2022 题目

一、不定项选择题

1

下面说法错误的是()

2

设模拟低通滤波器的系统函数为 Ha(s),按照 H(z)=Ha(s)|s=z+1z−1 的关系转换成数字滤波器,那么该数字滤波器是()滤波器。

低通到低通:

s=1−z−11+z−1=z−1z+1

低通到高通:

s=1+z−11−z−1=1+zz−1

或者发现 s=0 的点对应到了 z=ejπ 的点,也可以发现是高通。

3

下列说法中正确的是()

4

以下说法错误的是()

5

下面说法正确的是()

6

8 点 DFT 矩阵(W8)可以分解成如下()形式分别对应于时间抽取和频率抽取的 FFT 算法。

image-20241220091140650

注:没有共轭转置操作,只有转置操作,A 选项对应于时间抽取,D 选项对应于频率抽取,两者是转置关系,等价。

7

以下说法正确的是()

8

以下说法错误的是()

9

以下说法正确的是()

10

已知 x(n) 有傅里叶变换 X(ejω)=∑n=−∞∞x(n)e−jωn,下列表述正确的是()


选择题补充题

已知离散时间 LTI 系统的差分方程为 y[n]=a0x[n]+a1y[n−1]+a2y[n−3],a0a1a2≠0,则该系统必为()系统

列出 Z 变换可得:

Y(z)=a0X(z)+a1Y(z)z−1+a2Y(z)z−3
H(z)=a01−a1z−1−a2z−3

由于 a0a1a2≠0,系统是 IIR 系统。

因为分子分母的系数不是倒序关系,所以不是全通系统。

也不是线性相位系统。


一阶离散因果 LTI 系统的极点为 7/8,零点在原点,则系统频率特性为()

当 ω→0,ejω→1,此时:

|H(ejω)|=11−78=8

当 ω→π,ejω→−1,此时:

|H(ejω)|=11+78=815

当 ω 从 0 到 π 运动时,极矢长度越来越长,因此幅值越来越小,是低通滤波器。


下列说法中正确的是()

全通系统的零点在单位圆外,因此不能成为最小相位系统。

高阶全通系统可由一系列全通基本节和二阶全通基本节级联而成(为了更加严谨还需要级联常数项),正确,当一对镜像零极点位于实轴,对应一阶,当位于复平面,两对零极点对应二阶。

对于 N 为偶数,偶对称的序列,配对

(z−n+z−N+1+n)h(n)=z−n(1+z−N+1+2n)h(n)

此时 z=−1 一定是方程的根,也就是不能设计高通滤波器。


在 IIR 数字滤波器的不同实现结构中,直接 II 型优于直接 I 型之处在于:(题目不完整自己总结了一下)


以下说法正确的是()

窗函数设计法中窗类型决定肩峰相对值,增大 N 减小过渡带宽度。


下列哪些描述是正确的()


下列哪些描述是正确的()

二、填空题

11

一个线性相位 FIR 滤波器的三个零点分别为 −1,0.5,1+2j,则该滤波器的最低阶数是(7),最少群延时是(3―)。假设该滤波器的频率响应为 H(ej0)=0.5,则其系统函数的表达式为

H(z)=−38(1−4.167z−1+7.167z−2−4.667z−3−4.667z−4+7.167z−5−4.167z−6+z−7)―

由三个零点可以推出:

−1⇔−10.5⇔21+2j⇔1−2j1+2j⇔1−2j31−2j⇔1+2j3

因此最低 7 个零点,最低阶数 N=7,最少群延时:

τ=N−12=3

类似的题目:因果广义线性相位 FIR 系统,单位脉冲响应 h[n] 是实序列,在 0≤n≤6 以外是零,且 h[n]=−h[6−n],已知其系统函数的一个零点是 0.5ejπ/4,写出系统函数 H(z).

