毕业论文基于matlab测速仪设计说明书.docx
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毕业论文基于matlab测速仪设计说明书
“数字信号处理课程设计”任务书
题目5
基于Matlab测速仪设计(多普勒效应回波信号处理)
主要
内容
利用离散付里叶变换进行频谱分析,设计数字滤波器组,并对滤波器组加窗降低副瓣,通过频域方法测量速度。
设计
要求
1.产生输入回波信号及加性噪声信号。
2.计算回波频率偏移于目标速度的对应关系。
3.按技术指标要求对输入信号进行傅立叶变换,对输入信号进行频域分析。
4.写出所设计的窄带滤波器组的系统函数并显示出频率响应曲线。
5.设计适当的加权窗函数,写出设计过程,画出加权后滤波器频率响应曲线
6.正确显示信号频谱和对应的滤波器响应间的关系。
7.采用门限等方法确定并显示目标速度。
主要
仪器
设备
1、计算机1台,安装MATLAB软件
主要
参考
文献
[美]数字信号处理——使用MATLAB[M].西安:
西安交通大学出版社,2002.
课程设计进度计划(起止时间、工作内容)
本课程设计共安排7个题目,这是其中题目之一。
整个课程设计共45学时,分1.5周安排,具体进度如下:
8学时复习题目相关知识,掌握实现的原理;
20学时用MATLAB语言实现题目要求;
9学时进一步完善功能,现场检查、答辩;
8学时完成课程设计报告。
课程设计开始日期
2010.12.6
课程设计完成日期
2010.12.15
课程设计实验室名称
信号与信息处理实验室
地点
实验楼3-503
资料下载地址
.111/实践环节/数字信号处理课程设计
一、概述…………………………………………………………………………4
1、目的………………………………………………………………………………………4
二、相关知识简介………………………………………………………………4
1、背景简介…………………………………………………………………………………4
2、多普勒频移………………………………………………………………………………4
3、程序中的相关计算………………………………………………………………………5
4、测速仪的技术规格………………………………………………………………………6
5、设计内容…………………………………………………………………………………6
6、测量方法…………………………………………………………………………………6
三、设计过程……………………………………………………………………7
1、设计步骤…………………………………………………………………………………7
2、设计流程图
3、程序………………………………………………………………………………………7
四、实验结果及分析……………………………………………………………12
1、实验结果…………………………………………………………………………………12
五、总结…………………………………………………………………………15
参考文献资料…………………………………………………………………………………………………………………………16
一、概述
1、目的:
1、熟悉DFT的基本性质,利用离散付里叶变换对信号和系统进行频域分析;
2、熟悉并加深对采样定理的理解;
3、设计数字滤波器组,实现对存在加性干扰的时域离散信号的滤波;
4、对滤波器组进行加权设计,降低副瓣,通过频域方法测量速度。
二、相关知识简介
1、背景简介:
车辆监测用测速雷达是依据多普勒效应原理实现的。
由雷达发出一束微波,遇被测目标(车辆)时微波被反射回来,再由雷达接收反射波。
如果目标相对于雷达有距离上的运动,反射波的频率将与发射频率发生差异,而这种差异的大小正比于目标与雷达的相对运动速度。
于是,雷达通过检测反射波频率和发射波频率的差,就可以计算出被测车辆的移动速度。
2、多普勒频移:
多普勒频移,当运动在波源后面时,会产生相反的效应。
波长变得较长,频率变得较低(红移redshift)。
波源的速度越高,所产生的效应越大。
根据光波红(蓝)移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度。
把声波视为有规律间隔发射的脉冲,可以想象若你每走一步,便发射了一个脉冲,那么在你每走一步时,面前的声源发出的脉冲相对于你的传播距离比你站立不动时近了一步,而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。
或者说,在你之前的脉冲频率比平常变高,而在你之后的脉冲频率比平常变低了。
