РефератыКоммуникации и связьАнАнализ дискретной системы

Анализ дискретной системы

Новосибирская государственная академия водного транспорта


Кафедра информационных систем


Курсовая работа на тему "Анализ дискретной системы"


по дисциплине "Математические модели данных, сигналов и систем"

Выполнил студент


Абросимов М.В.


Проверил


преподаватель Голышев Д.Н.


2010


Ключевые слова:
АЧХ, ФЧХ, амплитуда, колебание, импульсную характеристику, система каузальная, алгоритм, дискретная система, система, индекс, период, чистота, устойчивость, фаза.

Объем работы: 17стр.


Количество графиков: 5 рисунков


Использованная литература: 5 источников


Цель работы:

Ознакомиться с системными функциями линейных систем. Приобрести практические навыки анализа дискретной линейной системы.


а0:=1 а1:=1 а2:=1 а3:=1 b1:=0,5 b2:=0,3



Содержание



Введение


Пояснительная записка


Задание I. Разностное уравнение системы


Задание II. Импульсная характеристика


Задание III. Переходная характеристика


Задание IV. Импульсная характеристика


Задание V. Системная функция дискретной системы


Задание VI. АЧХ и ФЧХ


Задание VII. Устойчивость системы


Заключение


Список литературы


Введение



Многоскоростная обработка сигналов (multirate processing) предполагает, что в процессе преобразования цифровых сигналов возможно изменение частоты дискретизации в сторону уменьшения или увеличения и, как следствие, требуемой скорости обработки. Это приводит к более эффективной обработке сигналов, так как открывается возможность значительного уменьшения требуемой вычислительной производительности проектируемой цифровой системы. В последние годы в области многоскоростной обработки сигналов достигнуты громадные успехи. Многоскоростная фильтрация и особенности ее применения стали предметом исследований многочисленных научных работ по цифровой обработке сигналов (ЦОС). Появились десятки монографий и учебных пособий, так или иначе связанных с научными и практическими достижениями в этой области. Совершенно уникальные возможности дает использование многоскоростной обработки в системах адаптивной и нелинейной фильтрации, сжатия, анализа и восстановления речи, звука и изображений.



Пояснительная записка



Предполагается, что на вход системы поступают входные дискретные сигналы x
(n
), реакцию на которые называют выходом системы y
(n
). Здесь n
– это номер дискретного отчета n
= 0, 1, 2, 3 …


Основные конструктивные элементы дискретных систем.


1. Умножение сигнала на константу А.



2. Задержка сигнала на один отчет n
(интервал времени, равный шагу дискретизации сигнала Td
).



3. Сумматор сигналов.





Задание
I
. Разностное уравнение системы



Найдем разностное уравнение системы
– это зависимость между дискретными сигналами x
(n
) и y
(n
).


Для данной схемы получим


y
(
n
)=
x
(
n
)+
x
(
n
-1)+
x
(
n
-2)+
x
(
n
-3)+0,5*
y
(
n
-1)+0,3*
y
(
n
-2)



По аналогии с непрерывной системой дискретная система во временной области описывается 2 характеристиками: импульсной
(весовой) w(n
) и переходной
g(n
).


Задание
II
. Импульсная характеристика



Найдем импульсную характеристику
– это реакция системы на входное воздействие в виде дискретной дельта-функции δ
(n
), т.е.


если x
(n
) = δ
(n
), то y
(n
) = w
(n
), где



.



Получим для нашей системы


w
(
n
)=1*
δ
(
n
)+1*
δ
(
n
-1)+1*
δ
(
n
-2)+1*
δ
(
n
-3)+0,5*
w
(
n
-1)+0,3*
w
(
n
-2)


При этом мы предполагаем, что наша система каузальная
или физически реализуемая
, что означает, что реакция (отклик) системы не может наступить раньше подачи входного сигнала.


Т.к. входной сигнал подается в момент n
= 0, то импульсная характеристика должна быть равна w(n
) = 0 при отрицательных значениях n
.