可以配对得到 h[n]z−n+h[6−n]z−6+n=h[n]z−n(1−z−6+2n),从而得到 z=1,z=−1 一定是方程的根。

因此

H(z)=C(1−0.5ejπ/4z−1)(1−0.5e−jπ/4z−1)(1−2ejπ/4z−1)(1−2e−jπ/4z−1)(1+z−1)(1−z−1)

12

一个线性时不变系统的 H(z)=(1+1.2z−1)/(1+0.1z−1−0.06z−2),其差分方程为 y[n]+0.1y[n−1]−0.06y[n−2]=x[n]+1.2x[n−1]―,该系统为 IIR 系统,画出并联型结构图(以一阶基本节表示)。

分解为:

H(z)=−1.81+0.3z−1+2.81−0.2z−1

13

已知 IIR 全通滤波器的系统函数为:

H(z)=1+3z−1+(α+β)z−2+2z−32+(α−β)z−1+3z−2+z−3

则 α 和 β 应该满足的条件是 β=0,α∈(3,4)―.

首先,α 是实数,β 等于零。可以写为:

H(z)=1+3z−1+αz−2+2z−32+αz−1+3z−2+z−3

分母代入双线性变换

D′(s)=2(1+s1−s)3+α(1+s1−s)2+31+s1−s+1

分子为:

D(s)=(α−4)s3+(α−6)s2−αs−α−6

列出劳斯表:

3α−4−α
2α−6−α−6
18α−24α−6 
0−α−6 

要求首列元素不变号,

  1. 全是正数,要求 α>6,α<−6,矛盾;

  2. 全是负数,要求 α<4,α>3.

因此,3<α<4.

14

已知一个线性移不变系统结构如如下所示:

image-20241220221041278

该系统为 FIR 系统,为(低通、高通、带通、带阻)滤波器

系统为 FIR 系统,因为分子阶次高于分母并且可约。事实上可以总结:

H(z)=∑k=0Mbkz−k1+∑k=1Nakz−k

引申为判断题:系统存在反馈结构,则一定是 IIR 系统(错误)

设中间量为 w(n),满足:

W(z)=X(z)+z−1W(z)Y(z)=W(z)−z−4W(z)
Y(z)X(z)=1−z−41−z−1=1+z−1+z−2+z−3

(零极点相消)

代入 H(ej0) 得到为 4,并且,系统具有三个零点 z=ejπ/2,ejπ,e−jπ/2,因此是低通滤波器。

15

已知滤波器系统函数为

H1(z)=1+0.1z−1−0.3z−21−0.81z−2

其为(最大、最小、混合)相位滤波器。写出一个与其具有相同幅度响应的混合相位滤波器 H2(z)=1+0.1z−1−0.3z−21−0.81z−2⋅z−1−0.51−0.5z−1=−0.5+0.7z−1+0.6z−21−0.81z−2―.

零点为 z1=−0.6,z2=0.5,极点为 z1=0.9,z2=−0.9. 因为零点和极点都处于单位圆之中,所以是最小相位滤波器。可以串联一个一阶全通滤波器:

z−1−0.51−0.5z−1

构造:

H2(z)=1+0.1z−1−0.3z−21−0.81z−2⋅z−1−0.51−0.5z−1

16

一个实信号 x(n)=cos⁡(ω0n+θ) 的 64 点 DFT 结果的幅频特性图 Re(X(k)) 和 Im(X(k)) 如下图所示,由图可知该信号的数字频率 ω0 为 π/8―,信号的相位 θ 为 0―.

image-20241220223633033

ω0=2π64⋅4=π8θ=0

17

已知长度分别为 3 和 4 的两个序列,x1(n)={1―,2,−1} 和 x2(n)={−1―,3,2,1},则其线性卷积 y1(n)=x1(n)∗x2(n) 的结果为 {−1―,1,9,2,0,−1}―,长度为 6―;其圆周卷积 L=6 时的结果为 y2(n)={−1―,1,9,2,0,−1}

y1(n)={−1―,1,9,2,0,−1}

长度为 6. 计算圆周卷积先补零,然后因为没有混叠效应所以 y2=y1.

