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
! \4 @' I! g" U分析，实现了DA转换的信号发生与分析。通过MATLAB
# j+ b( z' X4 A1 U. K1 u4 UGUI 设计信号采集与分析系统，对来自上位机的正弦
' p* J: ]( A4 T波，三角波，锯齿波等函数信号进行采集与幅频特性
; b! c% J- y$ O* {9 ?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
  H2 e  f) m. _4 ?* L数，从而达到对数字信号的分析与处理的目的。
第一章 MATLAB 简介
MATLAB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
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
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
; f, Q$ I, ^; g# c) L4 U理和分析以及信号的可视化，使人机交互更加便捷。
) P& Y( y! D& K. ^9 xMATLAB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
4 q1 f/ t* V/ C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
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
2 _( m4 g. Y- L$ Q! `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
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
- {% D1 ^7 s( f1 w7 V发展， MATLAB功能越来越强大，应用也越来越广泛。
# s2 d/ ]0 ^$ E$ f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
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
: ~2 l$ R, N  z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
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
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
Windows 附件中的录音机功能极其有限且不能扩展。MATLAB是美国Math
, a. ]4 Y3 t# w8 C) o* \7 IWorks 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
! a3 X3 z  R+ W, Z8 {! C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
+ d: H, l9 Y7 F% a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
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
+ a! ^. A$ A, \' r( r+ a0 v; ?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。
第二章采集信号级处理的相关知识
! N1 W( b/ [  i( }2.1MATLAB信号采集的相关知识
MATLAB 对串行口的编程控制主要分为四个步骤。
$ L- D% n. r3 [. S# |0 \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
" @. W! M2 P9 C5 ^scom.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
为10s
s.ReadAsyncMode='continuous'( 缺省方式);% 在异步通信模式方式下, 读取
" Z* `9 G& k" @" \4 }0 f# A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
) u# @3 l3 V3 C据会自动地存入输入缓冲区中.
这里串口还有很多其他属性可以设置不一一列举。
# P( q( N0 T. P1 |/ N②打开串口设备对象。fopen(scom);
; `& x/ i; J8 m3 Z7 X$ q$ S③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
0 i' n( d" b3 E# d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
- k9 @6 d3 f3 m. i( {& ^* _/ a信数据采用西方ASCII
( F! V4 T& A( Z' V/ }; L% L方式时读写串口设备的命令分别是fscanf、fpritf 当MATLAB 通信数
, W) ^- }+ H! K: V$ g0 p& ~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
7 m1 n  d) o& Y* h1 p0 u3 P5 {# [次性把数据读进来。
6 M! B  c3 v+ E/ z' u④关闭并清除设备对象。
fclose(scom) %关闭串口设备对象
delete(scom);%删除内存中的串口设备对象
* ~- ?' x: R7 t/ K7 Iclear 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
的方法实现的。MATLAB 提供了instrcallback(obj,event) 回调函数用户
! a: l6 T: O! P根据需要可以自行设置具体的串行通信事件。
其编程步骤如下
5 J" u( t& g; j+ q+ B  G4 }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
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
6 ~* v& b# K! Y% e有n 字节的数据时， 触发中断事件。此后主程序自动调用
) ?# C) d# ^* E& M' t) R7 Qinstrcallback(obj,event) 回调函数s.BytesAvaibleFcnMode='byte';% 中断触发
事件为‘ bytes-available Event ’
" t+ [7 A; X# `  Qs.BytesAvailableFcnCount=n;% 接收缓冲区每收到n 个字节时，触发回调函
数
s.BytesAvailableFcn=@instrcallback;% 得到回调函数句柄。
) F8 r, [: y/ x2 k. S& l+ B%另外s.BytesAvailableFcn={@instrcallback,s}; 得到回调函数句柄，并将
变量s 渗透到instrcallback 中。
fopen(s);% 连接串口设备对象
* E5 k9 p4 K& A. Q$ `$ t% `fwrite(s,255);% 写串口发送握手信号0xFF( 等价于十进制下的数值255)
2 ~& }( O& R; R8 k; \$ v②修改instrcallback(obj,event) 回调函数对所发生的串口通信事件进行处
理。
; S# ?+ D, c; S) L% @MATLAB 缺省的回调函数instrcallback(obj,event) 存在于instrcallback.m 文
  M1 M+ N2 {( `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
) j1 \7 A: H4 y. c0 q2 z" a# G. V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
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
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
+ }! y# t7 G/ k$ S8 X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
$ J& q6 U( W( ?8 T' q& `个instrcallback.m 文件
8 l/ s8 H" ^% n0 p我们只需要修改@instrument 目录下的instrcallback.m 文件即可。如果
MATLAB 安装在C 盘
2 J# L" y; r8 c; u6 H0 x6 S+ Minstrcallback.m 文件目录为
(一定要替换, 不然串口无法启动)
7 ?+ y4 B6 H$ j1.gui_cc2430receive.m 是数据采集程序运行后选择‘开始’ 开始采集
数据点击希望观
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。
* V9 ^, r2 A+ r, ]' ^2.instrcallback.m 是系统的回调函数满足中断条件时会进入此函数。
3.callbackDealWithData.m 是实时处理函数当程序进入回调函数
instrcallback 时就会调用此函
+ t! k. n% a; Q# q2 {! T" a2 P0 B数在callbackDealWithData 里面可以添加希望执行的指令代码完成数
据解析、保存、数
2 S9 x; R' U  i$ u8 V据滤波、画图、实时跟踪等功能。
8 H) }9 B+ I1 b* ~gui_cc2430receive.m 文件是启动本采集系统的关键其中设置的“开始”
1 e8 [. f3 O% r2 S% S6 n2 Y按钮为代码中的b1
, j+ X: V" r2 l* F按下按钮会进入b1callback 函数。
' }$ |- m0 }9 U/ J$ V2.2 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
# |$ b( \6 S( R7 S: ~/ Z( Y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
换(FFT). 1965 年， Cooley 和Tukey 提出了计算离散傅里叶变换（ DFT）
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
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
' g" ?# H" ~. y9 A4 p/ K& cFFT 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
反变换、线性卷积和线性相关等方面也有重要应用。
! o0 m* a& y# N: ^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
3 z) R% I& U5 D/ ~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
8 F5 _2 b6 M1 y( L" p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
4 Y4 c2 _% r' F. @& f, q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。
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
" U8 E, N9 _( D# `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
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
$ }! F3 ^1 F/ t$ N& h) h4 A9 j3 }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
+ ^) C8 G1 L% j7 Y7 c7 d; x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。
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
0 U) m, D  N2 C% 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
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
) f8 h8 a* T+ W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
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
DFT 运算单元，那么N 点的DFT 变换就只需要Nlog2N 次的运算， N 在
% [* x' X2 X5 y' C$ R9 c1 v1 T1024 点时，运算量仅有10240 次，是先前的直接算法的1%，点数越多，
运算量的节约就越大，这就是FFT的优越性。
5 _& S& X( J$ P3 j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。
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
; Y+ c, c$ }$ d" `  n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
  t% y0 b' v# C+ I9 I/ F7 d. a选择性( ωk=2π kN)，在这些点上反映了信号的频谱。
6 ]) F4 Q1 p. A- {7 \' Q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
- a: [9 f/ ~  x7 K: |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
( n' Q% L+ q- t$ K  H$ k. x% C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
, l0 p: i* h; R5 I: o9 m1 Q2 p% |- i以进行连续信号的频谱分析。
9 B# U; ^7 e" c' @2 ?/ \9 q7 c
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