Tài liệu giải bài tập Xử lý tín hiệu số bằng MATLAB, 2nd Edition - Robert J. Harris

Chuyên ngành

Xử lý tín hiệu số

Người đăng

Ẩn danh

2012

873
0
0

Phí lưu trữ

135 Point

Tóm tắt

I. Tổng quan về Schilling Fundamentals of DSP Using MATLAB 2nd Ed Solutions

Giáo trình Fundamentals of Digital Signal Processing Using MATLAB của Robert J. Schilling và Sandra L. Harris là tài liệu giảng dạy hàng đầu trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số. Ấn bản thứ hai được Cengage Learning xuất bản năm 2012, đi kèm Solutions Manual do Robert J. Harris biên soạn. Tài liệu giải bài tập này chứa đựng lời giải chi tiết cho toàn bộ bài tập trong sách giáo khoa, trình bày rõ ràng từng bước giải. Nội dung bao gồm các chủ đề cốt lõi như lấy mẫu tín hiệu, biến đổi Fourier, lọc số, và thiết kế hệ thống số. Solutions Manual phục vụ như công cụ học tập thiết yếu cho sinh viên kỹ thuật điện tử, viễn thông và công nghệ thông tin. Mỗi lời giải đều kết hợp lý thuyết DSP với thực hành MATLAB, giúp người học nắm vững cả khái niệm trừu tượng lẫn kỹ năng lập trình mô phỏng. Tài liệu được bảo vệ bản quyền nghiêm ngặt bởi Cengage Learning, chỉ phân phối cho giảng viên và sinh viên đăng ký khóa học liên quan.

1.1. Cấu trúc và nội dung chính của Solutions Manual

Solutions Manual được biên soạn theo đúng cấu trúc chương của sách giáo khoa. Mỗi chương tương ứng với một chủ đề cốt lõi trong xử lý tín hiệu số, từ lý thuyết lấy mẫu đến thiết kế bộ lọc số. Phần lời giải bao gồm cả bài tập tính toán lẫn bài tập mô phỏng MATLAB. Các bài tập mô phỏng thường sử dụng GUI modules như g_reconstruct, g_sample để trực quan hóa kết quả. Mỗi lời giải đều có kèm hình ảnh minh họa, biểu đồ phổ tần số và đồ thị thời gian. Cách trình bày từng bước giúp sinh viên theo dõi logic giải bài một cách hệ thống.

1.2. Vai trò của MATLAB trong tài liệu giải bài tập

MATLAB đóng vai trò trung tâm trong Solutions Manual này. Công cụ MATLAB được sử dụng để mô phỏng các quá trình xử lý tín hiệu như lấy mẫu, lượng tử hóa và lọc số. Các hàm GUI module giúp sinh viên tương tác trực tiếp với tham số hệ thống, quan sát sự thay đổi kết quả theo thời gian thực. Ví dụ, module g_sample cho phép thay đổi tần số lấy mẫu, số bit ADC và điện áp tham chiếu. Việc kết hợp lý thuyết với thực hành MATLAB giúp người học hiểu sâu hơn về hiện tượng aliasing, lỗi lượng tử hóa và đáp ứng tần số của bộ lọc.

II. Phân tích vấn đề lấy mẫu và định lý Nyquist trong Solutions

Lấy mẫu tín hiệu là nền tảng quan trọng nhất trong xử lý tín hiệu số. Solutions Manual trình bày chi tiết định lý Nyquist-Shannon và các bài toán liên quan. Một số bài tập thú vị yêu cầu phân tích tín hiệu có phổ chứa lỗ hổng, nơi tần số lấy mẫu có thể thấp hơn hai lần băng thông. Cụ thể, bài tập 1.45 xem xét tín hiệu x_a(t) có phổ với lỗ hổng, băng thông B bằng 600 Hz. Khi tần số lấy mẫu f_s bằng 750 Hz, phổ tín hiệu lấy mẫu cần được phác đồ cẩn thận để tránh chồng chéo. Bộ lọc tái thiết lý tưởng được thiết kế để chiết xuất đúng phổ gốc. Phần lời giải chỉ ra rằng tín hiệu có thể tái tạo được trong khoảng 700 đến 800 Hz, thấp hơn đáng kể so với giới hạn Nyquist chuẩn. Đây là minh chứng rõ ràng cho thấy định lý Nyquist có thể được mở rộng trong điều kiện đặc biệt.

