燕山大学数字数字信号处理毕业论文基于DA转换的信号发生与分析

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本次课程设计利用MATLAB对产生的信号进行采集与
% k: S7 j# l5 ]6 t1 `分析，实现了DA转换的信号发生与分析。通过MATLAB
GUI 设计信号采集与分析系统，对来自上位机的正弦
( E; }! J, E# n" ~% |  e- _波，三角波，锯齿波等函数信号进行采集与幅频特性
分析，并将分析的结果通过串口发送命令给单片机系
统，控制相应的数码管或LED 发光显示相应信号参
9 `3 o/ _9 e5 A5 d6 b* z+ J4 {数，从而达到对数字信号的分析与处理的目的。
  T4 X0 ?! J9 |9 W第一章 MATLAB 简介
1 x! Z, t' Q3 bMATLAB是一种面向工程和科学计算的交互式计算软件，它以矩阵运
算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个简单易用的交互式
工作环境中。同时由于MATLAB是一个数据分析和处理功能十分强大的工
0 q: O" z# T) [" V6 g9 N2 \& D/ {/ b程实用软件，它的信号处理与分析工具箱为语音信号分析提供了十分丰
' a. `6 N0 i& F$ B2 k( q% m5 Z富的功能函数, 利用这些功能函数可以快捷而又方便地完成语音信号的处
! W$ S6 ]# @* H4 ]理和分析以及信号的可视化，使人机交互更加便捷。
MATLAB是解决工程技术问题的技术平台。利用它能够轻松完成复杂
的数值计算，数据分析，符号计算和数据可视化等任务。MATLAB软件由
) B. a1 F7 X7 ^主包和各类工具箱构成。其中，主包基本是一个用CC++等语言编写成的
4 b- s" j$ N# a函数库。该函数库提供矩阵（或数组）的各种算法以及建立在此基础上
的各种应用函数和一些相关的用户有好操作界面。而工具箱从深度和广
1 S0 o% n: Y# v/ `5 R度上大大扩展了MATLAB主包的功能和应用领域。随着自身的不断完善和
发展， MATLAB功能越来越强大，应用也越来越广泛。
随着计算机技术和信息技术的发展，语音交互已经成为人机交互的
7 ~1 r' g1 }0 d2 ?2 Z! w必要手段，而语音信号的采集和处理是人机交互的前提和基础。声卡是
计算机对语音信号进行加工的重要部件，它具有对信号滤波、放大、采
  j% X. s5 T) H+ I9 w9 T3 Z9 D( O样保持、AD和DA转换等功能。尽管在Windows附件的娱乐中带有一个录
$ B) ~. z+ b3 F/ g- M' V音机，通过它可以驱动声卡采集语音信号并保存为语音文档。但是要对
采集的信号进一步分析处理就必须另外编程或通过其它软件，而且
9 ^: c! _1 V' S, W: UWindows 附件中的录音机功能极其有限且不能扩展。MATLAB是美国Math
Works 公司推出的一种面向工程和科学计算的交互式计算软件，它以矩阵
8 s: P5 {0 a" h: `0 E' ^) \4 W运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个简单易用的交互
