科学生受益较多的一门课程。但是这类课程的许多理论都基于繁琐的数学理论和数学推导，因此容易使学生感到乏味。为了提高学生学习的效率，需要借助实验手段来帮助学生理解课堂所学理论。
MATLAB是有美国MathWorks公司推出的一个为工程计算和数据分析而专门设计的高级交互式软件包，利用它能容易地解决在系统仿真领域教学与研究中遇到的问题；不仅如此，它还提供了用户可编程设计的图形用户界面(Graphical UserInterface，简写为GUI)设计工具，为课堂实验教学和实验仿真提供了十分有效的手段。基于此，本文利用MATLAB的可视化图形用户界面(GuI)工具，设计实验系统的图形用户界面的总体结构。本系统能够用于完成相关的信号处理实验。
1设计的基本内容
本设计有以下特点：
(1)具有序列的基本计算、基本信号的产生、数据采集、卷积、傅里叶变换、z变换以及FIR和IIR滤波器等功能。
(2)界面可视性强，操作简单方便。
(3)具有数据输入输出、图形输出、数据修改和文件保存、打印等功能，系统内容丰富，实验效率高，结果直观易懂、便于分析。
(4)系统易于扩展新的实验项目。
2系统总体设计步骤
在本系统的设计中，界面布局设计采用自顶向下的设计方法，即先设计引导界面和主界面，再设计各个实验子界面。界面设计完成后，只是一些静态的画面而已，没有什么内涵，还不能用于实验操作，要想达到实验目的，必须借助于函数调用。在设计中，各个回调函数的编写顺序则是采用自底向上的设计方法，即先编制各个实验子界面的回调函数，再编写主界面和引导界面的回调函数。
其设计的具体步骤如下：
(1)运用MATLAB的图形用户界面(GuI)设计方法，设计整个实验系统的开始引导界面、实验主界面及其实现信号处理课程中具体实验的各个子界面；
(2)运用MATLAB的图形用户界面(GUD设计方法，设计系统的说明界面及其各个实验的说明界面；
(3)分别编写各个子界面的各个控件对象的回调函数，来实现控件相应控制功能，达到直接通过界面上各个控件就可以控制数据的输入输出，并可以方便地对实验结果的数据及其图形进行读取和分析的目的；
(4)编写主界面的回调函数，将各个实验子界面整合在信号处理系统实验主界面中，即通过主界面就可以进入任何一个实验子界面进行实验；
(5)编写开始引导界面的回调函数，实现从引导界面直接进入主界面。
3实验系统的设计及实现
3．1实验系统的设计
本实验系统整体结构设计由两部分组成：界面模块设计和菜单模块设计。其中，界面模块总共包括十个模块：开始引导模块、主模块、说明模块、序列基本计算模块、基本信号的产生模块、数据采集模块、卷积模块、傅里叶变换模块、z变换模块、滤波器设计模块。一些实验界面模块下面又有下一级实验界面模块，如滤波器设计模块下面还有FIR滤波器设计模块和IIR滤波器设计模块，其中FIR滤波器模块又包含FIR滤波器线性的判断实验界面、窗函数的频率响应实验界面和FIR滤波器的设计实验界面；IIR滤波器模块又包含完全IIR滤波器的设计实验界面和典型ILR滤波器实验界面；主界面中还包含了说明模块。在菜单设计时，在实验子界面中除使用系统约定的菜单条外，还增加了几个控制背景和退出实验的菜单；引导界面中不使用菜单；主界面中将所有实验项目做成菜单的形式，只要通过选择相应的菜单选项，就可以进入实验。
系统的整体结构如图1所示。
3．2实验系统的实现
没计出的主界面是用于进入信号处理各个实验子界面的。它使用菜单及其一些按钮控件来实现，将各个实验子界面有机地联系到一起，使界面美观，易于操作。实验系统主界面如图2所示。
在图2界面中，用户可以通过选择菜单中相应的项，进入相应的实验界面来进行实验。可以进行的实验包括以下几种：序列的基本计算、基本信号的产生、数据采集、卷积、傅里叶变换、z变换、FIR及IIR滤波器的设计等。此外，界面上还设计有各个实验的简要说明控件，用户在进行实验之前，可以先单击相应的说明控件，来阅读相关实验的简要信息。
4结束语
野外获得的重力数据要作进一步处理和解释才能解决所提出的地质任务﹐主要分3个阶段﹕野外观测数据的处理﹐并绘制各种重力异常图﹔重力异常的分解(应用平均法﹑场的变换﹑频率滤波等方法)﹐即从叠加的异常中分出那些用来解决具体地质问题的异常﹔确定异常体的性质﹑形状﹑产状及其他特征参数。解释
解释分为定性的和定量的两个内容﹐定性解释是根据重力图并与地质资料对比﹐初步查明重力异常性质和获得有关异常源的信息。除某些构造外﹐对一般地质体重力异常的解释可遵循以下的一些原则﹕极大的正异常说明与围岩比较存在剩馀质量﹔反之﹐极小异常是由质量亏损引起的。靠近质量重心﹐在地表投影处将观测到最大异常。最大的水平梯度异常相应于激发体的边界。延伸异常相应于延伸的异常体﹐而等轴异常相应于等轴物体在地表的投影。对称异常曲线说明质量相对于通过极值点的垂直平面是对称分布的﹔反之﹐非对称曲线是由于质量非对称分布引起的。在平面上出现几个极值的复杂异常轮廓﹐表明存在几个非常接近的激发体。定量解释是根据异常场求激发体的产状要素建立重力模型。一种常用的反演方法是选择法﹐即选择重力模型使计算的重力异常与观测重力异常间的偏差小于要求的误差。
由于重力反演存在多解性﹐因此﹐必须依靠研究地区的地质﹑钻井﹑岩石密度和其他物探资料来减少反演的多解性。应用运用领域
在区域地质调查﹑矿产普查和勘探的各个阶段都可应用重力勘探﹐要根据具体的地质任务设计相应的野外工作方法。应用条件
应用重力勘探的条件是﹕被探测的地质体与围岩的密度存在一定的差别﹔被探测的地质体有足够大的体积和有利的埋藏条件﹔干扰水平低。意义 重力勘探解决以下任务﹕
1、研究地壳深部构造﹔研究区域地质构造﹐划分成矿远景区﹔
2、掩盖区的地质填图﹐包括圈定断裂﹑断块构造﹑侵入体等﹔
3、广泛用于普查与勘探可燃性矿床(石油﹑天然气﹑煤)﹐
4、查明区域构造﹐确定基底起伏﹐发现盐丘﹑背斜等局部构造﹔
5、普查与勘探金属矿床(铁﹑铬﹑铜﹑多金属及其他)﹐主要用于查明与成矿有关的构造和岩体﹐进行间接找矿﹔