При n
= 0 импульсная характеристика системы будет равна


w(0)=δ(0)+δ(0-1)+δ(0-2)+δ(0-3)+0,5*w(0-1)+0,3*w(0-2)


w(0)=1+0+0+0+0+0=1


При n
= 1 импульсная характеристика системы будет равна


w(1)=δ(1)+δ(1-1)+δ(1-2)+δ(1-3)+0,5*w(1-1)+0,3*w(1-2)


w(1)=0+1+0+0,5+0=1,5


При n
= 2 импульсная характеристика системы будет равна


w(2)=δ(2)+δ(2-1)+δ(2-2)+δ(2-3)+0,5*w(2-1)+0,3*w(2-2)


w(2)=0+0+1+0+(0,5*1,5)+1=2,05


При n
= 3 импульсная характеристика системы будет равна


w(3)=δ(3)+δ(3-1)+δ(3-2)+δ(3-3)+0,5*w(3-1)+0,3*w(3-2)


w(3)=0+0+0+1+0,5*2,05+0,3*1,5=2,47


При n
= 4 импульсная характеристика системы будет равна


w(4)=δ(4)+δ(4-1)+δ(4-2)+δ(4-3)+0,5*w(4-1)+0,3*w(4-2)


w(4)=0+0+0+0+0,5*2,47+0,3*2,05=1,85


При n
= 5 импульсная характеристика системы будет равна


w(5)=δ(5)+δ(5-1)+δ(5-2)+δ(5-3)+0,5*w(5-1)+0,3*w(5-2)


w(5)=0+0+0+0+0,5*1,85+0,3*2,47=1,66


При n
= 6 импульсная характеристика системы будет равна


w(6)=δ(6)+δ(6-1)+δ(6-2)+δ(6-3)+0,5*w(6-1)+0,3*w(6-2)


w(6)=0+0+0+0+0,5*1,66+0,3*1,85=1,38


При n
= 7 импульсная характеристика системы будет равна


w(7)=δ(7)+δ(7-1)+δ(7-2)+δ(7-3)+0,5*w(7-1)+0,3*w(7-2)


w(7)=0+0+0+0+0,5*1,38+0,3*1,66=1,19


При n
= 8 импульсная характеристика системы будет равна


w(8)=δ(8)+δ(8-1)+δ(8-2)+δ(8-3)+0,5*w(8-1)+0,3*w(8-2)


w(8)=0+0+0+0+0,5*1,19+0,3*1,38=1,01


При n
= 9 импульсная характеристика системы будет равна


w(9)=δ(1)+δ(9-1)+δ(9-2)+δ(9-3)+0,5*w(9-1)+0,3*w(9-2)


w(9)=0+0+0+0+0,5*1,01+0,3*1,19=0,86


При n
= 10 импульсная характеристика системы будет равна


w(10)=δ(10)+δ(10-1)+δ(10-2)+δ(10-3)+0,5*w(10-1)+0,3*w(10-2)


w(10)=0+0+0+0+0,5*0,86+0,3*1,01=0,73


При n
= 11импульсная характеристика системы будет равна


w(11)=δ(11)+δ(11-1)+δ(11-2)+δ(11-3)+0,5*w(11-1)+0,3*w(11-2)


w(11)=0+0+0+0+0,5*0,73+0,3*0,86=0,62


При n
= 12 импульсная характеристика системы будет равна


w(12)=δ(12)+δ(12-1)+δ(12-2)+δ(12-3)+0,5*w(12-1)+0,3*w(12-2)


w(12)= 0+0+0+0+0,5*0,62+0,3*0,73=0,53


При n
= 13 импульсная характеристика системы будет равна


w(13)=δ(13)+δ(13-1)+δ(13-2)+δ(13-3)+0,5*w(13-1)+0,3*w(13-2)


w(13)=0+0+0+0+0,5*0,53+0,3*0,62=0,45


При n
= 14 импульсная характеристика системы будет равна


w(14)=δ(14)+δ(14-1)+δ(14-2)+δ(14-3)+0,5*w(14-1)+0,3*w(14-2)


w(14)=0+0+0+0+0,5*0,45+0,3*0,52=0,38


При n
= 14 импульсная характеристика системы будет равна


w(15)=δ(15)+δ(15-1)+δ(15-2)+δ(15-3)+0,5*w(15-1)+0,3*w(15-2)


w(15)=0+0+0+0+0,5*0,38+0,3*0,45=0,32



Рисунок 1: импульсная характеристика



Задание
III
.
Переходная характеристика



Найдем переходную характеристику
– это реакция системы на входное воздействие в виде дискретной функции единичного скачка, т.е.