2.1. Bài toán phổ có lỗ hổng và tần số lấy mẫu dưới Nyquist

2.2. Hiện tượng aliasing và cách nhận diện trong lời giải

III. Giải pháp thiết kế DAC ADC và bộ lọc chống aliasing

Solutions Manual cung cấp hướng dẫn chi tiết cho việc thiết kế các thành phần phần cứng trong hệ thống xử lý tín hiệu số. Các bài tập về DAC sử dụng module g_reconstruct để mô phỏng bộ chuyển đổi số sang tương tự 12 bit với điện áp tham chiếu V_r bằng 10 volt. Bộ lọc chống hình ảnh Butterworth bậc 6 với tần số cắt F_c bằng 2 Hz được kết hợp sử dụng. Kỹ thuật oversampling với hệ số 2 được áp dụng để cải thiện chất lượng tín hiệu đầu ra. Đối với ADC, module g_sample mô phỏng quá trình lượng tử hóa với đầu vào là hàm mũ giảm dần. Các tham số thay đổi bao gồm số bit N, điện áp tham chiếu V_r và tần số lấy mẫu. Kết quả cho thấy mức lượng tử hóa q thay đổi theo công thức q = V_r / 2^N. Một số trường hợp ADC bị bão hòa khi biên độ tín hiệu vượt quá dải lượng tử hóa. Các giải pháp được trình bày rõ ràng với biểu đồ minh họa trực quan.

3.1. Thiết kế DAC với bộ lọc chống hình ảnh Butterworth

3.2. Mô phỏng ADC và kiểm tra bão hòa lượng tử hóa

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của Solutions Manual DSP

Solutions Manual cho Fundamentals of Digital Signal Processing Using MATLAB là tài liệu học tập toàn diện. Nó không chỉ cung cấp lời giải mà còn giải thích logic đằng sau mỗi phép tính. Sinh viên có thể kiểm tra kết quả tính toán bằng cách chạy mã MATLAB tương ứng. Các GUI modules giúp trực quan hóa khái niệm trừu tượng như phổ tần số, đáp ứng xung và lỗi lượng tử hóa. Tài liệu đặc biệt hữu ích cho việc chuẩn bị thi và làm đồ án môn học. Kiến thức từ Solutions Manual áp dụng trực tiếp vào nhiều lĩnh vực công nghiệp. Thiết kế hệ thống viễn thông, xử lý âm thanh, hình ảnh y tế và điều khiển tự động đều sử dụng nguyên tắc DSP. Khả năng mô phỏng MATLAB giúp kỹ sư kiểm tra thiết kế trước khi triển khai phần cứng. Ấn bản thứ hai cập nhật các công cụ MATLAB mới nhất, đảm bảo tính hiện đại của nội dung. Giải pháp học tập này đóng vai trò cầu nối giữa lý thuyết và thực hành kỹ thuật số.