实验报告
实验名称：造纸机械状态信号采集与系统分析
学生姓名：
班
级： 学
号：
实验时间：2015 年 1月 15日
地 点：逸夫楼 7B429 指导老师：张 辉 1 《造纸机械状态检测与故障诊断》
教 学 实 验 纲 要
第一部分
实验简介
一、实验名称
造纸机械状态信号采集与系统分析
二、实验目的
1、课程情况：
制浆造纸装备状态监测与故障监测学是现代化造纸机械运行和管理必不可少的新的技术理论，是制浆造纸装备与控制专业本科(专科)、轻化工程高职本科必修的一门专业基础课，也是制浆造纸工艺本科、其它专业的选修课。
2、实验目的、意义
(1)(综合)设计型实验教学方案，使学生一方面变被动为主动，将课堂上理论性较强的、甚至抽象的内容通过主动设计实验方案并在实验的具体的演示表达出
来，可以深化理解、巩固课堂内容；
(2)另一方面可以在实验中了解“制浆造纸装备状态监测与故障监测”的一些基本应用原理和方法，培养和提高学生分析问题和解决问题的能力及科研能力。
三、实验内容
㈠CRAS信号与振动分析系统原理与应用实验（4学时）
1、了解CRAS(随机信号与振动分析系统)实验系统单元组成和其组装方法、条件要求；
2、掌握CRAS软件分析系统的基本使用方法；
3、周期信号的生成方法，非周期信号(随机信号)的生成方法与采集；
(1)正弦信号发生器(QL仪器自带200Hz)；掌握方法及记录信号特征如：峰值、峰峰值、有效值等。
(2)实时数据采集和显示。掌握方法及记录信号特征如：峰值、峰峰值、有效值等。
4、二通道信号非周期信号(随机信号)的基本分析（用力锤法电荷输入，用ICP传感器电压输入两种情形组合。ICP又可在模拟转子上以不同转速和模轴承上不同转速实验分析）
(1)波形回放；(2)频谱分析；(3)相关分析；(4)概率分析；(5)系统分析。
㈡ 造纸机械典型状态信号采集与分析处理综合实验（12学时）
四、实验主要器材及说明
实验用主要器材——最简单的、完备的振动等信号测试系统(一)实验主要器材
1、信号源部分 ⑴
0.5力锤及传感器，一套，北京702所；
⑵ CA-YD-107加速度计二只，扬无二厂。
2、AD数据采集卡 ⑴
QLl08R数据采集箱一台，信号线四根，电源线一根； ⑵ QL-02lA--路电荷，电压放大器一台。
3、CRSA软件包分析系统
(1)ADCRAS数据采集软件；
(2)SSCRAS信号与系统分析软件；(3)MACRAS机械模态分析软件；
4、ZT-3型转子振动模拟试验台
5、轴承模拟试验台
6、微型计算机(PC)
7、打印机(通用)(二)实验主要器材说明 1、5200系列测力锤(瞬态激振信号源)主要由锤体、测力计、锤头、输出线(信号线)组成。①
原理
激振是用测力锤敲击被测物件实现。
响应传递函数：H(f)=A(t)／F(f)
H(f)取决于测力锤强度及脉冲脉宽、被测物件内在结构特征（响应输出）。② 结构
图1 测力锤结构示意图
图2 不同锤头敲击的不同波形
图3 测试方框图 2、5100系列传感器（单向压力式）①主要结构
石英晶体片
1、导电片
2、传力板
3、外壳
4、插芯
5、插座6为圆环形。
图4 5100传感器结构原理图
②工作原理
a、石英晶体片特征为当受均匀外力时，其表面产生与外力成正比的电荷；
b、测力锤敲击而受均匀外力在力传感器的环形承压面上时，石英晶体片表面产生与外力成正比的电荷由导电片接收，传到插芯，通过连接导线连到电荷放大器，输出成比例的电压信号。
c、为了使外力均匀作用在传感器的环形承压面上，传感器的上下接触面精密加工、抛光后，使之平坦、刚硬。
3、CA-YD-107/美国产IMI加速度计（传感器）原理：
①压阻式加速度传感器实质是一个力传感器：F＝ma
②利用硅的压阻效应
固体材料在应力作用下发生形变时，其电阻率发生变化，这种效应称压阻效应。
特点：灵敏度高、简单、低功耗、响应速度快、可靠性好、精度高、便宜。IMI加速度计（传感器）：ICP--6080A11
4、OL-108R数据采集箱 A、功能：
⑴QL-108R是集A／D转换、信号输入为一体的数据采集接口装置。⑵进行二路无相差并行采样，最高采样频率51.2KHz。
⑶QL-108R可以程控放大，对输入信号进行X1、X4、X8、X16倍放大。
⑷QL-108R自带信号发生器，可以产生一个200Hz、峰峰值4V的标准正弦波以供测
试。B、使用：
⑴后面板上25芯计算机插口与计算机打印口连接； ⑵在后面板上拨动开关(采集OR打印)；
⑶用标准电缆将QL-108R后面板上25芯计算机插口与打印机插口连接 ⑷运行CRAS系统 ①采集分析
计算机开机——按下QL-108R前面板上电源开关，处于开机状态
面板上拨动开关至采集——进入CRAS系统子目录，运行具体子程序——采集分析数据。
②数据报告打印
在后面板上拨动开关至打印——选择数据或图形——打印——打印先后
在后面板上拨动开关至采集方可继续运行程序。
5、QL-021A二路电荷＼电压放大路 A、功能：
．
⑴是一种多功能接口箱，集电荷输入、电压输入、电压放大转速整形为一体并有去直
流分量的功能。自带简易信号发生器。
⑵电荷输入：将压电式加速度传感器的微弱电荷信号转成电压信号。电荷级由高输入阻抗运放外接反馈电阻、电容完成电荷／电压转换。
⑶电压输入：将不同物理量经传感器后形成的电压信号进输入(如振动测量中的速度传感器或位移传感器的电压输出)。
⑷电压放大：两路完全独立、无相位差，增益可变的放大器组成。
⑸转速整形电路：由面板BNC插座输出TTL电平脉冲。
⑹信号发生器：
B、结构使用：
． ⑴面板
①电荷输入端
Qin——如压电式加速度传感器的微弱电荷信号用此端。插拔时应断电。
②电压输入端、Vin——如电压信号输入进行放大时间用此端。插拔时应断电。
③电荷、电压选择——Q／V键。
④电压输出Vout 无论电荷或电压经放大后均由此端口输出。⑤放大增益——一组琴键开关表示
×0.1、×
1、×