所谓多普勒效应就是当发射源与接收体之间存在相对运动时,接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同,这种现象称为多普勒效应,接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。
声音的传播也存在多普勒效应,当声源与接收体之间有相对运动时,接收体接收的声波频率f'与声源频率f存在多普勒频移Δf(dopplershift)即
Δf=f'-f
当接收体与声源相互靠近时,接收频率f'大于发射频率f即:
Δf>0
当接收体与声源相互远离时,接收频率f'小于发射频率即:
Δf<0
可以证明若接收体与声源相互靠近或相互远离的速度为v,声速为c,则接收体接收声波的多普勒频率为:
f'=f·(c+-v1)/(c-+v2)
括号中分子和分母的加、减运算分别为“接近”和“远离”之意。
发射信号表示为:
回波信号:
回波与发射信号之间有固定相位差:
当目标与雷达之间有相对运动时,则距离R随时间变化:
由于通常雷达和目标间的相对运动速度v,远小于电磁波速度c,故时延:
相位差:
频差(多普勒频移):
多普勒测速系统是利用多普勒效应测定飞行器径向速度的无线电跟踪测量系统。
由地面向飞行器或由飞行器向地面发射固定频率的等幅电磁波,因飞行器与测控站存在相对运动,接收信号的频率与发射信号的频率互不相同。
其频率之差就是多普勒频移。
多普勒频移正比于测控站-航天器方向上的速度分量,所以测出多普勒频移的大小,就可获得目标对测控站的相对径向速度。
3、程序中的相关计算
测速范围:
精度:
70km/h------150km/h5km/h
换算:
19.4m/s------41.6m/s1.387m/s
fd:
606Hz------1300Hz43.3Hz
wp=2*pi*f/Fs=0.233*pi
ws=2*pi*f/Fs=0.249*pi
Bt=2*pi*f/Fs=0.016*pi=ws-wp
Fs=4~5*fd
4、
带通滤波器的设计原理
一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带,例如在通带内没有增益或者衰减,并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉,另外,通带外的转换在极小的频率范围完成。
实际上,并不存在理想的带通滤波器。
滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉,尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。
这通常称为滤波器的滚降现象,并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示。
通常,滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好,这样滤波器的性能就与设计更加接近。
然而,随着滚降范围越来越小,通带就变得不再平坦—开始出现“波纹”。
这种现象在通带的边缘处尤其明显,这种效应称为吉布斯现象。
除了电子学和信号处理领域之外,带通滤波器应用的一个例子是在大气科学领域,很常见的例子是使用带通滤波器过滤最近3到10天时间范围内的天气数据,这样在数据域中就只保留了作为扰动的气旋。
在频带较低的剪切频率f1和较高的剪切频率f2之间是共振频率,这里滤波器的增益最大,滤波器的带宽就是f2和f1之间的差值。
布莱克曼窗计算公式:
增加一个二次谐波余弦分量,可进一步降低旁瓣,但主瓣宽度进一步增加,增加N可减少过渡带。
频谱的幅度函数为:
+0.04
5、设计内容:
基于Matlab设计车辆测速仪的信号处理部分,要求测速范围:
18~255Km/h,测速精度:
优于1Km/h,响应时间:
小于30ms。
6、测量方法:
a)测量方法大致有两种方法:
时域法和频域法。
b)因环境影响,接收到的多普勒信号的“背景”十分复杂,信噪比大大降低,采用传统的时域处理方法对被淹没在干扰和噪声中的多普勒信号检出或识别往往是困难的,使得测频精度明显下降。
c)采用频域谱分析方法,选择合适的采样频率及适当的窗口,可以大大提高测频精度和可靠性。
三、设计过程:
1、设计步骤:
1.按技术指标要求确定抽样频率,分析车辆反射波的信号形式、载波、频偏范围,仿真车辆反射波的抽样信号(线性调频信号)。
2.按照对实际背景噪声分析,仿真产生加性随机噪声输入信号。
3.分析输入信号的频谱,根据载波频率和车辆速度范围要求,分析多普勒频率与车速的对应关系,确定滤波器系统的处理带宽。
4.选择合适的滤波器,按照技术指标及测速精度要求和测量范围要求,分析分辨率与滤波器之间的关系,设计和实现滤波器组,显示出窄带滤波器组的频率响应图形。
5.选用合适的窗函数加权,以降低副瓣,实用中,为避免副瓣淹没附近较小的车辆回波的主信号,引起漏测,必须压低副瓣电平。
加权处理可以抑制副瓣电平。
加权处理可以在时域或频域进行。
时域加权会降低发射机的利用率,且特定形状的波形调制困难。
一般在频域进行,频域加权处理不必增加实时处理的运算量。
实际采用的加权函数包括汉明、汉宁、余弦平方、余弦立方等。
从信噪比损失、主瓣宽度和旁瓣电平方面分析选择较优的加权函数,显示出加权后滤波器响应曲线。
6.采用门限等方法判明信号所出滤波器位置,确定目标速度。
7.利用Matlab将测速结果仿真显示出来。
2、设计流程图
3、程序:
clc;clearall;
fs=5213;N=1200;
n=0:
N-1;t=n/fs;
v1=75;
v2=(v1*1000)./3600;
fd=(2*v2)./(6.4*0.01);
y=sin(2*pi*fd*t)/800+randn(1,N)/N;;
B=2*pi*100/fs;%一个过渡带
wc1=2*pi*584.55/fs;wc2=2*pi*627.95/fs;
figure
(1)
plot(t,y);
M=ceil(11*pi/B);
a=(M-1)/2;
k=0:
1:
M-1;
m=k-a;
ep=0.0000001;
hd1=sin(wc1*m+ep)./(pi*m+ep);
hd2=sin(wc2*m+ep)./(pi*m+ep);
hd=hd2-hd1;
Ha=abs(fft(hd,1024));
f=[0:
1023]*fs/1024;
figure
(2)
plot(f,20*log10(Ha/max(Ha)));grid;title('(a)带通滤波器幅频特性')
axis([0,fs/3,-60,20]);
xlabel('f/Hz');ylabel('幅度')
%**********************************
加布莱克曼窗之后的滤波器
wn=(blackman(M))';
hn=hd.*wn;
Hw=abs(fft(wn,1024));
Hw0=abs(fft(hn,1024));
f=[0:
1023]*fs/1024;
figure(3)
plot(f,20*log10(Hw0/max(Hw0)));grid;title('(a)带通滤波器幅频特性')
axis([0,fs/3,-60,20]);
xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');
figure(4)
plot(wn);
figure(5)
plot(f,20*log10(Hw/max(Hw)));grid;title('(a)窗函数幅频特性')
axis([0,500,-100,0]);
xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');
%********************************
L=16;
hh1=0;
hh2=0;
fori=0:
L
wc3=(584.55+43.44*i)*2*pi/fs;
wc4=(584.55+43.44*(i+1))*2*pi/fs;
hd3=sin(wc3*m+ep)./(pi*m+ep);
hd4=sin(wc4*m+ep)./(pi*m+ep);
hp=hd3-hd4;
hh1=hh1+hp;
Hw2=abs(fft(hp,1024));
wn2=(blackman(M))';
figure(6)
plot(f,20*log10(Hw2/max(Hw2)));grid;title('(a)带通滤波器组幅频特性')
axis([500,fs/3-300,-34,20]);
xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');
holdon
h=hp.*wn2;
hh2=hh2+h;Hw3=abs(fft(h,1024));
figure(7)
%y1=fftfilt(h,y,1024);
plot(f,Hw3);grid;title('(a)带通滤波器组幅频特性')
axis([500,1400,-34,20]);
xlabel('f/Hz');ylabel('幅度');
holdon
end
%**************************
Hw4=fft(y);
f=0:
fs/N:
fs-fs/N;
plot(f,abs(Hw4),'m');
axis([500,1400,0,1]);
四、实验结果及分析:
1、实验结果:
载波正弦波信号
噪声信号
带通滤波器
加窗的带通滤波器
窗函数
窗函数幅频特性
带通滤波器组的幅频特性
速度探测加窗的滤波器组
五、总结:
首先是整个测速仪的原理设计。
利用离散付里叶变换进行频谱分析,设计数字滤波器组,并对滤波器组加窗降低副瓣,通过频域方法测量速度,理解了每一部分的具体含义。
利用公式,算出FdFs。
Fs=4到5倍Fd,然后出一个随机噪声,再除以N降噪声变小。
将滤波器幅频特性加窗,降低旁绊。
利用For函数做滤波器组。
之前做了一个程序,但是滤波器做完后,出现了很大的问题。
但是加窗后就没事了,所以就没有搞明白。
还有显示速度没有做出来。
这次设计还会了很多函数的运用,可以说更灵活的得到了加强。
参考文献:
《数字信号处理》(第三版)高西全丁玉美编注西安电子科技大学出版社
附件:
本科生毕业设计(论文)管理规范
教务处
教育部办公厅关于加强普通高等学校
毕业设计(论文)工作的通知
教高厅〔2004〕14号
各省、自治区、直辖市教育厅(教委),新疆生产建设兵团教育局,有关部门(单位)教育司(局),部属各高等学校:
为了认真贯彻落实国务院批转的《2003-2007年教育振兴行动计划》,办好让人民满意的教育,切实把提高教育质量放在重中之重的位置,实现高等教育的持续健康发展,根据普通高等学校教学的实际情况和社会发展对人才培养工作的新要求,现就加强普通高等学校毕业设计(论文)工作有关要求通知如下:
一、要充分认识毕业设计(论文)环节的重要意义
毕业设计(论文)是实现培养目标的重要教学环节。
毕业设计(论文)在培养大学生探求真理、强化社会意识、进行科学研究基本训练、提高综合实践能力与素质等方面,具有不可替代的作用,是教育与生产劳动和社会实践相结合的重要体现,是培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神的重要实践环节。
同时,毕业设计(论文)的质量也是衡量教学水平,学生毕业与学位资格认证的重要依据。
各省级教育行政部门(主管部门)和各类普通高等学校都要充分认识这项工作的必要性和重要性,制定切实有效措施,认真处理好与就业工作等的关系,从时间安排、组织实施等方面切实加强和改进毕业设计(论文)环节的管理,决不能降低要求,更不能放任自流。
二、要加强毕业设计(论文)阶段的教学管理工作
各类普通高等学校要进一步强化和完善毕业设计(论文)的规范化要求与管理,围绕选题、指导、中期检查、评阅、答辩等环节,制定明确的规范和标准。
毕业设计(论文)选题要切实做到与科学研究、技术开发、经济建设和社会发展紧密结合,要把一人一题作为选题工作的重要原则。
要根据不同专业学科特点和条件,研究建立有效的毕业设计(论文)质量管理模式和监控制度。
要重视研究和解决毕业设计(论文)工作中出现的新情况和新问题,积极采取措施,加大改革和工作力度,建立和完善校内外实习基地,高度重视毕业实习,不断提高毕业设计(论文)的整体水平。
三、要加强对毕业设计(论文)指导教师的管理工作
当前,要重视解决指导教师的数量和水平不适应毕业设计(论文)工作需要的问题。
要统筹教师队伍在毕业设计(论文)工作中的指导作用,确保指导教师数量的足额到位。
要通过建立制度和奖惩机制,从严治教,明确指导教师的职责,增强责任意识,使其集中精力完成毕业设计(论文)环节的各项教育教学任务。
提倡建立校内外指导教师相结合以校内教师为主体的指导教师队伍,加强在各类实践活动中对大学生综合能力的训练。
四、要加强毕业设计(论文)环节的学风建设
要通过各种途径和方式加强对学生的学风教育,使学生理解毕业实习、毕业设计(论文)的目的和意义,充分认识到做好毕业设计(论文)对自身思想品德、业务水平、工作能力和综合素质的提高具有深远的影响。
要建立严格的管理制度,倡导科学、求实、勇于创新、团结协作的优良学风,切实纠正毕业设计(论文)脱离实际的倾向,严肃处理弄虚作假、抄袭等不良行为。
五、高职高专学生的毕业设计要充分体现其职业性和岗位性
高职高专学生的毕业设计要与所学专业及岗位需求紧密结合,可以采取岗前实践和毕业综合训练等形式,由学校教师与企业的专业技术人员共同指导,结合企业的生产实际选题,确定训练内容和任务要求。
时间应不少于半年。
对高职高专学生要加强毕业设计环节的规范管理,加强过程监控,严格考核,采取评阅、答辩、实际操作等形式,检查和验收毕业设计成果。
六、要保证经费投入,努力改善毕业设计(论文)工作的基本条件
高等学校要通过多种形式和渠道加大对毕业设计(论文)工作的经费投入,采取切实措施改变当前对毕业设计(论文)工作投入不足的状况。
改善实习、实验及工作条件,为做好毕业设计(论文)工作创造良好的环境。
请各省级教育行政部门和有关主管部门加强对高等学校毕业设计(论文)工作的宏观管理和指导,认真研究和解决存在的实际问题,提出相应的政策措施。
要及时总结、宣传和推广先进经验,推动毕业设计(论文)工作质量的不断提高。
教育部将在适当时候开展专项检查,在今后的教学评估工作中也将加大对学校毕业设计(论文)环节的考察力度,并将其列为确定评估结论的关键指标。
