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一、实验目的1. 理解信号卷积的概念及其物理意义。
2. 掌握信号卷积的图解方法及结果分析。
3. 通过实验加深对信号处理中卷积运算的理解和应用。
二、实验原理信号卷积是信号处理中一个重要的概念，它描述了两个信号相互作用的结果。
卷积运算可以表示为：y(t) = x(t) h(t)其中，y(t)是输出信号，x(t)是输入信号，h(t)是系统的冲激响应。
卷积运算的物理意义是将信号分解为冲激信号之和，借助系统的冲激响应，求解系统对任意激励信号的零状态响应。
三、实验仪器与设备1. 双踪示波器2. 信号发生器3. 信号源及频率计模块4. 数字信号处理模块5. 计算机及MATLAB软件四、实验数据1. 输入信号x(t)（1）方波信号：周期为T，幅度为A。
（2）三角波信号：周期为T，幅度为A。
2. 冲激响应h(t)（1）矩形脉冲信号：宽度为τ，幅度为B。
（2）高斯脉冲信号：标准差为σ，幅度为B。
3. 输出信号y(t)（1）方波信号与矩形脉冲信号的卷积（2）三角波信号与高斯脉冲信号的卷积五、实验步骤1. 使用信号发生器产生方波信号、三角波信号、矩形脉冲信号和高斯脉冲信号。
2. 将信号输入数字信号处理模块，进行信号处理。
3. 使用双踪示波器观察输入信号、冲激响应和输出信号的波形。
4. 使用MATLAB软件对信号进行卷积运算，并与示波器观察到的波形进行对比分析。
六、实验结果与分析1. 方波信号与矩形脉冲信号的卷积输入信号x(t)为方波信号，冲激响应h(t)为矩形脉冲信号。
根据卷积公式，输出信号y(t)为：y(t) = x(t) h(t) = A (u(t) - u(t-τ))其中，u(t)为单位阶跃函数。
从示波器观察到的波形可以看出，输出信号y(t)为方波信号，且周期与输入信号相同。
MATLAB仿真结果与示波器观察到的波形一致。
2. 三角波信号与高斯脉冲信号的卷积输入信号x(t)为三角波信号，冲激响应h(t)为高斯脉冲信号。
一、 实验目的1. 理解卷积的概念及物理意义；2. 通过实验的方法加深对卷积运算的图解方法及结果的理解。
二、实验设备1.信号与系统实验箱 1台2.双踪示波器1台三、实验原理卷积积分的物理意义是将信号分解为冲激信号之和，借助系统的冲激响应，求解系统对任意激励信号的零状态响应。
设系统的激励信号为)t (x ，冲激响应为)t (h ，则系统的零状态响应为)(*)()(t h t x t y =⎰∞∞--=ττd t h t x )()(。
对于任意两个信号)t (f 1和)t (f 2，两者做卷积运算定义为：⎰∞∞--=ττd t f t f t f )(2)(1)(=)t (f 1*)t (f 2=)t (f 2*)t (f 1。
1. 两个矩形脉冲信号的卷积过程两信号)t (x 与)t (h 都为矩形脉冲信号，如图9-1所示。
下面由图解的方法〔图9-1〕给出两个信号的卷积过程和结果，以便与实验结果进行比较。
≤<∞-t210≤≤t 12≤≤t 41≤≤t ∞<≤t2124τ（b)(a)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)2卷积结果2. 矩形脉冲信号与锯齿波信号的卷积信号)t (f 1为矩形脉冲信号，)t (f 2为锯齿波信号，如图9-2所示。
根据卷积积分的运算方法得到)t (f 1和)t (f 2的卷积积分结果)t (f ，如图9-2(c)所示。
图9-2 矩形脉冲信号与锯齿脉冲信号的卷积积分的结果3. 本实验进行的卷积运算的实现方法在本实验装置中采用了DSP 数字信号处理芯片，因此在处理模拟信号的卷积积分运算时，是先通过A/D 转换器把模拟信号转换为数字信号，利用所编写的相应程序控制DSP 芯片实现数字信号的卷积运算，再把运算结果通过D/A 转换为模拟信号输出。
结果与模拟信号的直接运算结果是一致的。
数字信号处理系统逐步和完全取代模拟信号处理系统是科学技术发展的必然趋势。
图9-3为信号卷积的流程图。
卷积运算信号的卷积运算是信号处理领域中最重要的运算之一。
随着对信号与系统理论研究的深入，特别是计算机技术的不断发展，不仅使卷积方法在很我领域得到了很广泛的应用，而且卷积运算的逆运算---反卷积的问题也受到了越来越大的重视和应用。
比如，在语音识别、地震勘探、超声诊断、光学成像、系统辨识及其他诸多信号处理领域中，甚至可以说卷积与反卷积的问题无处不在，而且很多的问题，都是有待深入研究的课题。
所以，大家要切实理解和掌握好卷积分运算的各个方面，打好牢固的基础。
下面，我们来看看卷积的定义是怎样的。
信号的卷积积分（简称卷积），定义为：简记为，其中的星号是卷积运算符。
注意不要与我们在编写计算机程序时所用的乘法的表示符号搞混了。
在信号处理课程里，乘法往往是用居中的点来表示的，或者干脆不写居中的点，而直接将要进行乘积运算的信号(包括直流信号---它是一个常数)连在一起写。
信号的卷积运算对应着一定的物理背景，这要在我们进一步学习了关于系统的激励与响应的关系之后，才能更深入地理解。
不仅如此，信号的卷积运算还对应着一定的几何解释。
从定义式我们可以看出：(1) 在积分式中，信号自变量改变了符号，这对应在几何波形上，就是将信号进行了反褶变换；(2) 并且，信号f2的波形位置与积分变量的取值有关，积分变量在积分限内的不断变化，将导致信号的波形发生移动，即是对它不断进行平移操作；(3) 最后，每当信号处在一个新位置，都要与信号f1相乘，且依据积分的定义，要将这些乘积加起来，而其结果实际上对应着两信号波形相交部分的面积。
所以，卷积运算可以用几何图解方式来直观求解。
下面我们来说明如何用它的几何意义来求解两信号的卷积。
将信号的自变量改为，信号变为。
对任意给定的，卷积的计算过程为：(a) 将关于ｒ进行反褶得到；(b) 再平移至ｔ0得到；(c) 与相乘得到；(d) 对ｒ进行积分得，即；不断变化，就可以得到s(t)。
从上面的计算步骤可以看出：卷积计算的几何求解可以通过对信号进行"反褶、平移、相乘、积分"等运算来完成。
卷积的教学演示程序在时域内，连续卷积和离散卷积是求解线性非时变系统零状态响应的重要方法，特别是激励信号为时限信号时尤其如此。
卷积的计算比较复杂，是信号与系统分析中的重点和难点，特别适合用计算机来计算。
以往的卷积积分多用FORTRAN、C、VB等语言编程，不仅编程繁琐，而且可视性差。
用MATLAB来计算卷积积分问题要比用C、FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多。
MATLAB是现今国际公认的最优秀的科技应用软件，该软件有3大特点：具有数值和符号计算、计算结果和编程可视化、数学和文字统一处理、离线和在线计算等强大功能；界面友好，语言自然，指令表达式与标准教科书的数学表达式相近；开放性强，除了指令行操作的直接交互使用方式外，还带有各种扩展的工具包，如扩充MATLAB的符号计算功能、图视建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能，它还有专业性很强的工具包，如信号处理、通信、控制工具包等。
MATLAB作为高级应用软件还有它自己的编程语言，除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各工具包文件都是可读可写的源文件，用户可通过对源文件的修改或加入自己编写的文件去构成新的专用工具包。
这些特点使它获得了对应用学科的极强适应力，并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真、教学以及科技文字处理不可或缺的基础软件。
MATLAB的出现给信号与系统的分析提供了很大的方便。
