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
分析，实现了DA转换的信号发生与分析。通过MATLAB
" f( }- v8 ?* M& p! ~GUI 设计信号采集与分析系统，对来自上位机的正弦
4 y. l& O# H/ c4 q3 g8 l' w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
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
1 D4 A, W) {  }* k2 S3 c* aMATLAB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
1 x( d. C' p3 l; [/ `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
) ~, o$ x) o% @# ~5 S: x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
" X6 O/ O8 B+ Z( p% E8 a$ k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
$ Z3 t6 Q& }* L2 r; i! J& z/ h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。
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
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
% M/ i$ \+ ~8 y0 v0 Z6 `% Y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
4 C# n5 ^6 n3 n/ N  ]! _. C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
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
& m, m; G: S$ K& C- X6 A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
. }' N- d5 k$ p- L1 t: q( g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
3 l: i0 t# }9 g. S$ w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
, r. w! v8 e0 A+ X9 @5 B5 Z( bWindows 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
) [* _. j; T* B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
8 u9 ^' x- p9 `% r/ a) _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
- G3 }  ?/ P( m" V, {+ N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
' s( Y% A7 h  M' F. o2.1MATLAB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。
- D- D# m; U" A/ y, z( s①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
4 t% J) @0 k: K$ \1 Yscom.InputBufferSize=1024;% 输入缓冲区为256B 缺省值为512B
; D% S9 C2 J; M* i, p0 N. x% Tscom.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
; S0 Q( g( `! X0 F/ R) `) u6 K为10s
s.ReadAsyncMode='continuous'( 缺省方式);% 在异步通信模式方式下, 读取
, j' I- H6 Q2 G7 d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
# J+ f2 a. S! j  h9 L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。
6 V, M& ^9 @# j& m8 Y②打开串口设备对象。fopen(scom);
$ W5 U* @. p7 R) Y, Z( V③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
备对象进行读写操作
; w+ Q6 r. K4 K串口的读写操作支持二进制和文本ASCII 两种方式。当MA TLAB 通
  C$ _: {- R. n7 F4 ~3 R) n' F) z信数据采用西方ASCII
% m* ]5 o4 v* O7 d( H方式时读写串口设备的命令分别是fscanf、fpritf 当MATLAB 通信数
# S$ {4 `/ x3 l; |, R据采用二进制方式时
- k$ E: m. c8 L, i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。
  o& c7 ~' ]3 l* V3 n④关闭并清除设备对象。
4 X: z: |; m( A" z! r! j4 X5 W! rfclose(scom) %关闭串口设备对象
delete(scom);%删除内存中的串口设备对象
clear scom; %清除工作空间中的串口设备对象
0 O9 V: |' Q* G' d  i9 t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
+ h& D1 z3 t8 ^: }+ _! l+ q+ N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
4 F6 W( U" B% i* L4 m. ?( w8 a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
1 W( M7 w  s1 V& ?2 z的方法实现的。MATLAB 提供了instrcallback(obj,event) 回调函数用户
5 f. o/ ?7 I7 b, x. l( n根据需要可以自行设置具体的串行通信事件。
" L1 P2 a- [$ n6 N, a其编程步骤如下
  ]# \( \5 g3 w/ `! p8 C①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
' Q7 c4 J7 q  D' b* ^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 j" E1 [  G) c2 o0 g+ x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
1 S  C# G; j& s! Q, [$ G% z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
7 H9 A) k! s7 K% |2 L' z0 T数
" g2 n! P0 W; g/ _! F3 J" C& k4 as.BytesAvailableFcn=@instrcallback;% 得到回调函数句柄。
3 Y0 x5 \" U5 c+ B4 y5 T9 E%另外s.BytesAvailableFcn={@instrcallback,s}; 得到回调函数句柄，并将
. {* q' z8 M) O变量s 渗透到instrcallback 中。
4 F0 q( A9 z& N1 mfopen(s);% 连接串口设备对象
2 ~- Q4 `3 r/ ^( J+ N* `fwrite(s,255);% 写串口发送握手信号0xFF( 等价于十进制下的数值255)
" x, s6 g) A3 P2 F3 H②修改instrcallback(obj,event) 回调函数对所发生的串口通信事件进行处
3 l# w6 x: [! s; p理。
! q  ^2 e8 x! H3 o. I% A* pMATLAB 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
; Z0 m1 `5 c4 B* p; J8 v0 p4 H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
0 T6 w% J8 N$ ~5 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
# ~- [* ?4 P& R: v; @4 d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
: ]" b' y* j& r/ B1 d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
* s  `% i  F" @% V  V% ~/ jMATLAB 安装在C 盘
% V6 P0 {6 O. M, H! B( f* Ginstrcallback.m 文件目录为
% s& e( K6 a. i- c4 C. z(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。
0 O3 o0 _% Y8 O5 p3.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
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
9 Q3 C2 b8 j; M( k6 @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”
  o% O' Q. \8 M3 h4 {9 k9 F按钮为代码中的b1
2 M( N( E/ o' [1 `/ ^# i& {按下按钮会进入b1callback 函数。
2.2 快速傅里叶变换
+ a) J! ~5 b3 {8 D0 r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
+ V" K2 l# V, O* B( x/ j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
$ R7 Q" T5 k/ H* F% y: v换(FFT). 1965 年， Cooley 和Tukey 提出了计算离散傅里叶变换（ DFT）
9 v7 m- ~& `" T7 J8 R0 B, [0 i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
- {+ K/ F' F; p6 A9 q! \% H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
FFT 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。
, P0 a0 }, `- o" y* q9 E! j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
* ?1 Z% q$ Z. T) N  M4 z: A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
/ m8 t% N9 t* h8 d. v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
% S; s* r; Z4 f* D; zN 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
- D8 h+ L3 A$ k, X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
# n1 k  p4 t) K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
5 c& a; V% \" p. a6 M; f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
* E- H* A! `6 s9 K( B" j2 M: m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
+ @' f2 U; f- {8 ?- V) N" b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
8 t( ?" o( F7 W: xDFT 运算单元，那么N 点的DFT 变换就只需要Nlog2N 次的运算， N 在
1024 点时，运算量仅有10240 次，是先前的直接算法的1%，点数越多，
- L% }* I$ C1 }; S, I# H8 Q6 O运算量的节约就越大，这就是FFT的优越性。
* c6 i; @1 [1 H& Q3 E9 @2 K  e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
/ {3 P! {+ W( \) O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
选择性( ωk=2π kN)，在这些点上反映了信号的频谱。
; R8 |; S- M. E; [* C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
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。
3 X$ `, U: I* ]
* M" u( @7 p; b& n  ^$ N: U4 o; K
0 X: Q7 D& q8 ]5 l+ F- p

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学习一下啊

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学习一下，谢谢！