10、×100（一次只能按下来个键）。
⑥37芯接口与计算机相连，电源插口，信号发生器，三芯插座连传感器。⑵使用
电荷联线的正确联接、Q／V开关的正确位置、Vout到后板连线。插拔时应断。
6、ZT-3型转子振动模拟试验台
本实验台是由东南大学测试仪器厂设计制造的。ZT-3型是由产品代号（ZT）+跨数组成。
试验台长1200mm，宽108mm，高145mm，质量约45kg。
转轴直径均为Ф9.5mm，有两种长度规格：320mm轴3根、500mm油膜振荡专用轴 5 1根；最大挠曲不超过0.03mm；沿轴的轴向任何部位均可选作试验中的支承点。
共配有六只转子，分为两种规格：Ф76×25mm和Ф76×19mm，质量分别为800g和600g，可根据实验需要选用。
配有刚性联轴节和半挠性联轴节供选用。
⑴技术参数
电源：220VAC，50Hz 输出励磁电压：220VDC 输出励磁电流：90mA 输出电枢电压：0~240VDC 电枢电流：0~1A 调速范围：0~10000rpm（满负荷时）⑵使用方法
接线：接线时断开电源，按调速器面板所标接线，面板右边两对接线柱，上面一对接电枢，下面一对接电机励磁绕组，并分别以红色、橙色导线区分。
开机：开机后，看转子转动方向是否正确，由转子向电机方向看，顺时针方向为正确，若反时针转，可将电枢（或励磁）的两根线对调。
注意：每次启动前都要把调压器左旋到零位，即保证电枢电流从零开始往上调，以避免启动电流过大烧断保险丝。面板左边有两个3A保险丝，左边一个为电枢电路保险，右边一个为电源保险。
升速：接通电源开关，电源指示灯亮，微动调压器，电流表即有指示，负载较小时，转子即会转动。升速时必须平滑地转动调压器旋钮，开始升得较慢，调压器转到某一位置后升速较快，这时必须注意要更平稳、缓慢地转动调压器，以保证瞬时电流不致过大。
降速时，同样要注意平缓，在高速状态停机，应通过平稳降速过程再切断电源，否则电机承受冲击较大。
实验室如无转速表，可参照转子的I=f（n）或u=f（n）曲线（见图10），由电流或电压值算得对应的转速。图10曲线是在三跨负载时测得的。
7、轴承模拟试验台
本实验台是由西安交通大学设计制造的，适用于：22210Ck＼w33、61910、22317CAlw33三种型号的滚动轴承模拟故障实验。可以测试不同转速(0～3000 实验台的结构
本试验台由：驱动电机、传动轴、支撑箱体、轴承座、顶尖、加载电机构成。结构紧凑、操作方便。
五、实验步骤与方法
1、检查仪器单元；
2、连接仪器，安装硬件、软件；
3、依次通电启动调试；
4、采集信号，记录存盘；
首先进入AdCras数据采集及处理系统，点击“作业”按纽，随即显示作业路径，将其存在D：ｘｘｘｘｘ中，选择“二通道”。
然后对参数进行设置，点击“参数设置”，采样频率设为256Hz；通道标记为Ch01、Ch02；块数选为2；触发参数设置为自由运行；，电压范围为+5000mV(程控放大1倍)，工程单位为Ch1：m／s／s、Ch2：m／s／s；校正因子Chl、Ch2均为1。
然后点击“数据采集”按纽，同时敲击测力锤进行采样，采样过程中Blocks显示为2，共分4页显示，采样结束后系统自动停止采样，同时要停止敲击测力锤。采样结束存盘后，关闭AdCras数据采集及处理系统，同时进入SsCras信号与系统分析系统，将在AdCras数据采集及处理系统中采集到的信号调出，并进行处理。
将处理结果记录、存盘。
5、回放、分析信号，记录图形(各种分析图)，标定特征数据；
六、实验现象、问题、结果与描述；
（一）、实验图分析及图的实例运用
图 1 波形图
波形图：波幅随时间变化的频率
波形图的实例运用：造纸机轴承监测诊断、转子系统振动监测、压榨辊振动时域波形图、鱼雷、军舰等。
图 2 频谱图
频谱图：幅值随时间变化的频率
频谱图的实例运用：压榨部纠偏辊振动频谱、侧轴 向振动频谱、压光热辊振动频谱、中心压榨辊振动 频谱、烘缸操作侧振动频谱、齿轮啮合频谱、齿轮 磨损频谱等。
图 3 自相关图 自相关函数：指用以描述信号自身的相似程度
自相关函数列表
自相关图的实例运用：造纸机轴承监测与诊断、压 榨部纠偏辊振动频谱、侧轴向振动频谱、压光热辊 振动频谱、中心压榨辊振动频谱、烘缸操作侧振动 频谱、齿轮啮合频谱、鱼雷、军舰。
图 4 互相关图
互相关函数：指用以描述两个信号之间的相似程度或相关性
互相关函数列表
互相关图的实例运用：鱼雷、军舰、造纸机轴承监 测与诊断、压榨部纠偏辊振动频谱、侧轴向振动频 谱、压光热辊振动频谱、中心压榨辊振动频谱、烘 缸操作侧振动频谱、齿轮啮合频谱等。
图 5 波谱图
（二）、实验现象、实验问题描述
1、实验现象：传感器接触桌面，敲击桌面采集信号时，电脑屏幕随之显示出波形图，敲击力度不同波形图不同。实际工程中的振动通常都是随机的，非确定性的信号，振动量的 瞬时值不能用确定的数学表达式描述，波形没有确定的形状。
2、实验问题：采集信号的时候电脑屏幕上有可能看不到图像。原因有可能是： ①传感器与桌面没有接触或接触不良时候，电脑屏幕不会显示波形图，必须保证传 感器与桌面完全接触，才能采集到信号。②传感器接触良好的情况下，波形图看不到或者不明显的时候，是因为纵坐标范围太大，应适当调节Y +和Y-使范围符合直到出现清晰的波形图。
实验内容：
实验1：基本信号分析，包括傅里叶变换及相关运算
实验2：传感器测量原理：
活塞压力计实验（必做），按静态标定方式进行3个循环测量并进行数据处理。温度传感器实验，电感式传感器实验，要求从中至少选择1个。
金属箔式应变计实验、光纤光电传感器实验、超声测距实验、电涡流传感器实验、霍尔传感器实验、电容式传感器实验，要求从中至少选择3个。
实验时间：10学时，其中实验一4学时，实验二6学时
实验形式：
实验1：每组不超过2个人
实验2：分组分别使用不同实验台进行实验，完成后，轮换至其他实验台实验，要求每组不超过2个人
各班级实验时间安排：
