用MATLAB和聲卡實現(xiàn)T型波信號發(fā)生器

　　MATLAB有強大的音頻處理函數(shù)和強大的數(shù)據(jù)處理功能，能夠方便地產(chǎn)生各種波形的數(shù)據(jù)數(shù)組，同時通過音頻處理函數(shù)又可以很方便的將數(shù)據(jù)數(shù)組傳遞給聲音設(shè)備，并以特定的采樣頻率和傳輸比特位由聲卡輸出。本文以MATLAB6.5版和Waveterminal 192L聲卡為例，介紹了實現(xiàn)T型波信號發(fā)生器的方法。

　　在進(jìn)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(biāo)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)行重復(fù)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，反饋到可編程邏輯器件進(jìn)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(dá)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常可選值為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(dá)96,000Hz，D/A轉(zhuǎn)換頻率最高可達(dá)192,000Hz。聲卡的采樣頻率可以通過專業(yè)軟件來進(jìn)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(biāo)志聲卡進(jìn)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(jìn)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(jìn)行查看。對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行修改，對信號發(fā)送暫停或繼續(xù)也可進(jìn)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(jìn)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(biāo)軸上。坐標(biāo)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(jìn)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(biāo)軸進(jìn)行一個缺省設(shè)置，因此所顯示的信號在座標(biāo)軸中就會消失。

　　c. 對T型波信號進(jìn)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(fù)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(jìn)行控制，當(dāng)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(fù)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)信號頻率接近50赫茲時，應(yīng)對被檢測設(shè)備采取適當(dāng)?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(dāng)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(yán)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(jìn)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率的限制、噪音的影響較大，因此實際應(yīng)用時還需使用專門的濾波儀器對輸出信號進(jìn)行處理。所以，用這種方案實現(xiàn)信號源，更適合與對輸出信號質(zhì)量要求不是很高，又需要在很短時間內(nèi)得到一種或多種信號源的技術(shù)人員。

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