Digitale Signalverarbeitung mit MATLAB

Transkript

1 Martin Werner Digitale Signalverarbeitung mit MATLAB Grundkurs mit 16 ausführlichen Versuchen 4., durchgesehene und ergänzte Auflage Mit 180 Abbildungen und 76 Tabellen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 1 Erste Schritte in MATLAB Einführung Programmstart und einfache Befehle MATLAB-Bedienoberfläche Einfache arithmetische Operationen Konstanten und Variablen MATLAB help-kommando Vektoren und Matrizen Vordefinierte MATLAB-Funktionen und einfache Grafiken Schreiben eines MATLAB-Programms im Editor/Debugger- Window Verkettete Programme und Unterprogramme MATLAB HELP und MATLAB DEMO 14 2 Zeitdiskrete Signale Einführung Elementare zeitdiskrete Signale Einführung Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Audiosignale Einführung Beispiel: Synthese eines Audiosignals Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung 23 3 Diskrete Fourier-Transformation (DFT) Einführung Grundlagen Diskrete Fourier-Transformation Eigenschaften der diskreten Fourier-Transformation Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung 33 4 Schnelle Fourier-Transformation (FFT) Einführung Komplexität Radix-2-FFT-Algorithmus Programmierung der DIT-Radix-2-FFT Ordnen der Eingangsfolge Signalverarbeitung im Signalflussgrafen Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung 48

3 5 Kurzzeit-Spektralanalyse: Grundlagen Einführung Grundlagen Abtastung Spektrum des zeitdiskreten Signals Fensterung Diskrete Fourier-Transformation Zero-padding Leakage-Effekt Fensterfolgen Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung 63 6 Kurzzeit-Spektralanalyse: Beispiele Einführung Mehrtonsignal Mehrfrequenzwahlverfahren Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Audiosignal Einführung Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung 72 7 Lernkontrollfragen zur DFT, FFT und Kurzzeitspektralanalyse Aufgabenkatalog A Aufgabenkatalog B 77 8 Faltung, Differenzengleichung und LTI-Systeme Einführung Faltung Grundlagen Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Differenzengleichung 1. Ordnung Goertzel-Algorithmus 1. Ordnung Versuchsdurchführung Lineare zeitinvariante Systeme Impulsantwort und Frequenzgang von LTI-Systemen Lineare Differenzengleichung und z-transformation Goertzel-Algorithmus 2. Ordnung Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung 94 9 Finite-Impulse-Response-Systeme Einführung Eigenschaften von FIR-Systemen Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung 103

4 IX 10 Infinite-Impulse-Response-Systeme Einführung Einfluss der Pole auf den Frequenzgang Blockdiagramm Impulsantwort Partialbruchzerlegung mit MATLAB Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Entwurf digitaler FIR-Filter Einführung FIR-Filterstruktur Toleranzschema Entwurfsvorschrift im Frequenzbereich Vorbereitende Aufgaben Fourier- Approximation Fourier-Reihe des Frequenzganges Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Fourier-Approximation mit Fensterung Einführung Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Chebyshev-Approximation Equiripple-Methode Versuchsdurchführung Entwurf digitaler IIR-Filter Einführung IIR-Filter Entwurf eines Butterworth-Tiefpasses Toleranzschema und Filtertyp Zeitkontinuierlicher Butterworth-Tiefpass Dimensionierung des zeitkontinuierlichen Butterworth-Tiefpasses Vorbereitende Aufgaben - Butterworth-Tiefpass Bilineare Transformation Frequenz-Transformation Vorbereitende Aufgaben - Transformation Versuchsdurchführung Entwurf digitaler Tiefpässe nach Standardapproximationen analoger Tiefpässe Einführung Versuchsdurchführung Lernkontrollfragen zu FIR- und IIR-Systemen Aufgabenkatalog A Aufgabenkatalog B 146

5 14 Kenngrößen stochastischer Signale Einführung Grundlagen Experiment und stochastischer Prozess Zufallszahlen am Digitalrechner Stochastische Signale Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Korrelation stochastischer Prozesse Korrelation, Korrelationsfunktion und Leistungsdichtespektrum Weißes Rauschen Schätzung der Autokorrelationsfunktion Schätzung des Leistungsdichtespektrums Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Stochastische Signale und LTI-Systeme Einführung Lineare Abbildung stochastischer Signale Grundlagen Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Abbildung stochastischer Signale an LTI-Systemen Grundlagen Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Analog-Digital-Umsetzung Einführung Digitalisierung Abtastung Abtasttheorem Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Quantisierung Quantisierungskennlinie Maschinenzahlen Quantisierungsfehler Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Reale digitale Filter: Koeffizientenquantisierung Einführung Wortlängeneffekte FIR-Filter mit quantisierten Koeffizienten Fehlermodell und Fehlerfrequenzgang Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung IIR-Filter mit quantisierte Koeffizienten Kaskadenform 190

6 XI Koeffizientenquantisierung und Polausdünnung Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchführung Reale digitale Filter: Quantisierte Arithmetik Einführung Quantisierte Arithmetik Addition - Überlauf und große Grenzzyklen Multiplikation - Inneres Rauschen und kleine Grenzzyklen Ersatzschaltbild für einen Block 2.Ordnung Vorbereitende Aufgaben Versuchsdurchfuhrung Lernkontrollfragen zu stochastischen Signalen und realen Systemen Aufgabenkatalog A Aufgabenkatalog B Lösungen zu den Versuchen Hinweise Lösungen: Zeitdiskrete Signale Lösungen: Diskrete Fourier-Transformation Lösungen: Schnelle Fourier-Transformation Lösungen: Kurzzeit-Spektralanalyse: Grundlagen Lösungen: Kurzzeit-Spektralanalyse: Beispiele Lösungen: Lernkontrollfragen zur DFT, FFT und Kurzzeit-Spektralanalyse Aufgabenkatalog A Aufgabenkatalog B Lösungen: Faltung, Differenzengleichung und LTI-Systeme Lösungen: Finite-Impulse-Response-Systeme Lösungen: Infinite-Impulse-Response-Systeme Lösungen: Entwurf digitaler FIR-Filter Lösungen: Entwurf digitaler IIR-Filter Lösungen: Lernkontrollfragen zu FIR- und HR-Systemen Aufgabenkatalog A Aufgabenkatalog B Lösungen: Kenngrößen stochastischer Signale Lösungen: Stochastische Signale und LTI-Systeme Lösungen: Analog-Digital-Umsetzung Lösungen: Reale digitale Filter: Koeffizientenquantisierung Lösungen: Reale digitale Filter: Quantisierte Arithmetik Lösungen: Lernkontrollfragen zu stochastischen Signalen und realen Systemen Aufgabenkatalog A Aufgabenkatalog B 283 Formelzeichen und Abkürzungen 285 Literaturverzeichnis 288 Sachwortverzeichnis 291