18

由正弦信号采样得到的正弦序列 不一定 具有周期性(采样周期 Ts 可以取一个无理数);如果正弦信号的频率是 f0,由奈奎斯特采样定理可知,采样信号 fs 必须满足 fs>2f0―,才能用抽样后信号不失真地恢复出原信号。

19

一带通信号最低频率为 6B Hz,最高频率为 6.7B Hz,为了不产生频谱混叠,我们能采用的最大采样周期为 4567B−1― 秒。

即解决一个这样的问题,在信号的上下两端分别延伸产生保护带,要求:

fl≥(k−1)B0fh≤kB0k∈Z

使得 B0 最小。转化为

fhk≤B0≤flk−1⇒fhk≤flk−1

易得 k 最大为 9,此时

6790B≤B0≤23B

因此最小采样频率为

2B0=6745B

最大采样周期为:

4567B−1 s

三、简答题

20

设线性相位 FIR 滤波器单位脉冲响应为 h(n),n=0,1,⋯,N−1.

  1. 写出 h(n) 需要满足什么条件。

    需要满足单位抽样响应 h(n) 为实数,并且符合任意一个条件:

    {h(n)=h(N−1−n),偶对称性;h(n)=−h(N−1−n),奇对称性
  2. 当 h(n) 满足偶对称,且 N 为偶数时,其幅度特性为:(不知道原题是啥意思,怎么 h 当做变量了)

    H(ω)=2∑n=1N/2h(N2−n)cos⁡((n−12)ω)

    试确定该 FIR 滤波器不能用来设计什么类型的滤波器(低通、高通、带通、带阻)

    代入特殊点 ω=π,此时 H(π)=0,因此不能用于设计高通、带阻。

    或者可以观察 (zn+zN−1−n)h(n) 其中 z=−1 一定是根,因此不能设计高通、带阻。

  3. 给定抽样频率为 fs=1.5×104 Hz,通带截止频率为 fp=1.5×103 Hz,阻带截止频率为 fst=3.0×103 Hz,阻带衰减不小于 50 dB,试设计一个线性相位 FIR 低通数字滤波器。

    计算模拟频率:

    Ωp=1.5×103×2π rad/sΩst=3.0×103×2π rad/s

    计算数字频率:

    ω=ΩT=Ω/fsωp=0.2π rad/s,ωst=0.4π rad/s

    中心频率为 ωc=0.3π rad/s,Δω=0.2π rad/s.

    根据最小阻带衰减确定应该使用布莱克曼窗,其长度 N 满足

    Δω≥11πN⇒N=57

    低通滤波器

    hlp(n)={sin⁡(ωc(n−τ))π(n−τ),n≠τωcπ,n=τ

    布莱克曼窗 w(n)=⋯.

    h(n)=w(n)hlp(n)

    画出对数频谱图验证:

    image-20241220162108112

21

设计带阻 IIR 数字滤波器,抽样频率 fs=20 kHz,下通带截止频率为 fp1=2 kHz,上通带截止频率为 fp2=7 kHz,Rp=2 dB,阻带下截止频率为 fst1=3 kHz,阻带上截止频率为 fst2=4 kHz,As=20 dB.

查附录可知,带阻滤波器数模直接变换的公式:

s=1−z−21−2z−1cos⁡ω0+z−2
cos⁡(ω0)=cos⁡(ωst1+ωst22)/cos⁡(ωst2−ωst12)
Ω=sin⁡ωcos⁡ω−cos⁡ω0Ωst=sin⁡ωst1cos⁡ωst1−cos⁡ω0
  1. 得到模拟指标:

    Ωp1=2π×2000 rad/s,Ωp2=2π×7000 rad/s,Rp=2 dBΩst2=2π×3000 rad/s,Ωst1=2π×4000 rad/s,As=20 dB

    得到数字指标:

    ωp1=0.2π,ωp2=0.7π,ωst1=0.3π,ωst2=0.4π
  2. 计算 中心频率 cos⁡ω0:

    cos⁡(ω0)=cos⁡(ωst1+ωst22)/cos⁡(ωst2−ωst12)=0.4596
  3. 频率预畸,计算 Ωst:

    Ωst=sin⁡ωst1cos⁡ωst1−cos⁡ω0=|sin⁡ωst2cos⁡ωst2−cos⁡ω0|=6.3138

    计算 Ωp:

    Ωp1=sin⁡ωp1cos⁡ωp1−cos⁡ω0=1.6822Ωp2=sin⁡ωp2cos⁡ωp2−cos⁡ω0=−0.7724

    取约束最大的 Ωp=max{|Ωp1|,|Ωp2|}=1.6822.

