信号与系统2024春季第一次作业

原创 TsinghuaJoking 2024-03-02 08:23

01 础作业

  业包括有必做题选做题。必做题要求包含在提交的作业中;选择题用于思考和加强练习。在补缴窗口提交的作业中需要至少包含一道以及以上的选择题木。

一、绘制信号波形

   请根据下面信号的函数表达式,绘制出信号的波形。请注意:

  • 函数变量为   的信号为 连续时间信号;;函数变量为    的信号为 离散时间信号 。离散时间信号波形使用“火柴棒” 样式绘制序列波形。

  • 题目中包括有 奇异函数    ,    等。

  • 绘制波形可以手工绘制,也可以通过MATLAB ,Python以及其他编程绘图语言绘制。绘制时请注意以下关键信息:

    • 坐标系、坐标轴;变量名称、函数名称,单位;
    • 关键点处的函数值;标题、注解等;
    • 能够反映信号变化趋势的包络线与渐近线;
  • 绘制波形可以手工绘制,也可以通过MATLAB ,Python以及其他编程绘图语言绘制。绘制时请注意以下关键信息:

    • 坐标系、坐标轴;变量名称、函数名称,单位;
    • 关键点处的函数值;标题、注解等;
    • 能够反映信号变化趋势的包络线与渐近线;

1、必做题

  (1) 单边指数信号

注:这是利用   与任何信号相乘,表示右边信号的形式。这种信号也被称为 因果信号

  (2) 左边正弦信号

注:这种左边信号,也被称为反因果信号

  (3) 右边指数衰减震荡信号

  (4)复合信号

注:式子中的   是单位阶跃信号。

  (5)衰减振荡序列

  (6)奇怪的周期序列

注意:序列函数中的自变量是 的平方。请观察序列,并判断该序列是否为周期序列信号?

  • 辅导视频SS2023 HW1:绘制信号波形[6]

2、选做题

  (1) 电感放电信号波形

  在下面阻电感电回路中,电感 、电阻 的标称值在电路中已经标明。在时间   时,电感的初始电流为 1A。请绘制出在 之后,电阻 R1 上的电压    的信号波形。

▲ 图1.1.1 电感电阻串联回路


  提示:

  • 根据电路原理分析方法可以知道,电感电阻回路的电流呈现指数衰减特性,具体的表达式如下,在根据输出电压等于回路电流乘以R1,得到输出电压信号表达式,并绘制出波形。

  • 在绘制信号波形的时候,请按照实际的物理信号标注好波形坐标的名称、单位以及一些关键点的信息。

  (2) sinc函数乘积信号

  其中: 

关于为什么研究多个sinc函数相乘,大家可以参见博文:数学中的虚幻模式[7] 。这是一个复杂的波形,建议使用计算机辅助绘制该函数波形。

建议使用软件绘制该图像。

  (3)双边sinc函数序列

  (4) 具有无限多个极大值极小值的有限长信号

这个函数具有无穷多个极大值,极小值。在博文 傅里叶变换中的狄利克雷条件[8] 分析了它的傅里叶变换的特点。

  (5)波形发散的周期信号

提示:这个周期信号将来会在傅里叶变换的狄利克雷条件中分析。在博文 傅里叶变换中的狄利克雷条件[8] 分析了它的傅里叶变换的特点。也请大家思考一下,这个函数在单个周期内:

  • 面积是否有限?
  • 能量是否有限?
  • 辅导视频SS2023HW1:绘制特殊信号波形[9]

二、写出信号函数表达式

  根据下面信号的波形,写出对应的函数表达式。注意,同样一个波形可能会存在多种等效的函数表达式。

1、必做题

  (1)三角信号

▲ 图1.2.2 三角信号


  (2)分段阶跃信号

▲ 图1.2.2 分段阶跃信号


  (3)左边正弦信号

▲ 图1.2.3 单个半波正弦信号


注意:使用 组成的窗口信号与正弦信号的乘积来表示该信号。

  (4)高斯调制信号

▲ 图1.2.4 高斯调制信号


2、选做题

  (1) 周期方波信号

▲ 图1.2.5 周期方波信号


提示:参考前面绘制信号波形中的“复合函数”,以及应用   的特点。

  (2) 阶跃衰减信号

  下面是一个阶跃衰减信号,它:

  • 只在 之间取值;
  • 起始值 ,终值
  • 从0到1过程中,每前进剩余距离一半幅值就降低一半。具有无限多个下降阶跃。

▲ 图1.2.6 阶跃衰减信号


这个函数将会在第三章,在分析傅里叶变换的狄利克雷条件时被被提到。在。在博文 傅里叶变换中的狄利克雷条件[8] 分析了它的傅里叶变换的特点。

◎ 作业参考答案:  第二小题参考答案[10]

  辅导视频SS2023 HW1:信号波形表达式[11]

三、判断信号的周期性

1、必做题

  (1) 正弦信号叠加

  (2) 复指数调制信号

  (3) 全波整流信号

  (4) 余弦信号平方

  (5) 自变量平方正弦信号

  (6)自变量三次方的正弦波序列

请对比离散时间信号与前面连续时间信号的异同

2、选做题

  (1) 离散震荡序列

请注意,这个序列的函数表达式是周期信号,但该序列是否为周期序列?请大家思考。

  (2)判断题

  • 非周期信号与周期信号叠加一定是周期信号。( √,× )
  • 非周期信号与非周期信号叠加一定是非周期信号。( √,× )

  (3)判断题

  已知两个序列之间满足   。请问:

  • 如果 是周期信号,那么 是否也是周期信号?
  • 如果 是周期信号,那么 是否 也是周期信号?

