用MATLAB和声卡实现T型波信号发生器的设计方法

        在进行通讯和 DSP等试验过程中，信号源是不可缺少的一个工具，很多设备是使用信号源来模拟检测实际目标，来验证设备的功能及可靠性。通常，对于研制单一产品的厂家来说，需要某一固定的信号源即可，在市场上也可以找到性价比合适的产品。但对于某些开发人员来说，单一的信号源远远满足不了要求，他们可能需要各种频率、各种包络和精度的信号源来验证设计的可靠性。设计者通常很难找到完全符合要求的产品，而且价格一般也极为昂贵。此外，大多数信号源可能用一两天，从而造成极大的浪费。因此，自己研制出符合要求、高性价比的信号源成为很多厂家的选择。

        使用硬件也可以完成过数字信号源的设计，其实现的大致思路是：先分析信号源的波形，对波形的一周期数据进行采样，存储到ROM中，再使用可编程逻辑器件对采样数据进行重复读取、A/D转换、滤波、放大；如想监测信号质量，对输出进行A/D转换，反馈到可编程逻辑器件进行分析、显示和校正。很多工程师会选择这样的设计思路，所得波形具有可靠性高、易于实现和精度高的优点。然而，是从选择思路、绘制原理图、设计电路板、制版、编程、调试和更改的整个设计周期可能达2、3个月之久，而用MATLAB和声卡去实现则更方便有效。

设计思路和软件实现方法

        声卡是将音频输入数据转换为立体声输出的一种设备，输入信号同时也设定了声卡的采样频率和采样位数，普通声卡采样频率通常可选值为8,000Hz、11,000Hz、16,000Hz、22,000Hz和44,100Hz，而高性能的专业声卡的A/D采样频率最高可达96,000Hz，D/A转换频率最高可达192,000Hz。声卡的采样频率可以通过专业软件来进行更改和设置的。声卡输出位数为固定值，包括8位、16位和24位，这个参数标志声卡进行D/A转换时的转换精度，但要使输出信号更接近理想值，还需要高采样频率来做保障。

        由于输出是一个T形波信号，具有一定的周期，在T形波以外输出零电平，因此界面设计(见图1)中应包括：中心频率、T形波上升段、平稳段、下降段时间间隔，T形波信号周期、采样频率的选择或输入/输出信号位数的选择，以及信号发送、演示、清除、发送暂停、继续和退出系统。其实还有很多软件可以对音频文件进行播放，因此又增加了一个按钮用于产生音频文件。将信号参数输入完全后，可以通过信号演示按钮对波形进行查看。对数据进行修改时，可先用信号清除按钮清空数据，或直接对数据进行修改，对信号发送暂停或继续也可进行控制。

a. 音频数据的产生方法 

        在应用界面中，共设置了中心频率、T形波上升段、平稳段、下降段时间间隔、T形波信号周期、采样频率和传输位共七个参数源，通过MATLAB强大的计算函数将其转换成声卡所能接受的音频数据向量、D/A采样频率以及数据向量的宽度。

Vs：一周期信号数据向量
Vup：上升段信号数据向量，
Vstb：平稳段信号数据向量，
Vdown：下降段信号数据向量；
Vs=[Vup,Vstb,Vdown]
Vup=sin(w×Pup)，
Vstb=sin(w×Pstb)，
Vdown=sin(w×Pdown)，
w=2×3.1416×f。
Pup：上升段信号采样点，
Pstb：平稳段信号采样点，
Pdown：下降段信号采样点。
w：输出信号的角频率，
f：输出信号频率，由应用界面取得。
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，为采样频率的倒数，中括号及内部数据表示由起始时间到结束时间以point为间隔而产生的数据向量，Pt为采样时间点。

b. 对T型波信号进行演示和信号清除

        这两个功能分别由信号演示和信号清除两个按钮来完成，信号演示的实现方法是将采样时间点一周期信号数据向量使用plot函数，以二维图形的形式将信号显示在坐标轴上。坐标轴设置为自动调节，图形界面设置为系统菜单模式，这样可以方便对信号进行编辑、缩放和其它管理。信号清除只是在回调子函数中将中心频率、T形波上升段、平稳段、下降段时间间隔和T形波信号周期这5个文本框清零，并对坐标轴进行一个缺省设置，因此所显示的信号在座标轴中就会消失。