21班：第5、7、8、9、10周周一上午10:00-12:00
22班：第5、6、7、8、10周周五上午10:00-12:00
23班：第5、7、8、9、10周周一上午08:00-10:00
24班：第5、7、8、9、10周周五晚上18:30-20:30
25班：第4周周一上午08:00-10:00，周五上午10:00-12:00；第7、8、9周周三上午10:00-12:00 26班：第4周周一上午10:00-12:00，周二上午08:00-10:00；第7、8、9周周三下午14:00-16:00
27班：第5、6、7、8、10周周四上午08:00-10:00
28班：第5、6、7、8、9 周周二上午08:00-10:00
实验教师董韶鹏上课班级：21、23、27、28
实验教师张军香上课班级：22、24、25、26
学生实验课上网选择实验组步骤：
1、网址：211.71.14.172/zkzx2、登陆：登陆按钮在网页的右上角。初始用户名和密码均为学号，首次登陆后需更改密码，填写相关信息。密码修改后请牢记，后面上传实验报告，查看实验成绩都需要密码。
3、登陆后，单击主菜单的“选课系统”，可查看与自己相关的实验课程。
4、单击对应实验课程的操作里的“学生选课”，会列出实验课程的所有分组。每个学生会有一个默认的分组，如果实验时间不合适，可以自己调整（仅限第一个实验开始前调整），但需要首先退出原来的实验分组。
《信号与系统》课程由于其专业性较强, 涉及到的其它专业类别繁杂, 决定了其知识庞杂又枯燥的问题, 传统的教学方式存在教师难教、学生难学的现象, 教师的教授方式单一, 纯粹靠理论知识的分析、讲解、灌输, 涉及到大量公式与计算的章节, 教授的进度极为缓慢, 同时, 学生也只能被动地接收大量的数学理论、信号处理专业词汇, 无法即时消化掌握。在此种情况下, 现阶段亟需探索出一种新型的课程教学手段, 来对现有的教学模式进行改革, 进而提高教与学的效率与质量。
2. MATLAB在信息与系统教学中的应用
信号与系统的课程中先修课包括《高等数学》、《线性代数》、《复变函数》、《电路分析基础》, 后续课程包括《通信原理》、《数字信息处理》、《随机信号处理》、《数字图像处理》, 本文考虑到课程的复杂性, 采取节选的方式, 重点介绍一下MATLAB在数学、通信原理与数字图像处理教学上的应用。
2.1 基于MATLAB的高速复杂数据运算方式
如下左侧为传统的线性规划计算公式及运算方式, 要求目标函数是最小化、将约束条件设置为取等式, 作为其标准形式, 如果不符合则需要先将所有的线性规划都按照标准形式进行转化。这种运算方式自上世纪一直沿用至今, 但是存在运算较为复杂、运算过程慢的问题。基于MATLAB则可以建立方便的数学模型, 即如右侧的运算方法。
2.2 基于MATLAB的数字图像精确处理
以如何将图像的边缘清晰化为例。若某个图像的边缘比较明显, 而且原始图像的噪声级别较低, 那么可以对边缘图像进行多值化, 由于图像的边缘会存在较多的空隙, 因此需要对这些空隙进行填充, 最终形成闭合的图像。填充的方式, 是邻域搜索的方式, 即以某个像素点为中心, 搜索其周围6×6的区域, 将这些邻域的空隙填充满, 并连接各个端点。而针对边缘点非常多的图像, 可仅连接边缘强度接近的端点。
存在一种极端的情况, 即如果图像边缘的间隙过大, 无法通过一条直线来连接填充, 此时可采用找节点集的方式。即建立连接任意两个点的模型函数。例如M与N两点之间存在许多边缘点, 此时通过计算所有边缘点到M与N的某条直线的垂直距离, 即可计算出所有的节点集。M与N直线y=nx+a可转换为极坐标的形式, 如下所示:
由上可知, 若存在大量由相应参数计算出的边缘点, 这些边缘点则对应了某一条正弦型曲线。而由于这些点均同时使用了某一条特定的直线, 因此这些曲线终将在某一点相交。通过这种方式则可建立相应的二维直方图。对所有的边缘点 (由正弦曲线获得) 实施Hough变换, 然后对应到直方图, 然后搜索出直方图的局部最大值, 最终获得边界空隙的填充参数。
MATLAB在数字图像的处理上能够提供相应的淹模函数fspecial () 和实现线性空间滤波函数imfilter () 。图1是一块电路板的原图像, 比较模糊。而图2是以上两个函数所提供的程序工具处理后的清晰图像, 原图的灰度色调并未作更改, 因此得到的两个图像属于同类图像, 但是在清晰度上有很大区别, 主要原因是此工具可将所有的图像负值全部去掉, 保留正的像素。
3. 基于MATLAB的通信原理应用
MATLAB中的通信工具箱中提供了许多函数用于仿真信号与通信, 在通信原理课程中, 大多数难题能够通过这些工具可视化地进行问题的重现与处理过程展示, 方便学生更直观地、快速地掌握其中的重要知识点。
(1) MATLAB在频谱处理方面的应用举例
学生在学习《通信原理》课程的过程中, 对于通信系统的了解必须基于对频谱的调制与解调的基础之上。一方面, 教师可从理论知识上教导学生:“对于通信调制解调系统来说, 原始带信息的频谱与已调的频谱是一致的, 只不过发生了相应的位移。”通过MATLAB, 学生可以将相应的参数输入到工具中, 利用其形象的绘图功能, 则可显示如图3和图4的频谱, 学生比较后即可得出直观的结论, 已调信号的频谱形状和基带信号频谱形状相同, 而频谱幅度是原信号幅度的一半, 频率的位置移动到了+260 Hz频率的位置。这样的方式非常有助于学生快速掌握理论知识。
(2) MATLAB在分析误码率方面的应用举例
误码率是《通信原理》课程中较为重要的一个知识点, 学生在掌握理论上知道调制解调方式不影响误码率与信噪比之间的关联关系, 而复杂的公式学生很难真正理解, 并了解其中的原因。MATLAB可以快速地通过公式画出两者之间的关系图。
(3) MATLAB在系统仿真方面的应用举例
