基于Matlab测速仪设计.pdf

1、1“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

2、 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 MATLABM.西 安 ：

3、 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

4、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 3-5032资 料 下 载 地 址 http:/59.64.74.111/实 践 环 节 /数 字 信 号 处 理 课 程 设 计目 录一 、 概 述 41、 目 的 4二 、 相 关 知 识 简 介 41、 背 景 简 介 42、 多 普 勒 频 移 43、 程 序 中 的 相 关 计 算 54、 测 速 仪 的 技 术 规 格 65、 设 计 内 容 66、 测 量 方 法 6三 、 设 计 过 程 71、 设 计 步 骤 72、 设 计 流 程 图3、

5、程 序 7四 、 实 验 结 果 及 分 析 121、 实 验 结 果 12五 、 总 结 15参 考 文 献 资 料163一 、 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

6、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

7、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 red shift） 。 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

8、 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

9、 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 f(doppler shift)即 f=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 ： f0当 接 收 体 与 声 源 相 互 远 离 时 ， 接 收 频 率 f小 于 发 射 频 率 即

10、 ： f0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 ：4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

11、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

12、 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/h 5km/h换 算 ： 19.4m/s - 41.6m/s 1.387m/sfd: 606Hz - 1300Hz 43.3Hzwp=2*pi*f/Fs=0.233*piws=2*pi*f/Fs=0.249*piBt=2*pi*f/Fs=0.016*pi=ws-wpFs=45*fd4、带通滤波器的设计原理一 个 理 想 的

13、 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5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

14、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

15、 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

16、度 进 一 步 增 加 ，增 加 N 可 减 少 过 渡 带 。频 谱 的 幅 度 函 数 为 ：+0.045、 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

17、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 。6c) 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

18、 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

19、 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 。

20、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73、 程 序 ：clc;clear all;fs=5213;N=1200;n=0:N-1;t=n/fs;v1=7

21、5;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);8M=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,102

22、4);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);9Hw0=abs(fft(hn,1024);f=0:1023*fs/1024;figure(3)plot(f,20*log10(Hw0/max(Hw0);grid;title(a) 带 通

23、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;for i=0:Lwc3=(584.55+43.44*i)*2*pi/fs;wc4=(584.55+43.44*(i+1)*2*pi/fs;10hd3=sin(wc3*m+ep)./(

24、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 );hold onh=hp.*wn2;hh2=hh2+h; Hw3=abs(fft(h,1024);figure(7)%y1=fftfilt(h,y,1024

25、);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 );hold onend11%*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12带 通 滤 波 器加 窗 的 带 通 滤 波 器窗 函 数13窗 函 数 幅 频 特 性带 通 滤 波 器 组 的 幅 频 特 性速 度

26、探 测 加 窗 的 滤 波 器 组14五 、 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 Fd Fs。 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