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
: x. e' C" m0 d# }& N5 V( Y# z: y+ ]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
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
* H$ {  @3 V) u9 }8 m- h- J. K数，从而达到对数字信号的分析与处理的目的。
0 k5 l) k8 T6 l8 z: H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
5 e5 Q5 e, [$ t1 r7 t! O3 k$ ?9 q/ |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
( r- P9 C8 i& ]; b7 `理和分析以及信号的可视化，使人机交互更加便捷。
4 M+ n, ?1 l9 S4 BMATLAB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
1 J* Z$ M% S, j7 B& E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
6 Y9 ]( m8 g* e; u; e4 w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
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
3 Q& D# J' J$ Z8 h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
# v& m  q8 L5 m  n: ^发展， MATLAB功能越来越强大，应用也越来越广泛。
  k3 J, T, C) i, p2 E2 l; D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
5 q+ k. j, g0 _8 Z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
8 J- d' r' s/ i  a$ {! n7 r, z8 p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
+ M5 \; B, t% n$ @0 k( O' h7 p- {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
8 I* Q( X( |! \Windows 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
. W! O$ c8 K; ?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
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
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
6 K2 v4 d6 c, Q; h, j2.1MATLAB信号采集的相关知识
$ g; \2 b# J( d0 m: Q* d- k& `MATLAB 对串行口的编程控制主要分为四个步骤。
5 k/ x* U1 Z/ K' r3 _①创建串口设备对象并设置其属性。
; S0 ]) j/ M. E4 V1 wscom=serial('com1');% 创建串口1 的设备对象scom
. J- ?- r1 q. @! s& ?  F. p- oscom.InputBufferSize=1024;% 输入缓冲区为256B 缺省值为512B
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
- i+ J( Q4 S% V# N! b+ T. _7 `* z+ e为10s
% Q2 T; d! z* J8 x( M( J. Os.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
据会自动地存入输入缓冲区中.
/ D2 c/ f) j+ j+ c0 N; x! Z3 \0 P这里串口还有很多其他属性可以设置不一一列举。
②打开串口设备对象。fopen(scom);
, ~$ _+ C4 G* s- }& I③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
1 q! z4 n0 G" O& e8 K" Y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
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
( u  I) r, g8 b) L  F# g据采用二进制方式时
9 x9 i% Y7 z1 V  Z% e, s; w* f读写串口设备的命令分别是fread、fwrite 。我们这里使用fread 可以一
次性把数据读进来。
④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
* R3 L! u8 T. X6 v& U9 L  bclear scom; %清除工作空间中的串口设备对象
" R4 U- ~9 t( F1 u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
& D: F+ o) @+ \3 G2 T+ B8 e串口对象清除，以免占用系统资源。
1 f, B5 ]0 T* ~/ i" n. k# t(2)基于MATLAB 中断方式的实时串行通信编程
9 M" R2 p, S  @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
根据需要可以自行设置具体的串行通信事件。
# l# k* z2 I' @$ Q1 {9 _& [其编程步骤如下
5 ?" n8 U( s8 I, v①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
% ^' p* n: j( O- {始化操作，并指定
$ o0 d) S: y, `/ i' D, P& n& G# h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
0 [7 T- a/ z3 s8 Z! Y) G5 r8 |0 `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
事件为‘ bytes-available Event ’
s.BytesAvailableFcnCount=n;% 接收缓冲区每收到n 个字节时，触发回调函
0 N+ V( \6 u; K' Y数
s.BytesAvailableFcn=@instrcallback;% 得到回调函数句柄。
8 y+ `. q2 ^' G  m# t%另外s.BytesAvailableFcn={@instrcallback,s}; 得到回调函数句柄，并将
0 W2 o; r2 \5 g: ^* k0 T! p7 d5 p变量s 渗透到instrcallback 中。
fopen(s);% 连接串口设备对象
) [/ B: e. g; o. ?: y! ofwrite(s,255);% 写串口发送握手信号0xFF( 等价于十进制下的数值255)
0 i3 z* d3 k; p" x* z+ v" j②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
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
# s) B# l# T* n) N4 }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
* l" K; O) h+ Z8 `. c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
, N* K' r1 s0 @! v+ E! Q* {4 W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
9 L- F* m/ ?+ i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
4 B$ U* ~2 g" P( O5 i信数据的分析处理任
3 k* Y# [* H4 R6 t" 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
个instrcallback.m 文件
我们只需要修改@instrument 目录下的instrcallback.m 文件即可。如果
# O8 M$ J$ P. D/ NMATLAB 安装在C 盘
& A% o' P" z4 {7 ~instrcallback.m 文件目录为
(一定要替换, 不然串口无法启动)
1.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。
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
* P+ F: i: u9 c- R7 }1 s: _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
据滤波、画图、实时跟踪等功能。
# l/ h: O) C5 {* @8 hgui_cc2430receive.m 文件是启动本采集系统的关键其中设置的“开始”
按钮为代码中的b1
* V% E9 X: _# 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
6 o" T& q1 W/ v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
; u; t! Q8 q& X$ P; nFFT 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
, d+ p. a, m- n. v" J9 Z" t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
9 Q* P8 A; Y' S1 F6 \8 i' v反变换、线性卷积和线性相关等方面也有重要应用。
% |! D8 }7 Z; Q% O7 B! {" N# U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
" m- u8 y* Z5 y* |/ N) ?2 ]. q/ q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。
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
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
2 F$ h/ ^% H+ g' n* _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。
0 C1 F, w3 q$ Z9 K* w7 X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
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
4 d, M' S! l: P: @' m  L) @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
- [) z3 a/ u; o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
! L! ^4 g8 }5 M* ~8 A* b& W8 R1024 点时，运算量仅有10240 次，是先前的直接算法的1%，点数越多，
/ C% m; G& Y6 o% o  A运算量的节约就越大，这就是FFT的优越性。
) k: s7 G$ f( V# G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
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
& a8 U7 b. x" P: ~选择性( ωk=2π kN)，在这些点上反映了信号的频谱。
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
+ z$ j+ x8 a. H7 g$ w7 E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
+ E! @4 W. y! j: t6 _0 K4 U  I: {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
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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学习一下，谢谢！