MATLAB的通信工具箱提供了许多数字仿真函数与模块, 用于模拟通信系统。主要包括相应的命令与Simulink的通信模块子集。用户可直接通过其提供的工作台调用相应的函数, 构造自定义的仿真模块。通过对各个模块的有机组合, 可形成系统模型。可实现以下几种功能:
(1) 信息的度量与编码。主要用到的函数是:, 支持无失真编码与限制失真编码, 输出采取随机方式。
(2) 差错控制编码或译码。概率解码方式中主要会用到viterbi解码技术, 而对编码进行纠错的技术则包括循环、Reed-Solomon、海明等多种码类。主要用于检测与纠正通讯信息在传输过程中的错误。在信息发送前, 在信息源上添加冗余码, 接收端收到信息后, 通过冗余码的确认来判断信息是否出现了错误。
(3) 调制与解调。信号可分为模拟信息与数字信息, 调制方式也分为以上两种, 一种是连续进行变化, 一种则是一批离散的数字。一般会采用模拟基带的方式进行调制过程的仿真。
(4) 通信系统的性能仿真。MATLAB提供误码率分析功能, 可对误码率进行仿真, 当调制解调方式不一样, 控制编码的方式不一样, 噪声模型不一样时, 可精确地计算出该通信系统的误码率。整个过程包含了信号处理的全过程:信号源的产生→信号的差错编码→信号的调制→信号的发送→信号的接收→信号的解调→误码率的计算。
4. 结语
通过对基于MATLAB的信号与系统的教学研究了解到, MATALAB可将《信号与系统》课程中的原理与公式通过可视化的方式形象地展示出来。归纳起来主要有以下几个优点:1) MATALAB的使用者无需具备编程能力, 通过简单培训即可在平台上进行熟练操作;2) MATALAB省去了大量的手工计算与绘图工作, 可通过简单的调用函数、输入参数即可得到相应的图像;3) MATALAB为教师提供了一个备课平台, 为学生提供了一个预习平台, 两者均可在其上进行学习与研究。综上可知, MATALAB在教师的教与学生的学方面都提供了很大的辅助作用, 对于教学效果的改善不言而喻。
摘要：在通信和电子信息类相关专业的教学中, 《信号与系统》是一门核心的课程, 其教学质量与效率直接影响学生对专业知识的掌握, 然而该课程的大部分内容均涉及到复杂的数学运算与信号处理, 较为抽象化。而MATLAB作为一款专业的教学软件, 其算法的开放性、灵活的工具函数、数据的可视化、数值高速计算等特性, 可很好地辅助学生进行课程的教学。本文介绍了MATLAB在信号与系统教学过程的应用。
关键词：MATLAB,信号,数学,通信原理,图像处理
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[3]李久胜, 王明彦等.“电力电子基础”课程的研究导向型教学设计[J].电气电子教学学报, 2008 (5) :84-86.
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【关键词】数字信号处理 Matlab仿真 教学改革
【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）36-0012-01
《数字信号处理》是一门建立在数学基础上的学科，该课程的特点是理论性强、起点高、难度大。同时，该课程又是一门实用性强、涉及知识面广的课程[1]。由于该课程的概念比较抽象，许多理论是基于繁琐的数学理论和推导，容易使学生感到乏味，纯粹把这门课当成是数学课来学习[2]，教学效果不好。
一、数字信号处理教学改革思路
针对《数字信号处理》课程特点，将Matlab仿真应用于该课程的理论教学[3]，结合仿真结果给学生讲解概念、算法，从而加深学生对知识的理解。该教学改革实施从以下几个方面着手：①教材选取，笔者选用的是丛玉良主编的《数字信号处理原理及其Matlab实现》，教材中很多例题都给出了Matlab代码，可供学生参考；②课堂讲解，每讲完一个重要理论后都用Matlab将该理论进行仿真，将结果以数据或图形的方式呈现在学生面前，帮助学生理解理论知识，激发学习兴趣；③实验教学，要求学生编制和调试Matlab程序，独立完成一些难易适中的综合性或设计性实验题，促进对理论知识的理解。
二、基于Matlab的教学实践
鉴于课程特点及教学现状，引入Matlab作为教学辅助工具，在讲解数字信号处理理论推导的基础上，穿插讲解用Matlab制作的示例和仿真，收到了很好的效果。下面以两个经典例子加以说明。
1.DFT与FFT运算量比较
根据理论分析，直接计算N点DFT，需要N2次复数乘法、 N（N-1）次复数加法，而时间抽选奇偶分解的FFT算法，需要 次复数乘法，次复数加法[4]。因此，N值越大，FFT算法越优越，比较DFT和FFT的运算时间代码如下。
N=4096； M=80；
x=[1：M， zeros（1，N-M）]；
t=cputime； y1=fft（x，N）； Time_fft=cputime-t；
t1=cputime； y2=dft（x，N）； Time_dft=cputime-t1；
程序運行结果Time_fft =0.0468，Time_dft =22.5889。可知，计算4096点DFT，利用FFT算法只需0.0468s，直接计算需要22.5889s，即FFT算法比DFT快了482倍，从这个比较结果学生可以体会到FFT算法的重大意义。
2.分析FFT取不同长度时序列频谱的变化
设x（n）是长度为6的矩形序列，分别取其8、32、64点FFT，观察x（n）的频谱变化。
x=ones（1，6）；
N=8；y1=fft（x，N）；
n=0：N-1；subplot（3，1，1）；stem（n，abs（y1），'.k'）；axis（[0，9，0，6]）；
N=32；y2=fft（x，N）；
n=0：N-1；subplot（3，1，2）；stem（n，abs（y2），'.k'）；axis（[0，40，0，6]）；
N=64；y3=fft（x，N）；
n=0：N-1；subplot（3，1，3）；stem（n，abs（y3），'.k'）；axis（[0，80，0，6]）；
