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用MATLAB和聲卡實現(xiàn)T型波信號發(fā)生器的設(shè)計方法

        在進行通訊和 DSP等試驗過程中，信號源是不可缺少的一個工具,，很多設(shè)備是使用信號源來模擬檢測實際目標,，來驗證設(shè)備的功能及可靠性。通常,，對于研制單一產(chǎn)品的廠家來說,，需要某一固定的信號源即可，在市場上也可以找到性價比合適的產(chǎn)品,。但對于某些開發(fā)人員來說,，單一的信號源遠遠滿足不了要求，他們可能需要各種頻率,、各種包絡(luò)和精度的信號源來驗證設(shè)計的可靠性,。設(shè)計者通常很難找到完全符合要求的產(chǎn)品，而且價格一般也極為昂貴,。此外,，大多數(shù)信號源可能用一兩天，從而造成極大的浪費,。因此,，自己研制出符合要求、高性價比的信號源成為很多廠家的選擇,。

        使用硬件也可以完成過數(shù)字信號源的設(shè)計,，其實現(xiàn)的大致思路是：先分析信號源的波形，對波形的一周期數(shù)據(jù)進行采樣,，存儲到ROM中,，再使用可編程邏輯器件對采樣數(shù)據(jù)進行重復讀取、A/D轉(zhuǎn)換,、濾波,、放大；如想監(jiān)測信號質(zhì)量,，對輸出進行A/D轉(zhuǎn)換,，反饋到可編程邏輯器件進行分析、顯示和校正,。很多工程師會選擇這樣的設(shè)計思路,，所得波形具有可靠性高,、易于實現(xiàn)和精度高的優(yōu)點。然而,，是從選擇思路,、繪制原理圖、設(shè)計電路板,、制版,、編程、調(diào)試和更改的整個設(shè)計周期可能達2,、3個月之久,，而用MATLAB和聲卡去實現(xiàn)則更方便有效。

設(shè)計思路和軟件實現(xiàn)方法

        聲卡是將音頻輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為立體聲輸出的一種設(shè)備,，輸入信號同時也設(shè)定了聲卡的采樣頻率和采樣位數(shù)，普通聲卡采樣頻率通?？蛇x值為8,000Hz,、11,000Hz、16,000Hz,、22,000Hz和44,100Hz,，而高性能的專業(yè)聲卡的A/D采樣頻率最高可達96,000Hz，D/A轉(zhuǎn)換頻率最高可達192,000Hz,。聲卡的采樣頻率可以通過專業(yè)軟件來進行更改和設(shè)置的,。聲卡輸出位數(shù)為固定值，包括8位,、16位和24位,，這個參數(shù)標志聲卡進行D/A轉(zhuǎn)換時的轉(zhuǎn)換精度，但要使輸出信號更接近理想值,，還需要高采樣頻率來做保障,。

        由于輸出是一個T形波信號，具有一定的周期,，在T形波以外輸出零電平,，因此界面設(shè)計(見圖1)中應(yīng)包括：中心頻率、T形波上升段,、平穩(wěn)段,、下降段時間間隔，T形波信號周期,、采樣頻率的選擇或輸入/輸出信號位數(shù)的選擇,，以及信號發(fā)送、演示、清除,、發(fā)送暫停,、繼續(xù)和退出系統(tǒng)。其實還有很多軟件可以對音頻文件進行播放,，因此又增加了一個按鈕用于產(chǎn)生音頻文件,。將信號參數(shù)輸入完全后，可以通過信號演示按鈕對波形進行查看,。對數(shù)據(jù)進行修改時,，可先用信號清除按鈕清空數(shù)據(jù)，或直接對數(shù)據(jù)進行修改,，對信號發(fā)送暫停或繼續(xù)也可進行控制,。

a. 音頻數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方法 

        在應(yīng)用界面中,，共設(shè)置了中心頻率、T形波上升段,、平穩(wěn)段,、下降段時間間隔、T形波信號周期,、采樣頻率和傳輸位共七個參數(shù)源,，通過MATLAB強大的計算函數(shù)將其轉(zhuǎn)換成聲卡所能接受的音頻數(shù)據(jù)向量、D/A采樣頻率以及數(shù)據(jù)向量的寬度,。

