信号与系统第六次作业要求

TsinghuaJoking 2025-03-28 07:42

    01 础作业

    一、傅里叶变换

    1、必做题

      (1)

      已知信号的波形如下图所示,是正弦信号的绝对值在  之间的波形。根据傅里叶变换公式求解该信号的频谱,并绘制该信号的幅度谱

      根据傅里叶变换公式求解下面函数表达式对应信号的频谱。

      (2)

    对于该信号的频谱计算,可以直接利用公’式进行。其中建议大家对于被积分sin函数利用Euler公式更换成两个共轭复指数叠加的形式,然后在进行求解,这样便于写出积分的原函数。

      (3)

      (4)

    2、选做题

      (1)

    提示: 可以将上述波形看成一个宽度为 2  的矩形波减去第一小题的三角波,然后将两个结果合并起来。

      (2)

      (3) 试分别利用以下几种方法证明:

      方法1: 将 u(t) 拆解成直流分量和符号信号:

      方法2: 利用矩形脉冲信号,取它的宽度趋向于无穷大(  );

      方法3: 利用单边指数函数取极限:

      方法4:  利用傅里叶变换积分定理(这个积分定理在下一次课程中进行证明)

    二、傅里叶反变换

    1、必做题

      (1)

      直接根据傅里叶反变换公式,将下面信号的频谱进行反变换,获得信号时域波形。

      (2)

    提示:对于   进行因式分解,然后在分别写出对应的时域信号。

    2、选做题

      直接根据傅里叶反变换公式,将下面信号的频谱进行反变换,获得信号表达式  。

      (1)

      (2)

      注: 上面幅频、相频函数都是往两边无穷延伸的。

    根据  表达式,按照傅里叶变换的对偶特性求解   。

    三、信号综合分析

      已知信号   的波形如下图所示:

      假设它的傅里叶变换为:

      请在不具体求出   的表达式的情况下,求解:

      (1) 求下面积分数值:

      (2) 求    傅里叶反变换的信号波形;

      (3) 求   的取值。

    提示: 这个信号是 第二次作业[6] 中进行奇偶分解习题中的信号波形。

    四、傅里叶变换性质

      利用傅里叶变换的形式(线性、尺度、时移、频移、微分)求解如下信号的傅里叶变换。

      (1)  已知高度为E,宽度为    的对称三角信号  的傅里叶变换为:

      求下面信号  的傅里叶变换:  。

      (2)  已知   对应的傅里叶变换为   。分别写出下列信号的傅里叶变换:

    02 验作业

    一、利用MATLAB求信号傅里叶变换

      在MATLAB 中使用 fourierifourer命令可以求取函数的傅里叶变换数学表达式。请在MATLAB中使用相关命令求取下面信号的傅里叶变换和傅里叶逆变换。

    1、傅里叶变换

    (1)信号表达式

    ▲ 信号的波形

    (2)MATLAB命令

    2、傅里叶逆变换

    (1)信号频谱表达式

    ▲ 图2.1.2 频谱信号波形

    (2)MATLAB相关命令

    二、信号频谱内的信息

      普通的实数信号  经过傅里叶变换之后,会产生一个复数频谱  。根据实际需要,我们可以从复频谱中的实部虚部幅值相角获得我们需要的信息。

      根据傅里叶变换的“奇偶虚实”特性,我们知道:

    • 傅里叶变换的实部:对应信号的偶分量
    • 傅里叶变换的虚部:对应信号的奇分量

      那么信号频谱的幅值相角又反映了信号的什么信息?

      下面通过实验来让我们从 一个角度看看信号频谱的幅值、相角内包含的信息。

    1、图片频谱中的幅值和相位信息

    (1)实验数据

      实验灰度图像数据可以直接从本网页,鼠标右键点击“图片零存为” 获得。

    ▲ 图2.2.1 测试图片

    (2)实验要求

      利用二维快速傅里叶变换,获得上灰度图像的频谱。下给出了上述图片的幅度和相位谱。

    ▲ 图像的幅度和相位谱
     Ⅱ.恢复幅度谱信息

      将计算结果中的相位都置为0,进行傅里叶反变换,获得图片频谱中幅度图像信息。

    ▲ 图2.2.3 原图像以及幅度谱恢复的图像信息

    注意:请注意上述代码中,对于数组img1进行饱和处理的作用。

     Ⅲ.恢复相位谱信息

      将计算结果中的幅值都置为1,进行傅里叶反变换,获得图片频谱中的相位图像信息。

    ▲ 原始图像以及相位恢复的图像信息

    (3)实验分析

      通过对比从图像频谱中的幅度和相位恢复结果来看,讨论图像中的结构信息主要是分布在幅度谱还是相位谱?

    2、声音频谱中的幅值和相位信息

      对于声音信号进行相同的分析,分别从声音信号中的幅度谱和相位谱还原对应的声音,讨论一下从哪一部分可以听出原来的声音信号。

    (1)数据准备

      下面我利用  Audacity音频录制软件[7]  截取了 西瓜视频中降央卓玛经典歌曲《西海情歌[8] 中的片段(时长1:15),转存成 .WAV文件。

    ▲ 图2.2.5  西海情歌

      这个数据文件也可以从下面链接下载:

    • 西海情歌片段:[9] : https://gitee.com/tsinghuajoking/teaching-resources/blob/master/Signals&Systems/2022年/XIHaiLoveSong.wav
    ▲ 图2.2.6  截取音频信号

    (2)数据处理

     Ⅱ.读取波形数据

      参考博文 电话双音频拨号声音中的干扰信号[10] 中对于音频WAV文件的读写方法,将上述波形文件进行读取。

    ▲ 音乐片段波形
     Ⅲ.获取信号频谱幅度对应波形
    ▲ 幅度品返回的波形
     Ⅳ.获取信号相位幅度对应波形
    ▲ 相位谱恢复的信息

    (3)数据讨论

      大家可以通过试听恢复的声音信号,看幅度谱中和相位谱恢复的音频中哪一个还可以听出原来的歌曲。

    参考资料
    [1] 

    信号与系统2024(春季)作业要求以及参考答案汇总https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/136798840

    [2] 

    信号与系统 2023年春季学期期末考试命题https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/131068697

    [3] 

    信号与系统期末2024年春季学期期末考试命题-模拟考试https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/139587106

    [4] 

    信号与系统期末2024年春季学期期末考试命题-正式考试试题https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/139640739?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%22139640739%22%2C%22source%22%3A%22zhuoqingjoking97298%22%7D

    [5] 

    信号与系统2025(春季)作业要求及参考答案汇总https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/145879368

    [6] 

    第二次作业https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/129301254

    [7] 

    Audacity音频录制软件https://www.audacityteam.org/

    [8] 

    西瓜视频中降央卓玛经典歌曲《西海情歌https://www.ixigua.com/7008037669968019976?id=7079714658432745995&logTag=be03debc0c4bc554289e

    [9] 

    西海情歌片段:https://gitee.com/tsinghuajoking/teaching-resources/blob/master/Signals&Systems/2022%E5%B9%B4/XIHaiLoveSong.wav

    [10] 

    电话双音频拨号声音中的干扰信号https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/122451410


    TsinghuaJoking 这是一个公众号,它不端、不装,与你同游在课下、课上。 卓晴博士,清华大学中央主楼 626A。010-62773349, 13501115467,zhuoqing@tsinghua.edu.cn
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