运行程序，得到x（n）的频谱如图1所示：
图中第一幅图为N=8时的频谱，由于N值较小，只能看到8个离散的点，不能反映x（n）频谱变化规律；第二幅图为N=32时的频谱，频谱分辨率较N=8时有明显提高，可以粗略看出频谱变化规律；第三幅图为N=64时的频谱，随着N的增大，待分析信号的有效信息也增多，频率分辨率进一步提高，N值越大就越接近序列真正的频谱，因此，验证了“增加信号有效信息长度可以提高频谱分辨率”这一理论。
三、结束语
Matlab语言具有简单易学、上手快等优点， 可以方便地将其引入《数字信号处理》课程教学， 对算法及处理结果作现场仿真，丰富了教学内容，且对于促进学生的感性认识、巩固数字信号处理的理论等方面起到了积极作用。实践证明：该项教学改革实施以后，课堂教学效果有了较大的提高，学生普遍反映学习不再枯燥，很多学生课后都会花时间去琢磨Matlab仿真结果、消化已学知识，学生考试成绩也有了较大提高。
参考文献：
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音频信号的光纤传输有快速、准确、信息量大、质量高的优点。在实验领域，可以快速准确的传递声音信号，给实验者更可靠的信息。在应用领域，可以实时、长距离传递声音，即节约成本，又有高的传输质量。因此，音频信号的光纤传输的研究与实现，将方便人们的学习、工作和生活。
文中是针对普通高等工科类学校中非通信与信息等专业学科的普及性实验教学科目所研制的《音频信号的数字光纤通信实验仪》创新实践项目。教学科目及实验仪器的推出，有利于帮助高等学校基础性学科实验课程的提升，丰富与完善实验课内容，使学生了解现代技术的发展与相关知识的掌握。系统的硬件结构
信号通道由两大部分组成：光接收器和光发射器。两者之间以光纤连接。光发射和光接收器的工作原理相互关联，一个是另一个的逆过程；光发射器是将音频的电信号转变成光信号，光接收器是将光信号转变成音频的电信号。
光发射器由以下几个电路模块组成：滤波放大、A/D转换、控制部分、并/串转换、电/光模块部分。
光接收器由光/电转换部分、串/并转换、控制部分、D/A转换、模拟信号放大部分组成，如图2所示。系统电路设计 2．1 电 源
整套电路仅以12 V直流电源供电，内部集成电路需用到5 V、3．3 V、1．5 V的电源。5 V电源由L7805三态稳压电源提供．3．3 V和1．5 V分别由ASM117-3．3和ASM117-1．5提供。
2．2 FPGA的数据处理及实时控制部分
电路采用型号为EP1C3T100C8的FPGA为主控芯片，直接由18．432 MHz的晶振提供工作时钟。芯片共有两个时钟输入端，选其一输入晶振时钟。由于FPGA各个模块都用到，所以各个模块都需要供电和接地。
FPGA内部有一个锁相环，可以进行分频和倍频，以得到不同的频率。发射器中模数转换芯片和并/串转换芯片的时钟由FPGA提供。由于模数转换后输出串行的二进制数据，而并/串转换器的数据输入为10位，所以需要在FPGA中进行编码。编码应尽量避免多个“0”和“1”连续出现，采用8810B编码方式。FPGA内部先将串行二进制数据分解为8位并行数据，再经过8810B编码输出。接收器中FPGA提供数模转换器工作时钟和串并转换器的参考时钟，并将串并转换器输出的十位数据解码，还原为八位数据传输给数模转换器。FPGA的功能由Verilog编程实现，程序采用AS(主动)配置方式下载到FPGA。
2．3 音频信号的处理及采集
音频信号经声道分离、滤波、放大，由模数转换集成芯片采集转换成数字信号。2．3．1 滤波放大部分
在对音频信号进行采样时，当信号中含有大于二分之一的采样频率，如果采样频率不够高，就会产生混叠信号。混叠信号不能用数字滤波方法除去，需要用硬件滤波。A/D转换的采样频率需要高于音频信号最高频率的2～10倍。根据所需音频信号的带宽以及抗混叠滤波所需要的特性，设计一个二阶的低通有源滤波器，截止频率大于或等于20 kHz，设计电路如图3所示。
同时，该电路具有隔离放大作用，集成运放采用的是单电源供电的LM324。这是一款四运放集成、功耗低、电压工作范围宽的放大器。它具有内部补偿的能力和较低的输入偏置电流。工作于5 V电源时具有1．2 MtIz的带宽。由于音频信号是两路输入(或多声道)，且人耳能够分辨的声音带宽为20Hz～20 kHz，所以LM324足以满足要求。电路如图3所示，此为单侧声道，另一声道与其相同。
图中LM324采用5 V电源供电，一级放大。信号输入时要加人一定的电压偏置。2．3．2 A/D转换部分
模数转换电路采用了Cirrus Logic公司出品的专业音频处理集成芯片CS5342，其工作时钟频率设定为18．432 MHz，由FPGA提供。信号由AINL和AINR管脚输入，SDOUT输出转换后的串行二进制数据，LRCK和SCLK输出采样频率。M0和M1脚分别接高、低电平，以保证芯片工作在双倍速主动模式上，分频产生采样频率96 MHz。另外，RST脚置高电平，各类参考电压引脚加入适当的滤波电容，使芯片稳定且正确地工作。其电路如图4所示。
2．4 信号发送部分 由FPGA处理后的数据要通过光纤发送，需先将并行数据转换为串行数据，再将串行数据转换为光信号。
2．4．1 并/串转换
电路采用串化器SN65LV1023A集成芯片实现，电路如图5所示，其对应接收端由解串器SN65LV1224A集成芯片完成。SN65LV1023A可以将10位并行数据转换为串行差分数据流，该差分数据流可以由SN65LV1224A还原为10位的并行数据。这一组芯片内部有锁相环，可以为数据输出自己匹配时钟。串化器SN65LV1023A参考时钟选为18．432MHz与数据在该时钟频率下输入，其芯片内部匹配产生数据输出时钟，每一个10位并行数据转换为12位串行数据，其中多出一个起始位和一个终止位，所以有效频率为184．32 MHz。解串器的参考时钟也定为18．432 MHz，以满足数据传输需求。