  4. 设计巴特沃斯低通模拟滤波器:

    N≥lg⁡(100.1As−1100.1Rp−1)/2lg⁡(Ωst/Ωp)=1.9401

    取 N=2,Ωc=Ωp/100.1Rp−12N=1.9236.

  5. 查表得到 Han(s).

  6. 滤波器去归一化 Ha(s)=Han(s/Ωc).

  7. 设计带阻数字滤波器:

    Hbs(z)=Ha(s)|s=1−z−21−2z−1cos⁡ω0+z−2

使用 Matlab 作图验证如下:

22

有一个正弦信号为 x(t)=cos⁡(2π100t)+cos⁡(2π400t),以 900Hz 采样得到序列 x(n)。用 64 点矩形窗截取 x(n) 得到信号 y(n),用 64 点 DFT 计算 y(n) 的幅频特性 |Y(k)|.

  1. 得到 x(n) 是否为周期序列?如果是,x(n) 的最小周期为多少?频率分辨率为多少 Hz?

    是否会发生频谱混叠?原序列 fh=400 Hz,满足奈奎斯特条件:

    fs>2fh

    因此不会发生混叠。

    采样间隔为 Ts=1/900 s,则

    x(n)=xa(nTs)=cos⁡(2π9n)+cos⁡(8π9n)

    x(n) 的最小周期为 N=9.

    频率分辨率 可以通过下述表达式计算得到:

    F0=1NTs=fsN=14.0625 Hz

    其中 NTs 可以理解为有效采样长度的时间。

  2. 不计算 |Y(k)|,确定 |Y(k)| 最大峰值出现的位置 k 和相应的实际频率。我们从 |Y(k)| 中得到的实际频率和 x(t) 的频率成分是否一致?原因是什么?

    计算 x(n) 的 DTFT:

    x(n)=12π∫−ππX(ejω)ejωndω=12(ej2π9n+e−j2π9n+ej8π9n+e−j8π9n)

    因此 X(ejω) 为

    12(δ(ω−2π/9)+δ(ω+2π/9)+δ(ω−8π/9)+δ(ω+8π/9))

    Y(ejω) 是 X(ejω) 再和矩形窗函数卷积,|Y(k)| 是

    Y(ejω)|ω=2π64k

    峰值出现在

    k/64≈±1/9,k/64≈4/9

    确定 k=±7,±28 比较接近。负数可以转换为 64+k.

    相应的实际频率为

    ω=±7π32,±7π8

    实际频率成分不一致,因为频谱泄露。

    image-20241220165352488

  3. 如果我们想要 |Y(k)| 中得到的实际频率和 x(t) 频率成分一致,能否通过对于 64 点矩形窗截取的 x(n) 进行补零来达成目的,原因是什么?能否通过增加矩形窗的长度来达到目的,原因是什么?

    可以通过补零到 N 为九的倍数,比如 N=72,补 8 个零,使得和实际频率成分一致。此时有较为明显的改善作用

    此处应该具体问题具体分析,题目中频率谱线相隔较远,导致旁瓣对主瓣的遮盖作用不明显,加上取的点数 N 较多,频率分辨率较小,导致补 8 个零具有明显的改善作用。假设信号:

    x(t)=cos⁡(2πf1t)+cos⁡(2πf2t),f1=100 Hz,f2=120 Hz

    频率间隔较小,取点 N=32,补 28 个零,没有明显的改善作用,此时可以增加窗的长度,提升谱分析的频率分辨率;选择其它旁瓣峰值衰减大 的窗函数,减小对弱信号的掩盖.

    image-20241220170938674

    也可以直接令矩形窗的长度为 72 并且进行 72 点 DFT,提升频谱分辨率,来达到目的

    image-20241220165828125

四、附录

带阻滤波器作图代码: