《數(shù)字信號(hào)處理》第三版高西全版課后習(xí)題答案
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1、數(shù)字信號(hào)處理課后答案
高西全、丁美玉版
1.2 教材第一章習(xí)題解答
1. 用單位脈沖序列及其加權(quán)和表示題1圖所示的序列。
解:
2. 給定信號(hào):
〔1畫出序列的波形,標(biāo)上各序列的值;
〔2試用延遲單位脈沖序列及其加權(quán)和表示序列;
〔3令,試畫出波形;
〔4令,試畫出波形;
〔5令,試畫出波形。
解:
〔1x
2、解圖〔四所示。 3. 判斷下面的序列是否是周期的,若是周期的,確定其周期。 〔1,A是常數(shù); 〔2。 解: 〔1,這是有理數(shù),因此是周期序列,周期是T=14; 〔2,這是無理數(shù),因此是非周期序列。 5. 設(shè)系統(tǒng)分別用下面的差分方程描述,與分別表示系統(tǒng)輸入和輸出,判斷系統(tǒng)是否是線性非時(shí)變的。 〔1; 〔3,為整常數(shù); 〔5; 〔7。 解: 〔1令:輸入為,輸出為 故該系統(tǒng)是時(shí)不變系統(tǒng)。 故該系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。 〔3這是一個(gè)延時(shí)器,延時(shí)器是一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng),下面予以證明。 令輸入為,輸出為,因?yàn)? 故延時(shí)器是一個(gè)時(shí)不變系統(tǒng)。又因?yàn)? 故延時(shí)
3、器是線性系統(tǒng)。
〔5
令:輸入為,輸出為,因?yàn)?
故系統(tǒng)是時(shí)不變系統(tǒng)。又因?yàn)?
因此系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)。
〔7
令:輸入為,輸出為,因?yàn)?
故該系統(tǒng)是時(shí)變系統(tǒng)。又因?yàn)?
故系統(tǒng)是線性系統(tǒng)。
6. 給定下述系統(tǒng)的差分方程,試判斷系統(tǒng)是否是因果穩(wěn)定系統(tǒng),并說明理由。
〔1;
〔3;
〔5。
解:
〔1只要,該系統(tǒng)就是因果系統(tǒng),因?yàn)檩敵鲋慌cn時(shí)刻的和n時(shí)刻以前的輸入有關(guān)。如果,則,因此系統(tǒng)是穩(wěn)定系統(tǒng)。
〔3如果,,因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。系統(tǒng)是非因果的,因?yàn)檩敵鲞€和x
4、的輸出不取決于x
5、分成四種情況求解:
①
②
③
④
最后結(jié)果為
y
6、
1. 設(shè)和分別是和的傅里葉變換,試求下面序列的傅里葉變換:
〔1;
〔2;
〔3;
〔4。
解:
〔1
令,則
〔2
〔3
令,則
〔4
證明:
令k=n-m,則
2.已知
求的傅里葉反變換。
解:
3.線性時(shí)不變系統(tǒng)的頻率響應(yīng)<傳輸函數(shù)>如果單位脈沖響應(yīng)為實(shí)序列,試證明輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為
。
解:
假設(shè)輸入信號(hào),系統(tǒng)單位脈沖相應(yīng)為h
7、,相位函數(shù)是w的奇函數(shù),
4.設(shè)將以4為周期進(jìn)行周期延拓,形成周期序列,畫出和的波形,求出的離散傅里葉級(jí)數(shù)和傅里葉變換。
解:
畫出x
8、此
上式說明x
9、2分別求出、和的傅里葉變換。 解: 〔1 〔2 13.已知,式中,以采樣頻率對(duì)進(jìn)行采樣,得到采樣信號(hào)和時(shí)域離散信號(hào),試完成下面各題: 〔1寫出的傅里葉變換表示式; 〔2寫出和的表達(dá)式; 〔3分別求出的傅里葉變換和序列的傅里葉變換。 解: 〔1 上式中指數(shù)函數(shù)的傅里葉變換不存在,引入奇異函數(shù)函數(shù),它的傅里葉變換可以 表示成: 〔2 〔3 式中 式中 上式推導(dǎo)過程中,指數(shù)序列的傅里葉變換仍然不存在,只有引入奇異函數(shù)函數(shù),才能寫出它的傅里葉變換表達(dá)式。 14.求以下序列的Z變換及收斂域: 〔2; 〔3; 〔6 解: 〔2
10、
〔3
〔6
16.已知:
求出對(duì)應(yīng)的各種可能的序列的表達(dá)式。
解:
有兩個(gè)極點(diǎn),因?yàn)槭諗坑蚩偸且詷O點(diǎn)為界,因此收斂域有以下三種情況:
三種收斂域?qū)?yīng)三種不同的原序列。
〔1當(dāng)收斂域時(shí),
令
,因?yàn)閏內(nèi)無極點(diǎn),x
11、,因此x