本文结合卷积积分给出了如何应用MATLAB工程计算语言，用GUI 程序设计来解决连续卷积和离散卷积的计算和演示问题。
信号卷积的数值计算连续信号卷积积分计算实际上可用信号的分段求和来实现，即：当时间间隔足够小时，就是的数值近似。
MATLAB的conv(x,h)函数可以用来计算卷积积分的数值解。
对于离散信号的卷积，可直接调用conv(x,h)函数计算。
但绘制离散的卷积波形时，3个离散信号的时间轴定位是问题的关键。
卷积的GUI程序设计所谓GUI程序设计，简单地说，就是使应用程序具有图形用户界面，以方便用户操作。
一、 实验目的1. 理解卷积的概念及物理意义；2. 通过实验的方法加深对卷积运算的图解方法及结果的理解。
二、实验设备1.信号与系统实验箱 1台2.双踪示波器1台三、实验原理卷积积分的物理意义是将信号分解为冲激信号之和，借助系统的冲激响应，求解系统对任意激励信号的零状态响应。
设系统的激励信号为)t (x ，冲激响应为)t (h ，则系统的零状态响应为)(*)()(t h t x t y =⎰∞∞--=ττd t h t x )()(。
对于任意两个信号)t (f 1和)t (f 2，两者做卷积运算定义为：⎰∞∞--=ττd t f t f t f )(2)(1)(=)t (f 1*)t (f 2=)t (f 2*)t (f 1。
1. 两个矩形脉冲信号的卷积过程两信号)t (x 与)t (h 都为矩形脉冲信号，如图9-1所示。
下面由图解的方法（图9-1）给出两个信号的卷积过程和结果，以便与实验结果进行比较。
0≤<∞-t210≤≤t 1≤≤t 41≤≤t ∞<≤t 2124τ（b)(a)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)2卷积结果2. 矩形脉冲信号与锯齿波信号的卷积信号)t (f 1为矩形脉冲信号，)t (f 2为锯齿波信号，如图9-2所示。
根据卷积积分的运算方法得到)t (f 1和)t (f 2的卷积积分结果)t (f ，如图9-2(c)所示。
图9-2 矩形脉冲信号与锯齿脉冲信号的卷积积分的结果3. 本实验进行的卷积运算的实现方法在本实验装置中采用了DSP 数字信号处理芯片，因此在处理模拟信号的卷积积分运算时，是先通过A/D 转换器把模拟信号转换为数字信号，利用所编写的相应程序控制DSP 芯片实现数字信号的卷积运算，再把运算结果通过D/A 转换为模拟信号输出。
结果与模拟信号的直接运算结果是一致的。
数字信号处理系统逐步和完全取代模拟信号处理系统是科学技术发展的必然趋势。
图9-3为信号卷积的流程图。
一、实验目的1. 理解信号卷积的概念及其物理意义。
2. 掌握信号卷积的计算方法，包括连续卷积和离散卷积。
3. 分析卷积运算在信号处理中的应用，如信号滤波、信号重构等。
二、实验原理1. 信号卷积的概念信号卷积是指两个信号x(t)和h(t)的乘积在时间域上的积分。
卷积运算可以描述信号之间的相互作用和影响，对于信号处理、通信系统、控制系统等领域具有重要的应用。
2. 卷积的数学表示（1）连续卷积设x(t)和h(t)为两个连续信号，它们的卷积y(t)可以表示为：y(t) = ∫[x(τ)h(t-τ)]dτ（2）离散卷积设x[n]和h[n]为两个离散信号，它们的卷积y[n]可以表示为：y[n] = ∑[x[k]h[n-k]]3. 卷积的性质（1）交换律：x(t) h(t) = h(t) x(t)（2）结合律：(x(t) h(t)) g(t) = x(t) (h(t) g(t))（3）分配律：x(t) (h(t) + g(t)) = x(t) h(t) + x(t) g(t)（4）卷积的导数：d/dt(x(t) h(t)) = x(t) d/dt(h(t))三、实验仪器与设备1. 双踪示波器2. 信号源3. 信号处理模块4. 计算机5. MATLAB软件四、实验内容与步骤1. 连续信号卷积实验（1）选择两个连续信号，如方波信号和三角波信号。