由于音频信号是实时不断的，所产生的数据流连续进行，所以电路不能设置进入高阻态或省电模式，因此LV1023的DEN和PWRDN都置高电位。
串行数据的准确传输需要串化器和解串器同步，该组芯片采用的是随机同步方式。串化器的SYNC1和SYNC2悬空。解串器的LOCK输入到FP GA以对数据传输进行实施控制。
2．4．2 电/光模块
采用型号为HNMS-XEMC41XSC20，工作波长在T1310 nm/R1550 nm的单纤双向一体化收发模块，将电信号差分数据流转成光数据信号流，电路如图6所示。
2．5 信号的接收及处理 2．5．1 光/电转换模块
该实验装置以单纤进行信号传输，光信号传输到接收装置后，需要还原为电信号，即差分电压数据流。采用型号为HNMS-XEMC41XSC20，工作波长在T1310nm/R1550nm的单纤双向一体化收发模块，将光信号转换为电信号。转换后的差分信号由RD+和RD-输出，电路如图7所示。
2．5．2 串并转换
串并转化装置采用与发送器中的串化器SN65LV1023A相匹配的解串器SN65LV1224A。发送器中的串化器将10位的并行数据转换为串行的差分数据流，因此在接收器中需用相应的解串器将串行差分数据流还原为并行数据。
SN65LV1224A内部有锁相环，在接收数据流时可以根据数据的频率自行匹配接收时钟，外界只需为其提供参考时钟。此处参考时钟选为18．432 MHz，由FPGA控制部分提供。芯片还匹配了与解串后的数据同步的时钟，以助于转换后的并行数据输出。为了保证音频信号的连续性和实时性，需避免芯片处于省电模式或高阻模式。因此PWRDN和REN需接高电平。RCLK-R/F接高电平，即选择时钟上升沿输出数据电路如图8所示。
该组芯片有两种同步方式：快速同步和随机同步。快速同步是由串化器发送一组由连续的6个“1”和“0”组成的同步信号，解串器收到信号后锁定数据时钟，锁定完成之前LOCK保持高电平，同步完成后跳变为低电平。同步信号的发送是由串化器的SYNC1和SYNC2控制的，只要两者之一置高电平持续时间超过6个时钟周期，串化器就开始连续发送同步信号。快速同步具有快速准确的优点，但在长距离的信号传输中，光纤只传递数据，无法很好的传递串化器和解串器的SYNC和LOCK信号。因此采用随机同步方式。
随机同步方式串化器不需发送同步信号，解串器直接对数据流进行锁定，实现同步，锁定丢失后，解串器会重新锁定时钟。将LOCK接到FPGA以进行实时控制。
2．6 D/A转换及视频信号输出
D/A转化部分采用Cirrus Logic公司出品的专业音频信号处理芯片CS4334。其具有完善的立体声DAC系统，抗干扰能力强，失真噪声小，采用单电压+5 V电源，电路如图9所示。
芯片具有两种时钟模式，即外部串行时钟模式和内部串行时钟模式。当芯片工作在外部串行时钟模式下时，去加重滤波器不能被访问，且外部串行时钟易被干扰，故本装置设计时采用了内部串行时钟模式。串行时钟SCLK在内部产生，并与主时钟MCLK(18．432 MHz)、采样时钟RLCK(96 KHz，由FPGA分频产生)同步。信号经数模转化后，分别由AOUTL和AOUTR输出左右声道模拟信号，经低通滤波后输出，由于满量程时信号最大输出可达3．5 V，且装置可通过外接放大器进行声音信号的放大，故在本设计中未进行音频信号的放大处理。软件设计及仿真介绍
系统采用VerilogHDL语言进行程序编写，在QuartusⅡ环境下编辑仿真。FPGA内部时钟由18．432 MHz的有源晶振提供。FPGA的工作是：
1)提供D/A转换芯片CS4334，A/D转换芯片CS5342，并串转换芯片LV1023的工作时钟和串并转换芯片LV1224的参考时钟，其值均为18．432 MHz。
2)发送端对数据进行8B10B编码，并将转换后的数据传送给串化器；接收端获取串并转换后的十位数据，进行解码，还原为编码前的八位数据，并将解码后的数据传送给数模转换芯片。
3．1 8B10B编解码
8B10B编码是目前高速串行通讯普遍采用的编码方式，8B10B编码的目的是将八位数据转换成10位的数据，并使转换后的数据流中“0”和“1”的数量平衡，避免发送过程中因过多重复的出现“0”或“1”而发生的错误，提高线路传输的性能，有利于接收器更准确的捕捉同步时钟，而且采用特定的码元可以使接受端更准确地对准码元。8B10B编码可以看成是586B和384B编码的组合，组合过后有些编码可能有两个值，“1”和“0”的差值称为平衡度，用RD-表示平衡度为+2或0，RD+表示平衡度-2或0。将转换后的数据按平衡度分为RD-和RD+两列。设变量DISPIN表示正在转换的数的平衡度，DISPOUT表示下一个转换的数的平衡度。初始时设DISPIN与DISPOUT相等，先从RD-中开始转换，如果转换后的数“0”和“1”的数量相等，继续在RD-列中转换下一个数，如果“0”和“1”的数不等，则转到RD+列中转换。同理在RD+列中，如果“0”、“1”个数相等则继续在RD+中，否则换到RD-中。
解码部分将10位数据的前六位和后四位分别按照5B6B和3B4B的列表解码即可。3．2 仿真
设计程序经QuartusⅡ综合器编译综合成功后，可以对输入数据、中间产生的数据、输出数据进行仿真。装置采用的8B10B编码方式，分为3B4B和5B6B进行编码。解码部分依照编码时相同的分发将十位数据分为4B和6B分别解码。解码后再按顺序组合成8位数据。程序以4B3B、6B5B分别查表的方式实现。程序仿真图中，adin是编码之前的八位数据，设为逐次加一的计数数据，为了方便比较，图中用十进制表示。编码后的十位数据为data10b，adout是解码后的数据。可以看到虽有延迟，解码后数据仍为计数数据，因此程序可以准确地实现解码功能。结束语