12、一個(gè)n階極點(diǎn),改成求c外極點(diǎn)留數(shù),可是c外沒有極點(diǎn),因此, 最后得到 25. 已知網(wǎng)絡(luò)的輸入和單位脈沖響應(yīng)分別為 , 試: 〔1用卷積法求網(wǎng)絡(luò)輸出; 〔2用ZT法求網(wǎng)絡(luò)輸出。 解: 〔1用卷積法求 ,, ,, 最后得到 〔2用ZT法求 令 ,c內(nèi)有極點(diǎn) 因?yàn)橄到y(tǒng)是因果系統(tǒng),,,最后得到 28.若序列是因果序列,其傅里葉變換的實(shí)部如下式: 求序列及其傅里葉變換。 解: 求上式IZT,得到序列的共軛對(duì)稱序列。 因?yàn)槭且蚬蛄?必定是雙邊序列,收斂域?。骸? 時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn), n=0時(shí),c內(nèi)有極點(diǎn),0,
13、
所以
又因?yàn)?
所以
3.2 教材第三章習(xí)題解答
1. 計(jì)算以下諸序列的N點(diǎn)DFT,在變換區(qū)間內(nèi),序列定義為
〔2;
〔4;
〔6;
〔8;
〔10。
解:
〔2
〔4
〔6
〔8解法1 直接計(jì)算
解法2 由DFT的共軛對(duì)稱性求解
因?yàn)?
所以
即
結(jié)果與解法1所得結(jié)果相同。此題驗(yàn)證了共軛對(duì)稱性。
〔10解法1
上式直接計(jì)算較難,可根據(jù)循環(huán)移位性質(zhì)來求解X
14、法2 時(shí), 時(shí), 所以, 即 2.已知下列,求 〔1; 〔2 解: 〔1 = 〔2 3.長度為N=10的兩個(gè)有限長序列 作圖表示、和。 解: 、和分別如題3解圖〔a、〔b、〔c所示。 14.兩個(gè)有限長序列和的零值區(qū)間為: 對(duì)每個(gè)序列作20點(diǎn)DFT,即 如果 試問在哪些點(diǎn)上,為什么? 解: 如前所示,記,而。 長度為27,長度為20。已推出二者的關(guān)系為 只有在如上周期延拓序列中無混疊的點(diǎn)上,才滿足所以 15.用微處理機(jī)對(duì)實(shí)數(shù)序列作譜分析,要求譜分辨率,信號(hào)最高頻率為1kHZ,試確定以下各參數(shù):
15、 〔1最小記錄時(shí)間; 〔2最大取樣間隔; 〔3最少采樣點(diǎn)數(shù); 〔4在頻帶寬度不變的情況下,將頻率分辨率提高一倍的N值。 解: 〔1已知 〔2 〔3 〔4頻帶寬度不變就意味著采樣間隔T不變,應(yīng)該使記錄時(shí)間擴(kuò)大一倍為0.04s實(shí)現(xiàn)頻率分辨率提高一倍〔F變?yōu)樵瓉淼?/2 18. 我們希望利用長度為N=50的FIR濾波器對(duì)一段很長的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行濾波處理,要求采用重疊保留法通過DFT來實(shí)現(xiàn)。所謂重疊保留法,就是對(duì)輸入序列進(jìn)行分段〔本題設(shè)每段長度為M=100個(gè)采樣點(diǎn),但相鄰兩段必須重疊V個(gè)點(diǎn),然后計(jì)算各段與的L點(diǎn)〔本題取L=128循環(huán)卷積,得到輸出序列,m表示第m段計(jì)算輸出。最
16、后,從中取出B個(gè),使每段取出的B個(gè)采樣點(diǎn)連接得到濾波輸出。 〔1求V; 〔2求B; 〔3確定取出的B個(gè)采樣應(yīng)為中的哪些采樣點(diǎn)。 解: 為了便于敘述,規(guī)定循環(huán)卷積的輸出序列的序列標(biāo)號(hào)為0,1,2,…,127。 先以與各段輸入的線性卷積考慮,中,第0點(diǎn)到48點(diǎn)〔共49個(gè)點(diǎn)不正確,不能作為濾波輸出,第49點(diǎn)到第99點(diǎn)〔共51個(gè)點(diǎn)為正確的濾波輸出序列的一段,即B=51。所以,為了去除前面49個(gè)不正確點(diǎn),取出51個(gè)正確的點(diǎn)連續(xù)得到不間斷又無多余點(diǎn)的,必須重疊100-51=49個(gè)點(diǎn),即V=49。 下面說明,對(duì)128點(diǎn)的循環(huán)卷積,上述結(jié)果也是正確的。我們知道 因?yàn)殚L度為 N+M-1=5
17、0+100-1=149 所以從n=20到127區(qū)域, ,當(dāng)然,第49點(diǎn)到第99點(diǎn)二者亦相等,所以,所取出的第51點(diǎn)為從第49到99點(diǎn)的。 綜上所述,總結(jié)所得結(jié)論 V=49,B=51 選取中第49~99點(diǎn)作為濾波輸出。 5.2 教材第五章習(xí)題解答 1. 設(shè)系統(tǒng)用下面的差分方程描述: , 試畫出系統(tǒng)的直接型、級(jí)聯(lián)型和并聯(lián)型結(jié)構(gòu)。 解: 將上式進(jìn)行Z變換 〔1按照系統(tǒng)函數(shù),根據(jù)Masson公式,畫出直接型結(jié)構(gòu)如題1解圖〔一所示。 〔2將的分母進(jìn)行因式分解 按照上式可以有兩種級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu): 畫出級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)如題1解圖〔二〔a所示