（2）利用示波器观察两个信号的波形。
（3）通过计算机计算两个信号的卷积，并观察卷积结果的波形。
2. 离散信号卷积实验（1）选择两个离散信号，如单位阶跃信号和单位冲激信号。
（2）利用示波器观察两个信号的波形。
（3）通过计算机计算两个信号的卷积，并观察卷积结果的波形。
3. 卷积运算在信号处理中的应用实验（1）信号滤波：选择一个信号，如含噪声的信号，通过卷积运算实现滤波操作，去除噪声。
（2）信号重构：选择一个信号，如被压缩的信号，通过卷积运算实现信号重构，恢复原始信号。
五、实验结果与分析1. 连续信号卷积实验结果通过实验，我们可以观察到连续信号卷积的结果。
课程设计任务书
目录
1 引言 (1)
2 MATLAB7.0入门 (2)
M ATLABU7.0介绍................................................................................. 错误！未定义书签。
3 利用MATLABU7.0实现方波和单边指数信号的卷积及卷积过程演示的设计 (3)
3.1方波和方波信号的卷积及卷积过程演示的基本原理： (3)
3.2方波和方波指数信号的卷积及卷积过程演示的编程设计及实现 (3)
3.3运行结果及分析............................................................................. 错误！未定义书签。
结论 (8)
参考文献. (9)
1 引言
信号的卷积是针对时域信号处理的一种分析方法。
信号的卷积一般用于求取信号通过某系统后的响应。
在信号与系统中，我们通常求取某系统的单位冲激响应，所求得的h(k) 可作为系统的时域表征。
任意系统的系统响应可用卷积的方法求得。
离散时间信号是时间上不连续的“序列”，因此，激励信号分解为分解为脉冲序列的工作就狠容易玩成，对应每个样值激励，系统得到对此样值的响应，每一响应也是一个离散时间序列，把这些序列叠加既得零状态响应。
因为离散量的叠加无需进行积分，因此，叠加过程表现为求“卷积和”。
不同的a值及N值产生的卷积不同且只有2序列有重叠的部分才有卷积和当矩形脉冲宽度值N=1是卷积和就是单边指数序列；且a值的大小只影响卷积和的大小不会影响卷积和的宽度而N值的大小就影响卷积序列相交部分的范围宽度即卷积的宽度。
离散序列卷积即为对应相交序列对应N值的乘积之和。
一个离散线性系统输入与输出之间的关系可以用差分方程来描述,又可以用里卷积来描述,所不同的在于后者的即时输出仅表示为输入序列的加权和。
换句话说,输入与输出之间存在着非递归的关系。
即时输出没有明显的表示出与过去的输出有关。
显然,如果已知系统单位脉冲响应和输入序列,通过求卷积和就可直接求得任一时刻的输出值。
离散卷积不仅适用于离散系统,也可作为连续系统卷积积分的近似计算。
用卷积和的数值计算来近似计算卷积积分,其近似程度取决于样点间隔T,通常选取较小的T可以获得较好的近似。
应该指出卷积和运算由于引入表征系统动态特性的h(n),所以有着明显的物理意义,它使叠加原理的表达式大为简化。
2 Matlab7.0入门
MATLAB作为一种功能强大的工程软件，其重要功能包括数值处理、程序设计、可视化显示、图形用户界面和与外部软件的融合应用等方面。
MATLAB软件由美国Math Works公司于1984年推出，经过不断的发展和完善，如今己成为覆盖多个学科的国际公认的最优秀的数值计算仿真软件。
MATLAB具备强大的数值计算能力，许多复杂的计算问题只需短短几行代码就可在MATLAB中实现。
作为一个跨平台的软件，MATLAB已推出Unix、Windows、Linux和Mac等十多种操作系统下的版本，大大方便了在不同操作系统平台下的研究工作。
MATLAB软件具有很强的开放性和适应性。
