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实验四、周期信号的傅里叶级数和频谱的分析
实验、如图1所示,试求出该信号的傅里叶级数,利用MATLAB编程实现其各次谐波的叠加,并验证Gibbs现象。
图1 周期方波信号的波形图
解:从理论分析可知,周期方波信号的傅里叶级数展开式为
其中,。则可分别求出1、3、5、9、19、39、79、159项傅里叶级数求和的结果,其MATLAB程序如下,产生的图形如图2所示。
close all;clear all;
clc
t = -2:0.0001:2;
omega = 2 * pi;
y = square(2 * pi * t,50);
n_max = [1 3 5 9 19 39 79 159];
N = length(n_max);
for k = 1:N
fk = zeros(1,length(t));
for n = 1:2:n_max(k)
bn = 4 / (pi * n);
fk = fk + bn * sin(n * omega * t);
end
figure; plot(t,y,t,fk,Linewidth,2);
xlabel(t(sec));ylabel(部分和的波形);
String = [最大谐波数=,num2str(n_max(k))];
axis([-2 2 -3 3]);grid; title(String);
disp([String,时,在信号跳变点附近的过冲幅度(%)]);
f_max = (max(fk) - max(y)) / (max(y) - min(y)) * 100
end
图2 例1程序产生的图形
程序输出的用于验证Gibbs现象的数值分别为:
13.6620 10.0211 9.4178 9.1164 8.9907 8.9594 8.9484 8.9464
2.2周期信号的频谱分析
(基本原理请参阅教材第四章的4.3节。)
例2:已知周期矩形脉冲信号的脉冲幅度为,宽度为,重复周期为T(角频率)。将其展开为复指数形式的傅里叶级数,研究周期矩形脉冲的宽度和周期T变化时,对其频谱的影响。
解:根据傅里叶级数理论可知,周期矩形脉冲信号的傅里叶系数为
各谱线之间的间隔为。图3画出了、,、和、三种情况下的傅里叶系数。MATLAB程序如下。
close all
clear all
clc
tau = 1; T = 10;
w1 = (-8 * pi) : (2 * pi / T) : (8 * pi);
fn = tau * sinc(w1 / pi * tau / 2);
subplot(311);stem(w1, fn);grid;
title(\tau = 1,T = 10);
axis([-25 25 -0.5 2]);
tau = 1; T = 5;
w2 = (-8 * pi) : (2 * pi / T) : (8 * pi);
fn = tau * sinc(w2 / pi * tau / 2);
subplot(312);stem(w2,fn);grid;
title(\tau = 1, T = 5);
axis([-25 25 -0.5 2]);
tau = 2; T = 10;
w3 = (-8 * pi) : (2 * pi / T) : (8 * pi);
fn = tau * sinc(w3 / pi * tau / 2);
subplot(313);stem(w3,fn);grid;
title(\tau = 2, T = 10);
axis([-25 25 -0.5 2]);
图3 例2程序产生的波形图
3实验报告与要求
在实验报告中,请简要说明对信号进行傅里叶级数展开的原理及其物理意义,简要说明Gibbs现象,并解释周期信号频谱与脉冲宽度和周期T之间的关系。
学会了用
MATLAB
分析傅里叶级数的展开,并理解起含义。并学会将周期函数转
换成傅里叶级数,
将方波信号变为傅里叶的展开,
傅里叶的扩充,
有信号信息推
出原信号。
还验证了吉布斯现象;
通过将周期信号变为复数形式的傅里叶展开式,
弄清了周期信号频谱与脉冲宽度和周期间的关系。
并了解到信号波动的变化随系
统信号的增加,位置越靠近端点。
重庆三峡学院 《信号与系统分析》实验
1
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