18、畫出級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)如題1解圖〔二〔b所示 〔3將進(jìn)行部分分式展開 根據(jù)上式畫出并聯(lián)型結(jié)構(gòu)如題1解圖〔三所示。 2. 設(shè)數(shù)字濾波器的差分方程為 , 試畫出該濾波器的直接型、級(jí)聯(lián)型和并聯(lián)型結(jié)構(gòu)。 解: 將差分方程進(jìn)行Z變換,得到 〔1按照Massion公式直接畫出直接型結(jié)構(gòu)如題2解圖〔一所示。 〔2將的分子和分母進(jìn)行因式分解: 按照上式可以有兩種級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu): 畫出級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)如題2解圖〔二〔a所示。 畫
19、出級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)如題2解圖〔二〔b所示●。
3. 設(shè)系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)為
,
試畫出各種可能的級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)。
解:
由于系統(tǒng)函數(shù)的分子和分母各有兩個(gè)因式,可以有兩種級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)。
〔1 ,
畫出級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)如題3解圖〔a所示●。
〔2 ,
畫出級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)如題3解圖〔b所示。
4.圖中畫出了四個(gè)系統(tǒng),試用各子系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)分別表示各總系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng),并求其總系統(tǒng)函數(shù)。圖d
解:
20、
21、所以取N=5〔實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)具體要求,也可能取N=4,指標(biāo)稍微差一點(diǎn),但階數(shù)低一階,使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電路得到簡化。 〔2求歸一化系統(tǒng)函數(shù),由階數(shù)N=5直接查表得到5階巴特沃斯歸一化低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)為 或 當(dāng)然,也可以按〔6.12式計(jì)算出極點(diǎn): 按〔6.11式寫出表達(dá)式 代入值并進(jìn)行分母展開得到與查表相同的結(jié)果。 〔3去歸一化〔即LP-LP頻率變換,由歸一化系統(tǒng)函數(shù)得到實(shí)際濾波器系統(tǒng)函數(shù)。 由于本題中,即,因此 對(duì)分母因式形式,則有 如上結(jié)果中,的值未代入相乘,這樣使讀者能清楚地看到去歸一化后,3dB截止頻率對(duì)歸一化系統(tǒng)函數(shù)
22、的改變作用。 2. 設(shè)計(jì)一個(gè)切比雪夫低通濾波器,要求通帶截止頻率,通帶最在衰減速,阻帶截止頻率,阻帶最小衰減。求出歸一化傳輸函數(shù)和實(shí)際的。 解: 〔1確定濾波器技術(shù)指標(biāo): , 〔2求階數(shù)N和: 為了滿足指標(biāo)要求,取N=4。 〔2求歸一化系統(tǒng)函數(shù) 其中,極點(diǎn)由<>式求出如下: 〔3將去歸一化,求得實(shí)際濾波器系統(tǒng)函數(shù) 其中,因?yàn)?所以。將兩對(duì)共軛極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的因子相乘,得到分母為二階因子的形式,其系數(shù)全為實(shí)數(shù)。 4. 已知模擬濾波器的傳輸函數(shù)為: <1>; <2>。式中,a,b為常數(shù),設(shè)因果穩(wěn)定,試采用脈沖響