4.1. Ứng dụng trong nghiên cứu và đào tạo kỹ thuật

4.2. Giá trị của lời giải chi tiết cho việc tự học DSP

21/04/2026

Trích đoạn nội dung tài liệu

An Instructor’s Solutions Manual to Accompany Fundamentals of Digital Signal Processing using MATLAB, 2nd Edition Robert J. Harris http://www.com LIBROS UNIVERISTARIOS Y SOLUCIONARIOS DE MUCHOS DE ESTOS LIBROS LOS SOLUCIONARIOS CONTIENEN TODOS LOS EJERCICIOS DEL LIBRO RESUELTOS Y EXPLICADOS DE FORMA CLARA VISITANOS PARA DESARGALOS GRATIS. © 2012, 2005 Cengage Learning ISBN-13: 978-1-1114-2603-3 ISBN-10: 1-111-42603-1 ALL RIGHTS RESERVED. No part of this work covered by the copyright herein may be reproduced, transmitted, stored, or Cengage Learning used in any form or by any means graphic, electronic, or 200 First Stamford Place, Suite 400 mechanical, including but not limited to photocopying, Stamford, CT 06902 recording, scanning, digitizing, taping, Web distribution, USA information networks, or information storage and retrieval systems, except as permitted under Section 107 or 108 of the Cengage Learning is a leading provider of customized 1976 United States Copyright Act, without the prior written learning solutions with office locations around the globe, permission of the publisher except as may be permitted by the including Singapore, the United Kingdom, Australia, license terms below. Mexico, Brazil, and Japan. Locate your local office at: international. Cengage Learning products are represented in For product information and technology assistance, contact us at Canada by Nelson Education, Ltd. Cengage Learning Academic Resource Center, 1-800-423-0563. For your course and learning solutions, visit www. For permission to use material from this text or product, submit all requests online at www. Further permissions questions can be emailed to Purchase any of our products at your local college permissionrequest@cengage. store or at our preferred online store www. NOTE: UNDER NO CIRCUMSTANCES MAY THIS MATERIAL OR ANY PORTION THEREOF BE SOLD, LICENSED, AUCTIONED, OR OTHERWISE REDISTRIBUTED EXCEPT AS MAY BE PERMITTED BY THE LICENSE TERMS HEREIN. READ IMPORTANT LICENSE INFORMATION Dear Professor or Other Supplement Recipient: posted electronically as described herein. Any material posted electronically must be through a password-protected site, with all Cengage Learning has provided you with this product (the copy and download functionality disabled, and accessible solely by “Supplement”) for your review and, to the extent that you adopt your students who have purchased the associated textbook for the the associated textbook for use in connection with your course Course. You may not sell, license, auction, or otherwise redistribute (the “Course”), you and your students who purchase the the Supplement in any form. We ask that you take reasonable textbook may use the Supplement as described below. steps to protect the Supplement from unauthorized use, Cengage Learning has established these use limitations in reproduction, or distribution. Your use of the Supplement indicates response to concerns raised by authors, professors, and other your acceptance of the conditions set forth in this Agreement. If you users regarding the pedagogical problems stemming from do not accept these conditions, you must return the Supplement unlimited distribution of Supplements. unused within 30 days of receipt. Cengage Learning hereby grants you a nontransferable license All rights (including without limitation, copyrights, patents, and trade to use the Supplement in connection with the Course, subject to secrets) in the Supplement are and will remain the sole and the following conditions. The Supplement is for your personal, exclusive property of Cengage Learning and/or its licensors. The noncommercial use only and may not be reproduced, posted Supplement is furnished by Cengage Learning on an “as is” basis electronically or distributed, except that portions of the without any warranties, express or implied. This Agreement will be Supplement may be provided to your students IN PRINT FORM governed by and construed pursuant to the laws of the State of ONLY in connection with your instruction of the Course, so long New York, without regard to such State’s conflict of law rules. as such students are advised that they may not copy or distribute any portion of the Supplement to any third party. Test Thank you for your assistance in helping to safeguard the integrity banks and other testing materials may be made available in the of the content contained in this Supplement. We trust you find the classroom and collected at the end of each class session, or Supplement a useful teaching tool. Printed in the United States of America 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 INSTRUCTOR'S SOLUTIONS MANUAL TO ACCOMPANY FUNDAMENTALS OF DIGITAL SIGNAL PROCESSING using MATLAB SECOND EDITION ROBERT J. HARRIS Contents Chapter 1 1 Chapter 2 57 Chapter 3 155 Chapter 4 274 Chapter 5 384 Chapter 6 467 Chapter 7 572 Chapter 8 675 Chapter 9 765 Chapter 1 1.1 Suppose the input to an amplifier is xa (t) = sin(2πF0 t) and the steady-state output is ya (t) = 100 sin(2πF0 t + φ1 ) − 2 sin(4πF0 t + φ2 ) + cos(6πF0 t + φ3 ) (a) Is the amplifier a linear system or is it a nonlinear system? (b) What is the gain of the amplifier? (c) Find the average power of the output signal. (d) What is the total harmonic distortion of the amplifier? Solution (a) The amplifier is nonlinear because the steady-state output contains harmonics.2), the amplifier gain is K = 100.4), the output power is d20 1 2 d1 + d+ 22 + d23  Py = + 4 2 = . All Rights Reserved. May not be scanned, copied or duplicated, or posted to a publicly accessible website, in whole or in part.2 Consider the following signum function that returns the sign of its argument.   