四、冲激信号特性

  根据冲激信号 冲激偶信号 抽样特性[12] ,求下面各个定积分的积分值。

  由于在课堂上先介绍了冲激信号的基本概念:

  对于它们的抽样特性还没有展开讲解。这一部分请大家对课件【1.1.3.3.2】中关于单位冲激信号的三种定义(函数演变定义、Dirac定义、分配函数定义)进行阅读,基于此理解:

  • 单位冲激信号的抽样特性;
  • 单位冲激信号的偶对称性;
  • 单位冲激信号的尺度特性;

  这些特性可以参考在课件【1.1.3.3.3】中总结的性质一览表:

▲ 图1.4.1 冲激信号与冲激偶信号特性表格


1、必做题

  (1)

  (2)

  (3)

注意:请分别讨论 分别在大于0小于0两者情况下的积分结果。

2、选做题

  (1)

  (2)

  (3)

  • 辅导视频 SS2023 HW1:奇异信号性质[13]

02 验内容

  面两个实验题目都是选做题目,可以任选其中一个进行实验,来认知关于信号表达方式与信息传递之间的关系,并对MATLAB,PYTHON中用于信号处理的软件包进行初步的了解。

一、DTMF音频中的电话号码

  本题的背景来自于  技术宅的逆袭 - 牛逼大学生破译360总裁周鸿祎手机号[14] 中介绍的一段有趣的新闻内容。详细内容大家可以参阅上面的网文。

  获得信号的时频联合分布,可以让我们了解音频信号中频率成分随着时间变化的信息。

1、题目要求

  从下面链接下载一段手机拨码音频,利用 MATLAB 中,或者PYTHON 中的 spectrogram 函数获得该音频信号的 时频联合分布图像,根据其中每个音频信号对应的频路组合,识别电话音乐中对应的电话号码。

  • 电话音频文件下载链接[15] : https://gitee.com/tsinghuajoking/teaching-resources/raw/master/Signals&Systems/2022年/PhoneSound.wav

  下面给出了  DTMF编码方案[16] 中每个电话号码对应的高频和低频频率组合。

▲ 图2.1.1 DTFM信号及其电话编码规格


2、编程处理示例

(1)MATLAB 示例

  下面给出了在MATLAB中处理DTMF 命令示例。

1.在MATLAB中使用audioread,audiowrite命令完成音频文件  的读取和存储。2.在MATLAB中处理声音信号实际上是对连续声音信号的离散  采用数据进行处理。3.对于音频信号的尺度变化,也可以试着改变音频文件的采  样率fs来达到同样的效果。

(2)PYTHON示例

  利用Python来显示信号的 Spectrogram 可以参照下面博文中给出的示例:

  • 检测DTMF信号质量[17]

二、音频中的图像

  在声音中除了可以嵌入数字编码,也可以嵌入图像信息。下面这段音频就嵌入了两个图片,一个是手写“中秋佳节”图片,另外一个是人头肖像画。可以在MATLAB中使用

soundata = audioread(...)

  命令将声音数据读入内容,在使用如下命令绘制出时频分析图谱:

spectrogram(sounddata, 4096,2048,500:2000,fs,'yaxis')

▲ 图2.2.1 声音中嵌入的图像


1、题目要求

  从网络学堂课程文件中下载 音频的数据文件 HOMEWORK.MP3。通过 FFT(快速傅里叶变换,这部分内容将会在第三章进行讲解)来绘制出声音中的图像。

  • 耳朵听图像[18]
参考资料
[1]

2021年春季学期-信号与系统-第一次作业参考答案: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/114649560

[2]

信号与系统 2022 春季学期第一次作业: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/123113465

[3]

信号与系统 2023(春季) 作业要求 - 第一次作业: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/129178728

[4]

信号与系统 2023年春季作业要求与参考答案汇总: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/130018064?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%22130018064%22%2C%22source%22%3A%22zhuoqingjoking97298%22%7D

[5]

信号与系统2024(春季)作业要求 - 第一次作业: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/136378907?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%22136378907%22%2C%22source%22%3A%22zhuoqingjoking97298%22%7D

[6]

辅导视频SS2023 HW1:绘制信号波形: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/129806980

[7]

数学中的虚幻模式: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/104134302

[8]

傅里叶变换中的狄利克雷条件: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/115107590

[9]

辅导视频SS2023HW1:绘制特殊信号波形: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/129816870

[10]

第二小题参考答案: https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/124272082#t3

[11]

辅导视频SS2023 HW1:信号波形表达式: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/129821730

[12]

抽样特性: https://www.docin.com/p-1853412688.html

[13]

辅导视频 SS2023 HW1:奇异信号性质: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/129828994

[14]

技术宅的逆袭 - 牛逼大学生破译360总裁周鸿祎手机号: https://www.ipcfun.com/decode-360-ceo-phone-number.html

[15]

电话音频文件下载链接: https://gitee.com/tsinghuajoking/teaching-resources/raw/master/Signals&Systems/2022%E5%B9%B4/PhoneSound.wav

[16]

DTMF编码方案: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/122773539

[17]

检测DTMF信号质量: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/122622787

[18]

耳朵听图像: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjQyNjc2NQ==&mid=2452217619&idx=1&sn=3b727f9a35d1f19c8e7adcce1db38f7c&chksm=876d3171b01ab867efdb72bdcadd758b8b2ef89fd3ec90a038a00a5cffb34bb600f614700d69&token=1647327617&lang=zh_CN#rd


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