综合以上设计的电路模块，其基本功能实现了音频信号的采集与数字化处理，并用光纤完成音频数字信号的传输过程，其信号通道研制完成，为整套实验装置的设计研制奠定了基础保证，它是系统的核心关键部分。作为大学基础实验领域研发的新型实验仪器，不管是设计研制者，还是通过其实验教学的应用者都在其工作与实验的实践中，学习掌握和了解多方面的专业理论与技术知识：1)认识模拟电路、数字电路、模数和数模转换等电子电路知识，了解印刷电路板设计方法；2)了解可编程逻辑器件的基本原理、硬件设计、软件编程、仿真调试与使用工作方法；3)了解模拟信号与数字信号的区别与特点，掌握二者之间对应
数学实验周我们学习了Matlab软件，这是一个十分实用和重要的软件。初次结识MATLAB，感觉这是一个很好的软件，语言简便，实用性强。作为一个新手，想要学习好这门语言，可以说还是比较难的。在我接触这门语言的这些天，一直在上面弄，除了会画几个简单的三维图形，其他的还是有待提高。在这个软件中，虽然有help。大家不要以为有了这个就万事大吉了，反而，从另一个方面也对我们大学生提出了两个要求——充实的课外基础和良好的英语基础。在现代，几乎所有好的软件都是来自国外，假如你不会外语，想学好是非常难的。
Matlab 语言是当今国际上科学界(尤其是自动控制领域)最具影响力、也是最有活力的软件。它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高度集成的计算机语言。它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。
作为一种计算机语言，Matlab体现了与它价值的相符的优点：
1.编程简单使用方便。在这方面我感觉C语言也是一种简单的编程语言。只要入门就很好掌握，但是要学习一门语言不是那么容易的，到目前为止，可以说我还没入门，所以学习起这门语言来很吃力。相对C语言而言，Matlab的矩阵和向量操作功能是其他语言无法比拟的。在Matlab环境下，数组的操作与数的操作一样简单，基本数据单元是不需要指定维数的，不需要说明数据类型的矩阵，而其数学表达式和运算规则与通常的习惯相同。
2.函数库可任意扩充。由于Matlab语言库函数与用户文件的形式相同，用户文件可以像库函数一样随意调用，所以用户可任意扩充库函数。
3.语言简单内涵丰富。在此语言中，最重要的成分是函数，一般形式为：Function[a,b,c„„]=fun(d,e,f„„)Fun是自定义的函数名，只要不与库函数想重，并且符合字符串书写规则即可。
4、简便的绘图功能。MATLAB具有二维和三维绘图功能，使用方法简单。三维曲线是由plot3（x,y,z）命令绘出的，看上去很简单的一个程序，相对C语言而言。极大的方便了绘图的工作和节省工作时间。
5.丰富的工具箱。由于MATLAB 的开放性，许多领域的专家都为MATLAB 编写了各种程序工具箱。这些工具箱提供了用户在特别应用领域所需的许多函数，这使得用户不必花大量的时间编写程序就可以直接调用这些函数，达到事半功倍的效果。
在理论方面，在学习MATLAB过程中，我感觉到它和c语言有许多相似之处，他有c语言的特征，但是比c语言编程计算更加简单，适合于复杂的数学运算。但是MATLAB跟其他语言也有着很大的不同。
众所周知MATLAB是一个基于矩阵运算的软件，但是，真正在运用的时候，特别是在编程的时候，许多人往往没有注意到这个问题。在使用MATLAB时，受到了其他编程习惯的影响，特别是经常使用的C语言。因此，在MATLAB编程时，for循环（包括while循环）到处都是。这不仅是没有发挥MATLAB所长，还浪费了宝贵的时间。我这里想说的一点是，往往在初始化矩阵的时候注意到这个问题，懂得了使用矩阵而不是循环来赋值，但是，在其他环节上，就很容易疏忽，或者说，仍然没有摆脱C＋＋、C的思想。多用help，see also，lookfor，get, set 等常用命令，尽量摆脱c编程的习惯，总爱用循环，能不用的循环的尽量不用，掌握矢量化的精髓。（1）help: 最有效的命令。其实,可以这样说吧，一遇 到什么问题,通常可以从 help 中找到答案。就先说说对help的一些常用方法。
1）命令窗口直接敲“help”，你就可以得到本地机器上matlab的基本的帮助信息。
2）对于某些不是很明确的命令，只知道大体所属范围，譬如说某个工具箱，直接在命令窗口中敲入 help toolboxname，一帮可以得到本工具箱有关的信息：版本号，函数名等。
（2）lookfor:可以说是 matlab中的google。当我们很多什么头绪都没有的时候,我们可以求助于它，往往会收到意想不到的效果。譬如：曾经在gui编程的时候，遇到过这样一个问题：想拖动鼠标时，要出现一个方框，就像你在桌面上拖动鼠标，会出现虚线框一样。当初我也刚开始一定都不知道该查找什么东西，后来想起用它了。于是，>> lookfor Rectangle。这样一条信息：GETRECT Select rectangle with mouse.get,set: GUI object 属性的帮手在GUI编程中，我们可能有时候想改变某些object的属性，或者想让它安装自己的想法实现，但是我们又不记得这些object的属性，更别提怎么设置他们的值了。这时，可以用 get（handles得到此对象的所有的属性及其当前值。用set（handles）可以得到对象所有可以设置的属性及其可能的取值找到我们需要的属性名字和可能的取值之后，就意义用 get（handles，‘propertyname’）取得此属性的值，用set（handles，‘propertyname’，values）设置此对象此属性的值。Edit： 查看m源文件的助手在应用matlab过程中，可能我们想看看它的m源文件，当然用editor定位打开也行，但是我经常采用的式直接在command窗口中用edit funname.m，就省去了定位的麻烦。
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