式工作环境中。在MATLAB环境中, 可以通过多种编程方法驱动声卡，实
+ Q6 r' P* a% N$ e# G现对语音信号的采集和回放。同时由于MATLAB是一个数据分析和处理功
能十分强大的工程实用软件，它的信号处理与分析工具箱为语音信号分
1 J1 ?9 z; h" l( ?5 t8 s析提供了十分丰富的功能函数, 利用这些功能函数可以快捷而又方便地完
4 _2 @/ W$ h1 s* X: h0 U成语音信号的处理和分析以及信号的可视化，使人机交互更加便捷。
5 w. j8 s. H2 x" |/ Q" e第二章采集信号级处理的相关知识
, N. e( e- z; {; c9 d0 d) i; j2.1MATLAB信号采集的相关知识
1 j  h' A' C" XMATLAB 对串行口的编程控制主要分为四个步骤。
①创建串口设备对象并设置其属性。
scom=serial('com1');% 创建串口1 的设备对象scom
scom.InputBufferSize=1024;% 输入缓冲区为256B 缺省值为512B
+ z+ Q6 ^3 v  f9 Nscom.Timeout=0.5;%Y 设置一次读或写操作的最大完成时间为0.5s, 缺省值
  Y' p0 t  n, ?+ A' ]/ ?. w为10s
+ M% C) V; |/ v% F, b: C# Hs.ReadAsyncMode='continuous'( 缺省方式);% 在异步通信模式方式下, 读取
串口数据采用连续接收数据(continuous) 的缺省方式,那么下位机返回的数
0 Z& _& ?' u* b' l% o( G7 i据会自动地存入输入缓冲区中.
, w% l% K, N5 d这里串口还有很多其他属性可以设置不一一列举。
' t( l# g: i$ Z" W6 b5 ?②打开串口设备对象。fopen(scom);
0 D+ R, a* X6 p$ j% K* G' ?3 Q; ~* Z③读写串口操作。初始化并打开串口调协对象之后现在可以对串口设
( L$ n# Y( v2 ?# l6 G备对象进行读写操作
串口的读写操作支持二进制和文本ASCII 两种方式。当MA TLAB 通
$ S! [; E. |- U, _& ~1 u  l- O信数据采用西方ASCII
方式时读写串口设备的命令分别是fscanf、fpritf 当MATLAB 通信数
据采用二进制方式时
读写串口设备的命令分别是fread、fwrite 。我们这里使用fread 可以一
; ~& T1 W7 E2 }0 {5 y) E% k7 |次性把数据读进来。
④关闭并清除设备对象。
3 k9 V- ^: ?5 y% Nfclose(scom) %关闭串口设备对象
3 C# o) y# p) o) E% Z* D8 xdelete(scom);%删除内存中的串口设备对象
' h' K# z1 k5 d- ]1 g9 m9 I& R2 C( B% Aclear scom; %清除工作空间中的串口设备对象
当不再使用该串口设备对象时顺序使用以上3 条命令可以将所创建的
串口对象清除，以免占用系统资源。
(2)基于MATLAB 中断方式的实时串行通信编程
在MA TLAB 环境下以中断的方式进行串行通信实际上是采用事件驱动
( [, a& i1 @* c/ B4 R; b的方法实现的。MATLAB 提供了instrcallback(obj,event) 回调函数用户
根据需要可以自行设置具体的串行通信事件。
1 _0 z* x; p3 O( B2 C, G其编程步骤如下
. m7 q5 O& |+ \7 f* q# k% v$ y6 @①建立一个串行通信主程序serial.m 文件在主程序中进行串口设备初
) m4 a3 G# q" g始化操作，并指定
回调函数中串行通信的事件。设置回调函数触发事件—当串口缓冲区中
, O# U( y( Q) A, M有n 字节的数据时， 触发中断事件。此后主程序自动调用
instrcallback(obj,event) 回调函数s.BytesAvaibleFcnMode='byte';% 中断触发
2 g: k: O5 Q3 Y: p; X; G2 L6 r事件为‘ bytes-available Event ’
# f0 u1 x1 N! u1 {* O! B% o4 vs.BytesAvailableFcnCount=n;% 接收缓冲区每收到n 个字节时，触发回调函
. ^0 c5 @0 P$ K1 i7 r. H/ h+ v" o数
s.BytesAvailableFcn=@instrcallback;% 得到回调函数句柄。
' }% P! t" c4 O/ z' ?%另外s.BytesAvailableFcn={@instrcallback,s}; 得到回调函数句柄，并将
# s" b3 H; }( j. q7 r) f变量s 渗透到instrcallback 中。
* ~- E- Z7 H4 b6 u% z4 {fopen(s);% 连接串口设备对象
9 h- B4 [1 O0 l# L4 N4 rfwrite(s,255);% 写串口发送握手信号0xFF( 等价于十进制下的数值255)
②修改instrcallback(obj,event) 回调函数对所发生的串口通信事件进行处
理。
MATLAB 缺省的回调函数instrcallback(obj,event) 存在于instrcallback.m 文
) K& r+ x- N& d* f6 [+ F7 W' v$ y2 Q件中。该文件实际上是一个有待于用户修改的程序模块。其中只有一些
最基本的程序代码能够显示导致串口中断发生的是哪一类事件，中断事
' Y7 _  C& I* ?- `  v8 ~+ L5 q& {/ ^件所发生的时间以及导致事件发生的对象名等信息。修改回调函数文件
时， 注意要取消文件中相应信息后的分号才能够在MATLAB 的命令
1 d/ U$ N# n$ }  \1 F窗口command
window 中将这些信息显示出来。中断发生后的通信事件处理以及通
信数据的分析处理任
务需要用户自行添加相应的服务程序代码。MATLAB 安装目标下有两
* ~7 N1 f6 f" j0 S3 a个instrcallback.m 文件