1 , t>0 ∆ sgn(t) = 0 , t=0 −1 , t < 0  (a) Using Appendix 1, find the magnitude spectrum (b) Find the phase spectrum Solution (a) From Table A2 in Appendix 1 1 Xa (f ) = jπf Thus the magnitude spectrum is Aa (f ) = |Xa(f )| 1 = |jπf | 1 = π|f | (b) The phase spectrum is φa (f ) = 6 Xa (f ) = −6 jπf π  = −sgn(f ) 2 © 2012 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be scanned, copied or duplicated, or posted to a publicly accessible website, in whole or in part.3 Parseval’s identity states that a signal and its spectrum are related in the following way. Z ∞ Z ∞ 2 |xa (t)| dt = |Xa(f )|2 df −∞ −∞ Use Parseval’s identity to compute the following integral. Z ∞ J = sinc2 (2Bt)dt −∞ Solution From Table A2 in Appendix 1 if xa (t) = sinc(2Bt) then µa (f + B) − µa (f − B) Xa (f ) = 2B Thus by Parseval’s identity Z ∞ J = sin2 (2Bt)dt Z−∞ ∞ = |xa (t)|2 dt Z−∞ ∞ = |Xa(f )|2 df −∞ Z B 1 = df 2B −B = 1 © 2012 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be scanned, copied or duplicated, or posted to a publicly accessible website, in whole or in part.4 Consider the causal exponential signal xa (t) = exp(−ct)µa (t) (a) Using Appendix 1, find the magnitude spectrum. (b) Find the phase spectrum (c) Sketch the magnitude and phase spectra when c = 1. Solution (a) From Table A2 in Appendix 1 1 Xa (f ) = c + j2πf Thus the magnitude spectrum is Aa(f ) = |Xa(f )| 1 = |c + j2πf | 1 = p c + (2πf )2 2 (b) The phase spectrum is Aa (f ) = |Xa (f )| = 1 − 6 (c + j2πf ) 6   2πf = − tan−1 c © 2012 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be scanned, copied or duplicated, or posted to a publicly accessible website, in whole or in part.4 (c) Magnitude and Phase Spectra, c = 1 © 2012 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be scanned, copied or duplicated, or posted to a publicly accessible website, in whole or in part.5 If a real analog signal xa (t) is square integrable, then the energy that the signal contains within the frequency band [F0 , F1 ] where F0 ≥ 0 can be computed as follows. Z F1 E(F0 , F1 ) = 2 |Xa(f )|2 df F0 Consider the following double exponential signal with c > 0. Solution (a) From Table A2 in Appendix 1 2c Xa (f ) = c2 + 4π 2 f 2 Thus the total energy of xa (t) is Z ∞ E(0, ∞) = 2 |Xa(f )|2 df Z0 ∞   2c = 2 df 0 c2 + 4π 2 f 2  ∞ 4c 2πf = tan−1 2πc c 0 2 π  = π 2 = 1 (b) Using part (a), the percentage of the total energy that lies in the frequency range [0, 2] Hz is 100E(0, 2) p = E(0, ∞) = 100E(0, 2) 2πf 2   200 = tan−1 π c   0 200 4π = tan−1 % π c © 2012 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be scanned, copied or duplicated, or posted to a publicly accessible website, in whole or in part.6 Let xa (t) be a periodic signal with period T0 . The average power of xa(t) can be defined as follows. Z T0 1 Px = |xa (t)|2 dt T0 0 Find the average power of the following periodic continuous-time signals. (a) xa(t) = cos(2πF0 t) (b) xa(t) = c (c) A periodic train of pulses of amplitude a, duration T , and period T0 . Solution (a) Using Appendix 2, Z 1/F0 Px = F0 cos2 (2πF0 t)dt 0 Z 1/F0 F0 = [1 + cos(4πF0 t)]dt 2 0 1 = 2 (b) Z T0 1 Px = c2 dt T0 0 = c2 (c) Z T 1 Px = a2 dt T0 0 a2 T = T0 © 2012 Cengage Learning. All Rights Reserved. May not be scanned, copied or duplicated, or posted to a publicly accessible website, in whole or in part.7 Consider the following discrete-time signal where the samples are represented using N bits. x(k) = exp(−ckT )µ(k) (a) How many bits are needed to ensure that the quantization level is less than . What is the average power of the quantization noise? Solution (a) For k ≥ 0, the signal ranges over 0 ≤ x(k) ≤ 1. Thus xmin = 0 and xmax = 1 and from (1.3) the quantization level is 1 q = 2N Setting q = .001 yields 1 1 = 2N 1000 Taking the log of both sides, −N ln(2) = − ln(1000) or   ln(1000) N = ceil ln(2) = ceil(9.8) the average power of the quantization noise using N = 8 bits is q2 E[e2] = 12 1 = 12(2N )2 = 1. All Rights Reserved. May not be scanned, copied or duplicated, or posted to a publicly accessible website, in whole or in part.8 Show that the spectrum of a causal signal xa(t) can be obtained from the Laplace transform Xa(s) be replacing s by j2πf . Is this also true for noncausal signals? Solution For a causal signal xa (t), the one-sided Laplace transform can be extended to a two-sided transform without changing the result. Thus the spectrum of a causal signal can be obtained from the Laplace transform as follows. All Rights Reserved. May not be scanned, copied or duplicated, or posted to a publicly accessible website, in whole or in part.9 Consider the following periodic signal. (b) Suppose xa(t) is sampled with a sampling frequency of fs = 8 Hz. Sketch the magnitude spectrum of xa (t) and the sampled signal, x̂a (t). (c) Does aliasing occur when xa (t) is sampled at the rate fs = 8 Hz? What is the folding frequency in this case? (d) Find a range of values for the sampling interval T which ensures that aliasing will not occur. The folding frequency is fs fd = 2 = 4 Hz (d) The signal xa (t) is bandlimited to 5 Hz.1, to avoid aliasing, the sampling rate must satisfy fs > 10.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