在保持内核不变的情况下，MATLAB 可以针对不同的应用学科推出相应的工具箱(toolbox)，目前己经推出了图象处理工具箱、信号处理工具箱、小波工具箱、神经网络工具箱以及通信工具箱等多个学科的专用工具箱，极大地方便了不同学科的研究工作。
国内已有越来越多的科研和技术人员认识到MATLAB的强大作用，并在不同的领域内使用MATLAB来快速实现科研构想和提高工作效率。
MATLAB提供了20类图像处理函数,涵盖了图像处理的包括近期研究成果在内的几乎所有的技术方法,是学习和研究图像处理的人员难得的宝贵资料和加工工具箱。
这些函数按其功能可分为:图像显示;图像文件I/O;图像算术运算;几何变换;图像登记;像素值与统计;图像分析;图像增强;线性滤波;线性二元滤波设计;图像去模糊;图像变换;邻域与块处理;灰度与二值图像的形态学运算;结构元素创建与处理;基于边缘的处理;色彩映射表操作;色彩空间变换;图像类型与类型转换。
3 利用Matlabu7.0实现方波和单边指数信号的卷积及卷积过程演示的设计
3.1方波和方波信号的卷积及卷积过程演示的基本原理：
连续时间信号的卷积卷积定理即对于任意两个信号f1(t)和f2(t)做卷积运算，定义为卷积
定理满足交换率
在求连续时间系统的现代解法中就用到卷积定理：
设系统的激励信号为e(t),冲激响应为h(t),则系统的零状态响应为
对信号做卷积积分运算的五个步骤：
改换图形中的横坐标，由t改为τ，τ变成函数的自变量；
把其中的一个信号反褶；
把反褶的信号做位移，移位量是t,这样t是一个参变量。
在τ坐标系中，t>0图形右移；t<0图形左移；
两信号重叠部分相乘e(τ)h(t-τ)；
完成相乘后图形的积分。
3.2方波和方波信号的卷积及卷积过程演示的编程设计及实现
程序：f1=[ones(1,200),zeros(1,200)];
f2=[ones(1,200),zeros(1,200)];
y=conv( f1,f2);
n1=1:length(f1);
n2=1:length(f2);
L=length(y);
subplot(3,1,1);
plot(n1,f1);
axis([1,L,0,1.5]);
title('输入方波');
subplot(3,1,2); plot(n2,f2);
axis([1,L,0,1.5]); title('输入方波'); n=1:L;
subplot(3,1,3); plot(n,y);
title('卷积结果');
3.3运行结果及分析
图为方波与方波的过程演示
结论
通过本次试验我对卷积的原理及运算过程有了更深的认识，信号的卷积是针对时域信号处理的一种分析方法。
通过本次综合实践让我们在学习“信号与系统”课程的同时，掌握MATLAB的应用，对MATLAB 语言在中的推广应用起到促进作用。
从而将便多的时间留于对信号与系统的基本分析方法和应用的理解与思考学会应用MATLAB的数值计算功能，将学生从繁琐的数学运算中解脱出来，从而将便多的时间留于对信号与系统的基本分析方法和应用的理解与思考。
让我们将课程中的重点、难点及部分课后练习用MATLAB 进行形象、直观的可视化计算机模拟与仿真实现，从而加深对信号与系统基本原理、方法及应用的理解，以培养学生主动获取知识和独立解决问题的能力，为学习后继专业课打下坚实的基础。
通过本次试验使我能更灵活的运用Matlabu并进行简单的程序设计；试验中大量查阅资料培养自己的自学能力，发现了很多问题，同学间相互协作讨论攻克难关培养了合作精神和解决问题的能力，这对以后自身的发展才是至关重要的。
参考文献.
1, 梁虹.信号与线性系统分析---基于MATLAB的方法与实现.北京：高等教育出版社，2006.
2, 郑君里，谷源涛.信号与系统：MATLAB综合实验.北京：高等教育出版社，200 8.
3, 肖伟、刘忠. MATLAB程序设计与应用[M].北京：清华大学出版社2005.。