если x
(n
) = h
(n
), то y
(n
) = g
(n
), где





Получим для нашей системы


g
(
n
)=1*
h
(
n
)+1*
h
(
n
-1)+1*
h
(
n
-2)+1*
h
(
n
-3)+0,5*
g
(
n
-1)+0,3*
g
(
n
-2)


При этом мы предполагаем, что наша система каузальная
или физически реализуемая
, что означает, что переходная характеристика должна быть равна g(n
) = 0 при отрицательных значениях n
.


При n
= 0 переходная характеристика системы будет равна


g(0)=h(0)+h(0-1)+h(0-2)+h(0-3)+0,5*g(0-1)+0,

3*g(0-2)


g(0)=1+0+0+0+0+0=1


При n
= 1 переходная характеристика системы будет равна


g(1)=h(1)+h(1-1)+h(1-2)+h(1-3)+0,5*g(1-1)+0,3*g(1-2)


g(1)=1+1+0+0+0,5+0=2,5


При n
= 2 переходная характеристика системы будет равна


g(2)=h(2)+h(2-1)+h(2-2)+h(2-3)+0,5*g(2-1)+0,3*g(2-2)


g(2)=1+1+1+0+0,5*2,5+0,3=4,55


При n
= 3 переходная характеристика системы будет равна


g(3)=h(3)+h(3-1)+h(3-2)+h(3-3)+0,5*g(3-1)+0,3*g(3-2)


g(3)=1+1+1+1+0,5*4,55+0,3*2,5=7,02


При n
= 4 переходная характеристика системы будет равна


g(4)=h(4)+h(4-1)+h(4-2)+h(4-3)+0,5*g(4-1)+0,3*g(4-2)


g(4)=1+1+1+1+0,5*7,02+0,3*4,55=8,87


При n
= 5 переходная характеристика системы будет равна


g(5)=h(5)+h(5-1)+h(5-2)+h(5-3)+0,5*g(5-1)+0,3*g(5-2)


g(5)= 1+1+1+1+0,5*8,87+0,3*7,02=10,54


При n
= 6 переходная характеристика системы будет равна


g(6)=h(6)+h(6-1)+h(6-2)+h(6-3)+0,5*g(6-1)+0,3*g(6-2)


g(6)= 1+1+1+1+0,5*10,54+0,3*8,87=11,93


При n
= 7 переходная характеристика системы будет равна


g(7)=h(7)+h(7-1)+h(7-2)+h(7-3)+0,5*g(7-1)+0,3*g(7-2)


g(7)= 1+1+1+1+0,5*11,93+0,3*10,54=13,12


При n
= 8 переходная характеристика системы будет равна


g(8)=h(8)+h(8-1)+h(8-2)+h(8-3)+0,5*g(8-1)+0,3*g(8-2)


g(8)= 1+1+1+1+0,5*13,12+0,3*11,93=14,13


При n
= 9 переходная характеристика системы будет равна


g(9)=h(9)+h(9-1)+h(9-2)+h(9-3)+0,5*g(9-1)+0,3*g(9-2)


g(9)= 1+1+1+1+0,5*14,13+0,3*13,12=15,0


При n
= 10 переходная характеристика системы будет равна


g(10)=h(10)+h(10-1)+h(10-2)+h(10-3)+0,5*g(10-1)+0,3*g(10-2)


g(10)= 1+1+1+1+0,5*15,0+0,3*14,13=15,73


При n
= 11 переходная характеристика системы будет равна


g(11)=h(11)+h(11-1)+h(11-2)+h(11-3)+0,5*g(11-1)+0,3*g(11-2)


g(11)= 1+1+1+1+0,5*15,73+0,3*15,0=16,36


При n
= 12 переходная характеристика системы будет равна


g(12)=h(12)+h(12-1)+h(12-2)+h(12-3)+0,5*g(12-1)+0,3*g(12-2)


g(12)= 1+1+1+1+0,5*16,36+0,3*15,73=16,90


При n
= 13 переходная характеристика системы будет равна


g(13)=h(13)+h(13-1)+h(13-2)+h(13-3)+0,5*g(13-1)+0,3*g(13-2)


g(13)= 1+1+1+1+0,5*16,90+0,3*16,36=17,36


При n
= 14 переходная характеристика системы будет равна


g(14)=h(14)+h(14-1)+h(14-2)+h(14-3)+0,5*g(14-1)+0,3*g(14-2)


g(14)= 1+1+1+1+0,5*17,36+0,3*16,90=17,75


При n
= 15 переходная характеристика системы будет равна


g(15)=h(15)+h(15-1)+h(15-2)+h(15-3)+0,5*g(15-1)+0,3*g(15-2)


g(15)= 1+1+1+1+0,5*17,75+0,3*17,36=18,08



Рисунок 2: переходная характеристика



Задание
IV
. Импульсная характеристика


Найдем отклик системы на входное воздействие следующего вида




.