23、應(yīng)不變法,分別將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器。 解: 該題所給正是模擬濾波器二階基本節(jié)的兩種典型形式。所以,求解該題具有代表性,解該題的過程,就是導(dǎo)出這兩種典型形式的的脈沖響應(yīng)不變法轉(zhuǎn)換公式,設(shè)采樣周期為T。 〔1 的極點(diǎn)為: , 將部分分式展開〔用待定系數(shù)法: 比較分子各項(xiàng)系數(shù)可知: A、B應(yīng)滿足方程: 解之得 所以 按照題目要求,上面的表達(dá)式就可作為該題的答案。但在工程實(shí)際中,一般用無復(fù)數(shù)乘法器的二階基本結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。由于兩個(gè)極點(diǎn)共軛對(duì)稱,所以將的兩項(xiàng)通分并化簡整理,可得 用脈沖響應(yīng)不變法轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器時(shí),直接套用上面的公式即可,且對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖中無復(fù)數(shù)
24、乘法器,便于工程實(shí)際中實(shí)現(xiàn)。 〔2 的極點(diǎn)為: , 將部分分式展開: 通分并化簡整理得 5. 已知模擬濾波器的傳輸函數(shù)為: 〔1; 〔2試用脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法分別將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器,設(shè)T=2s。 解: 〔1用脈沖響應(yīng)不變法 ① 方法1 直接按脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)公式,的極點(diǎn)為: , 代入T=2s 方法2 直接套用4題<2>所得公式,為了套用公式,先對(duì)的分母配方,將化成4題中的標(biāo)準(zhǔn)形式: 為一常數(shù), 由于 所以 對(duì)比可知,,套用公式得 ② 或通
25、分合并兩項(xiàng)得 〔2用雙線性變換法 ① ② 7. 假設(shè)某模擬濾波器是一個(gè)低通濾波器,又知,數(shù)字濾波器的通帶中心位于下面的哪種情況?并說明原因。 〔1 <低通>; 〔2〔高通; 〔3除0或外的某一頻率〔帶通。 解: 按題意可寫出 故 即 原模擬低通濾波器以為通帶中心,由上式可知,時(shí),對(duì)應(yīng)于,故答案為〔2。 9. 設(shè)計(jì)低通數(shù)字濾波器,要求通帶內(nèi)頻率低于時(shí),容許幅度誤差在1dB之內(nèi);頻率在0.3到之間的阻帶衰減大于10dB;試采用巴特沃斯型模擬濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì),用脈沖響應(yīng)不變法進(jìn)行轉(zhuǎn)換,采樣間隔T=1ms。 解: 本題要求用巴特沃斯型
26、模擬濾波器設(shè)計(jì),所以,由巴特沃斯濾波器的單調(diào)下降特性,數(shù)字濾波器指標(biāo)描述如下: 采用脈沖響應(yīng)不變法轉(zhuǎn)換,所以,相應(yīng)模擬低通巴特沃斯濾波器指標(biāo)為: 〔1求濾波器階數(shù)N及歸一化系統(tǒng)函數(shù): 取N=5,查表6.1的模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)的歸一化低通原型為: 將部分分式展開: 其中,系數(shù)為: 〔2去歸一化求得相應(yīng)的模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)。 我們希望阻帶指標(biāo)剛好,讓通帶指標(biāo)留有富裕量,所以按<>式求3dB截止頻率。 其中。 〔3用脈沖響應(yīng)不變法將轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù): 我們知道,脈沖響應(yīng)不變法的主要缺點(diǎn)是存在頻率混疊失真,設(shè)計(jì)的濾波器阻帶指標(biāo)變差。另外,由該題的設(shè)計(jì)過程可見,當(dāng)N較大時(shí),部分分式展開求解系數(shù)或相當(dāng)困難,所以實(shí)際工作中用得很少,主要采用雙線性變換法設(shè)計(jì)。 . .
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