. V  [9 g& r* v$ X" K我们只需要修改@instrument 目录下的instrcallback.m 文件即可。如果
* h. Y, T( ]3 t! j, _( ]. mMATLAB 安装在C 盘
# B2 P# E- Q$ w; x" _7 winstrcallback.m 文件目录为
- b( `* e& {% d2 D7 Y(一定要替换, 不然串口无法启动)
3 Z0 A  q% b+ F" p+ J! ^1.gui_cc2430receive.m 是数据采集程序运行后选择‘开始’ 开始采集
5 C; I" t4 O& T8 G5 X; Y9 L! n' J数据点击希望观
& [7 o/ A  M9 v1 j4 y/ h# c: F察的节点可查看该节点的数据波形图。此程序有针对目前使用的“节点
上有五个传感器”的
情况不一定通用。
2.instrcallback.m 是系统的回调函数满足中断条件时会进入此函数。
0 H: V) V9 C3 W3.callbackDealWithData.m 是实时处理函数当程序进入回调函数
  w( z( f' M" P; ^6 Einstrcallback 时就会调用此函
数在callbackDealWithData 里面可以添加希望执行的指令代码完成数
2 w, Y! j- \8 ]  r据解析、保存、数
5 K2 R. Y+ u( w; A; b$ R# J据滤波、画图、实时跟踪等功能。
gui_cc2430receive.m 文件是启动本采集系统的关键其中设置的“开始”
# x. B! U; T# b& I; N, m按钮为代码中的b1
( |: Q. \% I, ?: h0 U5 {$ W' n按下按钮会进入b1callback 函数。
2.2 快速傅里叶变换
有限长序列可以通过离散傅里叶变换(DFT) 将其频域也离散化成有限
长序列. 但其计算量太大, 很难实时地处理问题, 因此引出了快速傅里叶变
, W) J; O+ t$ K+ F5 {换(FFT). 1965 年， Cooley 和Tukey 提出了计算离散傅里叶变换（ DFT）
. H0 E$ J2 n* p的快速算法，将DFT 的运算量减少了几个数量级。从此，对快速傅里叶
7 L9 L( F: C* K# i0 q变换（ FFT）算法的研究便不断深入，数字信号处理这门新兴学科也随
4 x& T( L7 K. h6 F( @- V' }# q$ pFFT 的出现和发展而迅速发展。根据对序列分解与选取方法的不同而产生
了FFT 的多种算法，基本算法是基２ DIT 和基２ DIF。FFT 在离散傅里叶
5 X1 T! q: M( k! c* [反变换、线性卷积和线性相关等方面也有重要应用。
快速傅氏变换（ FFT），是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散
傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进
获得的。它对傅氏变换的理论并没有新的发现，但是对于在计算机系统
或者说数字系统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步。
+ X' D. }3 n$ X% t' A6 V设x(n) 为N 项的复数序列，由DFT 变换，任一X（m）的计算都需要
N 次复数乘法和N-1 次复数加法，而一次复数乘法等于四次实数乘法和两
/ e8 Y& B+ [. ]6 n2 ^+ J次实数加法，一次复数加法等于两次实数加法，即使把一次复数乘法和
一次复数加法定义成一次“运算” （四次实数乘法和四次实数加法） ，那
么求出N项复数序列的X（m） , 即N点DFT变换大约就需要N^2 次运算。
. Q5 b3 l5 d9 ]9 a7 f6 p用WN的周期性和对称性，把一个N项序列（设N=2k,k 为正整数），分为
两个N2项的子序列，每个N2点DFT变换需要（ N2）2 次运算，再用N次
' B4 h) W0 X& }0 A4 I) L# Z* T' N* J运算把两个N2 点的DFT 变换组合成一个N 点的DFT 变换。这样变换以
( x0 s# T  H, N  j  V  ~9 Z后，总的运算次数就变成N+2（ N2）2=N+N22。继续上面的例子， N=1024
时，总的运算次数就变成了525312 次，节省了大约50%的运算量。而如
# s: t! J) R! {  O8 e2 H果我们将这种“一分为二”的思想不断进行下去，直到分成两两一组的
3 a0 @: r) G5 Z# }9 W) i7 QDFT 运算单元，那么N 点的DFT 变换就只需要Nlog2N 次的运算， N 在
8 h& H, |# @' Y! M* V4 d( r4 }2 W( O1024 点时，运算量仅有10240 次，是先前的直接算法的1%，点数越多，
* Y$ z& H: s- F5 f6 U运算量的节约就越大，这就是FFT的优越性。
离散傅里叶变换X(k) 可看成是z 变换在单位圆上的等距离采样值。
3 f: u% u7 f) E; }同样， X(k) 也可看作是序列傅氏变换的采样，采样间隔为ω N=2πN 。由
此看出，离散傅里叶变换实质上是其频谱的离散频域采样，对频率具有
% V1 `! d' E" v. o; ]选择性( ωk=2π kN)，在这些点上反映了信号的频谱。
' `2 s& h. Z* Y0 O7 q. S6 L根据采样定律，一个频带有限的信号，可以对它进行时域采样而不丢失
任何信息， FFT 变换则说明对于时间有限的信号( 有限长序列) ，也可以对
其进行频域采样，而不丢失任何信息。所以只要时间序列足够长，采样
5 F+ z+ t/ L0 ?$ L- B足够密，频域采样也就可较好地反映信号的频谱趋势，所以FFT 可以用
' R4 h2 ~& w$ @3 O/ S9 v% w以进行连续信号的频谱分析。


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学习一下啊

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