Vs：一周期信號數(shù)據(jù)向量
Vup：上升段信號數(shù)據(jù)向量,，
Vstb：平穩(wěn)段信號數(shù)據(jù)向量，
Vdown：下降段信號數(shù)據(jù)向量,；
Vs=[Vup,Vstb,Vdown]
Vup=sin(w×Pup),，
Vstb=sin(w×Pstb)，
Vdown=sin(w×Pdown),，
w=2×3.1416×f,。
Pup：上升段信號采樣點，
Pstb：平穩(wěn)段信號采樣點,，
Pdown：下降段信號采樣點,。
w：輸出信號的角頻率，
f：輸出信號頻率,，由應(yīng)用界面取得,。
Pup=[0:point:tup-point]
Pstb=[tup:point:tup+tstb-point]
Pdown=[tup+tstb:point:tup+tstb+tdown-point]
Pt=[Pup,Pstb,Pdown] 

        point=1/fspl，為采樣頻率的倒數(shù),，中括號及內(nèi)部數(shù)據(jù)表示由起始時間到結(jié)束時間以point為間隔而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)向量,，Pt為采樣時間點。

b. 對T型波信號進行演示和信號清除

        這兩個功能分別由信號演示和信號清除兩個按鈕來完成,，信號演示的實現(xiàn)方法是將采樣時間點一周期信號數(shù)據(jù)向量使用plot函數(shù),，以二維圖形的形式將信號顯示在坐標軸上,。坐標軸設(shè)置為自動調(diào)節(jié)，圖形界面設(shè)置為系統(tǒng)菜單模式,，這樣可以方便對信號進行編輯,、縮放和其它管理。信號清除只是在回調(diào)子函數(shù)中將中心頻率,、T形波上升段,、平穩(wěn)段、下降段時間間隔和T形波信號周期這5個文本框清零,，并對坐標軸進行一個缺省設(shè)置,，因此所顯示的信號在座標軸中就會消失。

c. 對T型波信號進行發(fā)送,、暫停和繼續(xù)控制  

        信號發(fā)送是采用MATLAB“sound”函數(shù),，該函數(shù)的輸入?yún)⒘渴且纛l數(shù)據(jù)向量、采樣頻率和轉(zhuǎn)換位數(shù),，數(shù)據(jù)產(chǎn)生方法如上所述,。由于信號是連續(xù)發(fā)送，因此需要使用一個循環(huán)對產(chǎn)生的音頻信號向量反復讀取發(fā)送,，需要注意的是在函數(shù)sound后面需要加一個pause(T)語句,，T的單位為秒，為一個信號的周期,。加該語句是由于MATLAB是連續(xù)執(zhí)行循環(huán)段語句的,，并不管聲卡是否已執(zhí)行完一周期信號的D/A轉(zhuǎn)換。發(fā)送暫停和發(fā)送繼續(xù)是由一個全局變量對信號發(fā)送進行控制,，當此全局變量為1時,，發(fā)送繼續(xù)，否則發(fā)送禁止,，但應(yīng)用此方法的缺點是信號并不能在暫停的時間點繼續(xù)發(fā)送,，而是從新的周期開始重復讀取音頻信號向量。

d. 輸出波形文件和退出系統(tǒng)

        這個功能由輸出文件按鈕來完成,，是應(yīng)用MATLAB的wavwrite函數(shù)將音頻信號轉(zhuǎn)換成.wav文件,，文件中也包含了采樣頻率和數(shù)據(jù)寬度選項，增加此項的目的是為了能讓更專業(yè)的音頻處理軟件對信號進行分析,。通過執(zhí)行應(yīng)用程序和MATLAB的退出操作,，使用“quit”命令退出系統(tǒng)。采用MATLAB的一點不足就是不能將所有的M文件轉(zhuǎn)換成能脫離MATLAB而獨立運行的應(yīng)用程序,。