y(n)=1*x(n)+1*x(n-1)+1*x(n-2)+1*x(n-3)+0,5*y(n-1)+0,3*y(n-2)


При n
= 0 выходной сигнал системы будет равна


y(0)=x(0)+ x(0-1)+x(0-2)+x(0-3)+0,5*y(0-1)+0,3*y(0-2)


y(0)=1+0+0+0+0+0=1


При n
= 1 выходной сигнал системы будет равна


y(1)=x(1)+x(1-1)+x(1-2)-x(1-3)+0,5*x(1-1)+0,3*x(1-2)


y(1)=1+1+0+0+0,5+0=2,5


При n
= 2 выходной сигнал системы будет равна


y(2)=x(2)+x(2-1)+x(2-2)+x(2-3)+0,5*y(2-1)+0,3*y(2-2)


y(2)=1+1+1+0+0,5*2,5+0,3=4,55


При n
= 3 выходной сигнал системы будет равна


y(3)=x(3)+x(3-1)+x(3-2)+x(3-3)+0,5*y(3-1)+0,3*y(3-2)


y(3)=1+1+1+1+0,5*4,55+0,3*2,5=7,02


При n
= 4 выходной сигнал системы будет равна


y(4)=x(4)+x(4-1)+x(4-2)+x(4-3)+0,5*y(4-1)+0,3*y(4-2)


y(4)=1+1+1+1+0,5*7,02+0,3*4,55=8,87


При n
= 5 выходной сигнал системы будет равна


y(5)=x(5)+x(5-1)+x(5-2)+x(5-3)+0,5*x(5-1)+0,3*x(5-2)


y(5)=1+1+1+1+0,5*8,87+0,3*7,02=10,54


При n
= 6 выходной сигнал системы будет равна


y(6)=x(6)+x(6-1)+x(6-2)+x(6-3)+0,5*y(6-1)+0,3*y(6-2)


y(6)= 1+1+1+1+0,5*10,54+0,3*8,87=11,93


При n
= 7 выходной сигнал системы будет равна


y(7)=x(7)+x(7-1)+x(7-2)+x(7-3)+0,5*y(7-1)+0,3*y(7-2)


y(7)= 1+1+1+1+0,5*11,93+0,3*10,54=13,12


При n
= 8 выходной сигнал системы будет равна


y(8)=x(8)+x(8-1)+x(8-2)+x(8-3)+0,5*y(8-1)+0,3*y(8-2)


y(8)= 1+1+1+1+0,5*13,12+0,3*11,93=14,13


При n
= 9 выходной сигнал системы будет равна


y(9)=x(9)+x(9-1)+x(9-2)+x(9-3)+0,5*y(9-1)+0,3*y(9-2)


y(9)= 1+1+1+1+0,5*14,13+0,3*13,12=15,0


При n
= 10 выходной сигнал системы будет равна


y(10)=x(10)+x(10-1)+x(10-2)+x(10-3)+0,5*y(10-1)+0,3*y(10-2)


y(10)= 1+1+1+1+0,5*15,0+0,3*14,13=15,73


При n
= 11 выходной сигнал системы будет равна


y(11)=x(11)+x(11-1)+x(11-2)+x(11-3)+0,5*y(11-1)+0,3*y(11-2)


y(11)=0+1+1+1+0,5*15,73+0,3*15,0=15,36


При n
= 12 выходной сигнал системы будет равна


y(12)=x(12)+x(12-1)+x(12-2)+x(12-3)+0,5*y(12-1)+0,3*y(12-2)


y(12)=0+0+1+1+0,5*15,36+0,3*15,73=14,40


При n
= 13 выходной сигнал системы будет равна


y(13)=x(13)+x(13-1)+x(13-2)+x(13-3)+0,5*y(13-1)+0,3*y(13-2)


y(13)=0+0+0+1+0,5*14,40+0,3*15,36=12,81


При n
= 14 выходной сигнал системы будет равна


y(14)=x(14)+x(14-1)+x(14-2)+x(14-3)+0,5*y(14-1)+0,3*y(14-2)


y(14)=0+0+0+0+0,5*12,81+0,3*14,40=10,72


При n
= 15 выходной сигнал системы будет равна


y(15)=x(15)+0*x(15-1)+x(15-2)+x(15-3)+0,5*y(15-1)+0,3*y(15-2)


y(15)=0+0+0+0+0,5*10,72+0,3*12,81=9,20



Рисунок 3: выходной сигнал


Задание
V
. Системная функция дискретной системы


Найдем системную функцию дискретной системы
.


Преобразуем разностное уравнение из области отчетов n
в область некоторой комплексной переменной z
по следующим правилам:



,
,
и т.д.


Тогда получим


y(n)=1*x(n)+1*x(n-1)+1*x(n-2)+1*x(n-3)+0,5*y(n-1)+0,3*y(n-2)


y(z)=1*x(z)+1*x(z)*z-1
+1*x(z)*z-2
+1*x(z)z-3
+0,5*y(z)*z-1
+0,3*y(z)*z-2



Системная функция
W(z
) – это отношение выходного и входного сигналов в области z
, равная




.


Разделим наше выражение на X(Z)


Тогда получим:


w(z)=1+z-1
+z-2
+z-3
+0,5*w(z)*z-1
+0,3*w(z)*z-2



отсюда получим конечное выражение




Задание
VI
. АЧХ и ФЧХ


Найдем амплитудно-частотную и фазово-частотную характеристику системы (АЧХ и ФЧХ)
.


Для вычисления АЧХ и ФЧХ используем программу MathCad


Зададим коэффициенты системы


а0:=1


а1:=1


а2:=1


а3:=1


b1:=0,5


b2:=0,3


L:=10


ω:=-L,-L+0.05..L


j:=


Передаточная функция системы




Рисунок 4: АЧX



Рисунок 5: ФЧХ





Обратим внимание, что обе частотные характеристики являются периодическими функциями
с периодом повторения, равном частоте дискретизации



,


где Td
– это шаг дискретизации сигнала.


Задание
VII
. Устойчивость системы


Оценим устойчивость системы


Понятие устойчивости системы связано с ее способностью возвращаться в состояние равновесия после исчезновения внешних сил, которые вывели ее из этого состояния.


Естественно, что существует граница устойчивости – это мощность силы, выведшей систему из состояния равновесия.


Для этих целей необходимо вычислить полюса системной функции W(z
), т.е. такие значения z
, при которых знаменатель системной функции равен нулю. Получим


1-0,5*z-1
-0,3*z-2
=0


Умножим правую и левую часть на z2


Z2
-0,5*z-0,3=0


Z1;2
=


Z1;2
=0.85;-0.35


Если хотя бы одно из полученных значений корня
, то система считается неустойчивой
Z1
=0.85<1


Данная система устойчива.


Вывод


Мы ознакомились с системными функциями линейных систем. Приобрели практические навыки анализа дискретной линейной системы, научились строить графики АЧХ и ФЧХ с помощью программы MathCad.


Подводя общий итог проведенных выше исследований, можно утверждать что наша система неустойчива.


Список литературы


1. Основы
цифровой обработки сигналов
. Курс лекций / А.И. Солонина, Д.А. Улахович, С.М. Арбузов и др. – СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – 608 с.


2. Голышев Н.В.
, Щетинин Ю.И.
Теория и обработка сигналов. Учеб. пособие. – Новосибирск, Изд-во НГТУ, 1998. – Ч.1. – 103 с.


3. Голышев Н.В.
, Щетинин Ю.И.
Теория и обработка сигналов. Учеб. пособие. – Новосибирск, Изд-во НГТУ, 1998. – Ч.2. – 115 с.


4. Сиберт У.М.
Цепи, сигналы, системы. – М.: Мир, 1988. – Ч.1. – 336с.


5. Сиберт У.М.
Цепи, сигналы, системы. – М.: Мир, 1988. – Ч.2. – 360с.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Анализ дискретной системы

Слов:1663
Символов:20683
Размер:40.40 Кб.