c. 对T型波信号进行发送、暂停和继续控制  

        信号发送是采用MATLAB“sound”函数，该函数的输入参量是音频数据向量、采样频率和转换位数，数据产生方法如上所述。由于信号是连续发送，因此需要使用一个循环对产生的音频信号向量反复读取发送，需要注意的是在函数sound后面需要加一个pause(T)语句，T的单位为秒，为一个信号的周期。加该语句是由于MATLAB是连续执行循环段语句的，并不管声卡是否已执行完一周期信号的D/A转换。发送暂停和发送继续是由一个全局变量对信号发送进行控制，当此全局变量为1时，发送继续，否则发送禁止，但应用此方法的缺点是信号并不能在暂停的时间点继续发送，而是从新的周期开始重复读取音频信号向量。

d. 输出波形文件和退出系统

        这个功能由输出文件按钮来完成，是应用MATLAB的wavwrite函数将音频信号转换成.wav文件，文件中也包含了采样频率和数据宽度选项，增加此项的目的是为了能让更专业的音频处理软件对信号进行分析。通过执行应用程序和MATLAB的退出操作，使用“quit”命令退出系统。采用MATLAB的一点不足就是不能将所有的M文件转换成能脱离MATLAB而独立运行的应用程序。

声卡输出波形分析

        下面采用界面缺省参数输出信号，即信号周期为29.5kHz，上升段时间为15ms，平稳段时间为70ms，下降段时间为15ms，周期为1s，也可以推算出每周期有900ms是没有信号输出。对信号的采样波形如图2所示，经过仪器分析，时间误差可达到小于0.1ms。

        对周期信号的傅立叶频谱分析如图3所示，信号的能量主要集中在29.5kHz的窄带范围内，是符合设计要求的。

        信号的信噪比分析：通过对输出0伏值段分析即可判断信号信噪比和噪音信号类型，从而找出消除噪音的方法。对噪音波形进行局部放大，可看出此噪音为频率大于1M的锯齿波，波形如图4所示。  

声卡输出噪音分析

        Waveterminal 192L声卡的输出信号峰峰值为6V，而噪音信号的峰峰值为40mV，因而信噪比为20log(6000/40)=43.5dB，当数据宽度为8位时，D/A精度为1位；数据宽度为16位时，D/A精度为9位；数据宽度为24位时，D/A精度为17位。而Waveterminal 192L声卡的信噪比为104位，因此，噪音信号主要为电脑本身、电脑辐射和环境噪音。电脑本身的噪音主要来自于主机电源，声卡的电源信号取自计算机主板，因此主机电源的噪音会引入声卡。另外，接收T型波的设备，如被检验设备和示波器等，往往就放在主机旁边，主机的高频辐射会通过机箱缝隙而形成噪音。环境噪音是最容易被忽视的一个部分，因为这是一个频率仅有50赫兹的噪音分量，对于低频输出信号会有很大的影响。

降低噪音的解决方法

a. 通过消除噪声源来减小噪音分量

        通过上述分析可知，噪音源主要来自于电脑本身、电脑辐射和环境噪音。选择信噪比较高的主机电源将会对消除噪音源起到重要作用。另外，测试设备再利用信号源时应尽量与主机保持1米以外的距离，以减少电磁辐射对设备的影响。对于环境噪音，当信号频率与50赫兹相差很大时可以忽略环境噪音对设备的影响，但当信号频率接近50赫兹时，应对被检测设备采取适当的屏蔽措施。

b. 采用滤波消除声卡输出的噪音

        经实验测定，声卡输出的噪音大于1MHz，因此对于29.5kHz的T形波来说，通过滤波可以轻易地将噪音滤掉，同时还应考虑到环境噪音的影响，因此使用带通滤波器会得到更好的效果。当然，是否采取措施减小噪音，还应根据试验的要求决定，对于要求特别严格的信号源来说，靠MATLAB和声卡也是难以实现的。

本文小结

        采用MATLAB和声卡来实现信号源，使设计者能快速实现多种方案，对信号源进行采集、分析和处理都带来了极大的方便。MATLAB有丰富的数据处理函数，可提供任意形式的数据源，同时也有很多音频处理函数支持声卡的运行。MATLAB强大的图形可视化功能可以做出友好的操作界面。使用这种方法实现信号源的不足是受采样频