聲卡輸出波形分析

        下面采用界面缺省參數(shù)輸出信號，即信號周期為29.5kHz，上升段時間為15ms,，平穩(wěn)段時間為70ms,，下降段時間為15ms，周期為1s,，也可以推算出每周期有900ms是沒有信號輸出,。對信號的采樣波形如圖2所示，經(jīng)過儀器分析,，時間誤差可達到小于0.1ms,。

        對周期信號的傅立葉頻譜分析如圖3所示，信號的能量主要集中在29.5kHz的窄帶范圍內(nèi),，是符合設(shè)計要求的,。

        信號的信噪比分析：通過對輸出0伏值段分析即可判斷信號信噪比和噪音信號類型，從而找出消除噪音的方法,。對噪音波形進行局部放大,，可看出此噪音為頻率大于1M的鋸齒波，波形如圖4所示,。  

聲卡輸出噪音分析

        Waveterminal 192L聲卡的輸出信號峰峰值為6V，而噪音信號的峰峰值為40mV,，因而信噪比為20log(6000/40)=43.5dB,，當數(shù)據(jù)寬度為8位時，D/A精度為1位,；數(shù)據(jù)寬度為16位時,，D/A精度為9位；數(shù)據(jù)寬度為24位時,，D/A精度為17位,。而Waveterminal 192L聲卡的信噪比為104位，因此,，噪音信號主要為電腦本身,、電腦輻射和環(huán)境噪音。電腦本身的噪音主要來自于主機電源,，聲卡的電源信號取自計算機主板,，因此主機電源的噪音會引入聲卡。另外,，接收T型波的設(shè)備,，如被檢驗設(shè)備和示波器等，往往就放在主機旁邊,，主機的高頻輻射會通過機箱縫隙而形成噪音,。環(huán)境噪音是最容易被忽視的一個部分，因為這是一個頻率僅有50赫茲的噪音分量，對于低頻輸出信號會有很大的影響,。

降低噪音的解決方法

a. 通過消除噪聲源來減小噪音分量

        通過上述分析可知,，噪音源主要來自于電腦本身、電腦輻射和環(huán)境噪音,。選擇信噪比較高的主機電源將會對消除噪音源起到重要作用,。另外，測試設(shè)備再利用信號源時應(yīng)盡量與主機保持1米以外的距離,，以減少電磁輻射對設(shè)備的影響,。對于環(huán)境噪音，當信號頻率與50赫茲相差很大時可以忽略環(huán)境噪音對設(shè)備的影響,，但當信號頻率接近50赫茲時,，應(yīng)對被檢測設(shè)備采取適當?shù)钠帘未胧?

b. 采用濾波消除聲卡輸出的噪音

        經(jīng)實驗測定，聲卡輸出的噪音大于1MHz,，因此對于29.5kHz的T形波來說,，通過濾波可以輕易地將噪音濾掉，同時還應(yīng)考慮到環(huán)境噪音的影響,，因此使用帶通濾波器會得到更好的效果,。當然，是否采取措施減小噪音,，還應(yīng)根據(jù)試驗的要求決定,，對于要求特別嚴格的信號源來說，靠MATLAB和聲卡也是難以實現(xiàn)的,。

本文小結(jié)

        采用MATLAB和聲卡來實現(xiàn)信號源,，使設(shè)計者能快速實現(xiàn)多種方案，對信號源進行采集,、分析和處理都帶來了極大的方便,。MATLAB有豐富的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，可提供任意形式的數(shù)據(jù)源,，同時也有很多音頻處理函數(shù)支持聲卡的運行,。MATLAB強大的圖形可視化功能可以做出友好的操作界面。使用這種方法實現(xiàn)信號源的不足是受采樣頻