请认真贯彻执行本通知精神,并将执行中的有关情况及时报告我部高等教育司。
教育部办公厅
二○○四年四月八日
毕业设计(论文)工作管理规程
毕业设计(论文)是本科生培养过程中重要的组成部分,是毕业前学生进行全面综合训练,培养学生综合素质、创新意识和创新能力的一个重要的实践性教学环节,是对学生知识、能力和素质的综合考核。
为了规范我校毕业设计(论文)工作,全面提高毕业设计(论文)质量,特制定本规程。
一、基本要求
毕业设计(论文)应从以下几方面培养学生的能力:
1、综合运用知识能力。
2、文献资料查阅应用能力。
3、研究方案的设计(实验)能力。
4、研究方法和手段(计算机等)的运用能力。
5、技术经济分析能力。
6、外文应用能力。
7、创新能力。
二、工作程序
l、确定题目
每年11月底前,各大学向学生公布下届毕业生课题方向和题目,并说明题目来源、内容、难易程度、工作量大小及所具备的条件等。
各大学可采取学生自选与分配相结合方法,使每位学生选定一个题目,要求一人一题。
2、指定指导教师
大学根据学生选题方向指定指导教师,指导教师确定后,安排指导教师与学生见面。
指导教师向学生下达毕业设计(论文)任务书,并提出具体要求。
毕业设计(论文)开始前,各大学必须进行毕业设计(论文)动员。
组织师生学习本管理规程,明确职责及要求,安排必要的指导培训和专题讲座。
指导教师一般由讲师以上职称的教师担任。
每名指导教师所指导的学生人数一般不超过8人。
特殊情况由各大学教大学长批准。
3、指导过程
毕业设计(论文)过程中,教师的指导工作按前、中、后三阶段进行。
(1)前期:
指导教师检查学生毕业设计(论文)课题进行的必要条件是否具备、进度计划是否合理,审定学生拟定的论文提纲、开题报告或设计方案,并提出具体意见和建议。
了解学生毕业设计(论文)工作中存在的困难和问题,并采取必要、有效的措施解决存在问题。
(2)中期:
指导教师检查毕业设计(论文)工作进度和质量,对毕业设计(论文)初稿进行认真全面的审阅,提出修改意见。
指导教师按时进行答疑与指导,对每位学生的指导时间每周不少于2次,对那些达不到毕业设计(论文)要求的初稿,要帮助学生反复修改,直至达到要求为止。
(3)后期:
指导教师根据任务书及毕业设计(论文)规范化要求,检查学生完成工作任务的情况,组织对毕业设计(论文)文字材料、图纸的质量、实验数据及软、硬件成果的验收,全面审阅毕业设计(论文)的定稿,提出最后修改意见。
4、组织答辩及成绩评定
答辩前,各教大学着重对学生进行答辩资格审查。
每年6月上、中旬为毕业设计(论文)答辩时间,具体日期按校历表执行。
各大学应于答辩前1周向教务处报送本大学答辩委员会名单、答辩小组名单及答辩工作安排,同时在大学公布。
答辩前10天,学生上交毕业设计(论文)全部材料,由指导教师进行答辩资格审查,同时写出评语,交评阅人评阅。
评阅人将论文或设计中检查出的问题反馈给学生,学生在最后3天进行整理、修改,准备答辩。
答辩小组组织学生答辩,答辩结束后,毕业设计(论文)成绩经答辩委员会审定。
5、评先、总结及资料保存
答辩结束,学生将全部资料装订好后上交指导教师,由大学安排专人保存,保存期为10年。
答辩结束后一周内,各大学分别按学生总数的3%报送校级优秀毕业设计(论文)。
答辩结束后两周内,各大学上报本届毕业设计(论文)工作总结,总结包括:
毕业设计(论文)基本情况统计,本单位执行本规程的情况及对提高毕业设计(论文)质量有显著效果的做法,存在的问题及改进措施等。
每年毕业设计(论文)工作结束后,学校组织专家对本届毕业设计(论文)质量进行抽样分析检查。
三、对指导教师的要求
1、指导教师应为人师表、教书育人,同时对学生严格要求。
重视和加强学生创新意识和创造性思维能力的培养;重视学生独立工作能力、分析解决实际问题能力的培养。
2、指导教师一般由讲师以上职称的教师担任。
助教不能单独指导毕业设计(论文),各教研室可有计划地安排他们协助指导教师工作。
3、在校外做毕业设计(论文),必要时可聘请校外中级职称以上的研究人员、工程技术人员协助指导,但应由本专业指导教师负责,掌握进度、要求,协调有关问题。
4、为确保毕业设计(论文)的质量,指导教师的具体任务:
(1)按规定选择课题,报教研室和大学待批。
(2)经大学审查通过后,指导教师按要求认真填写毕业设计(论文)任务书,交教研室主任和大学院长签字后下发给学生。
(3)配合教研室和大学进行前期、中期和后期的检查。
(4)定期对学生进行辅导答疑。
(5)指导学生正确撰写毕业论文或设计说明书。
(6)批改学生外文内容摘要或译文。
(7)答辩前,检查学生完成任务情况,对学生进行答辩资格审查。
根据学生的工作态度、工作能力、设计(论文)质量写
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