数字信号分析处理系统设计

论文总字数：23199字

目 录

摘要 1

ABSTRACT 2

一、引言 1

1.1选题的目的及意义 3

1.2国内外研究现状 4

1.3研究方向及主要工作介绍 5

二、 软件设计 7

2.1软件结构设计 7

2.2 GUI设计 9

2.1.1 理论介绍 9

2.1.2 用户界面的程序设计 10

2.3 数据信号输入模块 12

2.4 声卡信号采集模块 12

2.4.1 声卡的硬件结构及工作原理 12

2.4.2 声卡的性能指标 13

2.4.3 声卡采集信号过程 13

2.4.4 软件设计与实现 14

2.5 函数信号输入模块 14

2.6数据预处理模块 15

2.6.1 归一化处理 15

2.6.2 平滑处理 16

2.6.3 滤波处理 18

2.7数据分析模块 19

2.7.1 傅里叶变换 19

2.7.2回归分析 21

2.8加噪去噪计算模块 21

三、 结果分析 23

四、 结论 26

参考文献 27

致谢 28

数字信号分析处理系统设计

凌宇杰

，China

Abstract： With the development of digital circuit and signal system technology and computer technology, the data preprocessing and analysis technology of digital signal has also been developed rapidly. Its application field is very extensive and has a good prospect of development both at home and abroad. In this paper, through the theoretical research of digital signal processing and analysis and the understanding of MATLAB algorithm, the design interface of digital signal analysis and processing system is designed.It contains data preprocessing interface (Including normalization, smoothing and filtering), data analysis part (including fast Fourier transform FFT and regression analysis), denoising analysis part (plus noise, denoising) and signal frequency calculation part; At the same time,I use visual applications to layout according to the functional requirements, which makes the results of the process are visually displayed; Finally, in order to meet the different needs, I add reset module and save module in the interface to facilitate user operation and use.

Key words： GUI; Data preprocessing; Data analysis; Noise enhancement amp;denoising analysis;

一、引言

1.1选题的目的及意义

1、目的

本课题主要就是对数字信号分析处理的理论和方法进行研究^[2-3]，并通过查阅课本书籍和借鉴学习互联网等媒介中已有的研究成果，设计完成一个基于MATLAB的可视化应用界面^[4]，利用算法将常用的数据预处理、数据分析、加噪去噪分析以及频率计算功能融汇其中，以此实现对一维数字信号功能性的处理和分析，并将处理和分析后的信号进行时域或频域的二维直观显示。

数字信号的数据预处理是把信号表达为数字形式后再对其进行各种处理的技术和理论，主要作用就是削弱所测信号中的多余部分；滤去混杂的噪声及干扰；频带划分；或是将信号转换成更佳的形式，以便在接下来的工作中可以随时进行传输识别、提取使用以及分析处理等各项操作。所以在数字信号的数据预处理操作中，复杂混合信号当中有用信息的提取以及目标信号的增强成为了最为常规的操作目的形式。可以说，数字信号的数据预处理就是一种以传输、提取、放大以及存储信号中的有用成分为目的而设计的运算。而数字信号的数据分析更多是对信号性质的测量，一般来说是一种频域运算，主要运用于频谱分析、语音识别和目标检测等。数字信号的数据分析更多的是利用各种数据分析算法，找出信号在频域或时域上的一般规律。要充分利用各种资源，提前做出预期或规律总结，为后续的其他工作提供辅助性建议，以便做出针对性的处理。如对于一段掺加了噪声的数字信号，我们可以对其进行FFT分析，将其从时域转换到频域，便于分析判断噪声的频率范围，随即进行相应的滤波器设计，将掺加其中的噪声滤除，从而输出纯信号。

数字信号处理目前的研究工作大都集中在算法的探讨而忽略了对数据处理的研究。但事实上，数据预处理对于算法的使用乃至选择都非常重要。因为在通常情况下，较为成熟的算法对它所处理的数据集合都会有一定的要求：比如要求数据有较高的完整性、数据有较小的冗余性、数据之间的相关性比较低等；而当前待处理的信号数据却一般都具有杂乱性，重复性和不完整性，甚至包含噪声数据；要想算法运行后输出有效的信息，就必须为其提供干净，准确，简洁的数据。数据分析可以通过恰当的手段从纷繁杂乱的数据集合中找出一般规律，充分开发数据信息的功能和作用。通过对目标信号中的信息进行萃取和整合，从而提炼总结出研究对象的内在规律。

2、研究本课题的意义

对于自身而言，通过体会科学研究从具体到抽象、从模糊到清晰、从简陋到完善的过程，才能领悟到科学研究的基本规律。通过研习本课题，可以加深对数字信号处理的认识与理解，再加上不断的实践，尝试自己动手，明确每一个算法的目的和作用，理解每一句程序的功能和使用方法，可以使自己的知识储备有所提升，也能为数字信号分析处理提供一个权威式总结。只有不断精进理论知识和方法，才能为现实生活的需求服务，才能为解决实际问题提供更多样化的选择，才能让数字信号分析处理领域拥有无限发展契机。

从功用性角度讲，首先帮助用户实现对数据信号文件的一些基本的处理和分析，并且可以计算信号频率显示频谱图像，方便用户提取有用信息，并能将处理后的信号自动保存，留待需要时使用；其次，通过声卡采集语音信号，能够自动保存原信号和处理后的信号，还可以进行加噪去噪模拟；再者，用户可以根据自己的需要来设定信号函数公式和采样范围与间隔即自定义输入，更为人性化；还有就是，频率计算作为一个附加功能，用于定量分析信号的性质，可用于对比原始信号和去噪后的信号频率的变化程度，用户也可以用于计算某一信号的频率值；另外，增设的重置功能键，也是为了确保系统的稳定运行，不会发生数据紊乱，便于重复连续使用。

就实用性而言，我所设计的应用界面可以作为一个通用的信号预处理工具，对原始信号作初步处理并保存，留待使用；也可以作为实践教学辅助工具，帮助老师向同学们演示各种信号处理和信号分析的算法处理效果；也可以作为学习指导工具，帮助学生认知各算法的特点和功效，或者分析某一信号的频谱特性；也还可以作为一种验证软件，作为人工运算正确性的判定依据。

1.2国内外研究现状

21世纪以来，通信技术得到了飞速发展，数字信号处理也成功跻身信号与信息处理领域里十分重要的新兴学科，牵引着当代信息技术发展的主流方向^{[1] [17-20][23][25]}。它利用计算机媒介或其他特定的处理设备，通过算法对数字信号进行各种各样的加工和处理，从而提取出自己所需的信息，所得的结果信号也可以重新作为输入信号加以运用。这种技术在通信、语音、图像、雷达、航空航天、系统控制、生物医学等众多领域都得到广泛应用^[15][21]；并且凭借较高的灵活性和速率，以及超强的工作性能，逐渐活跃于人们的生活之中；它一般还具有较高的抗干扰性能；与此同时，它尺寸小但精度高，物美价廉。

 当前，我国的数字信号处理技术的开发力度还远不及国外，具体的应用还暂时局限于个别的领域之中。但这并不意味着，这个行业没有发展前途，事实正好相反，这说明了我国的数字信号分析处理行业是一块等待耕耘的良地，很多领域都有足够的发展空间可以探寻。由此可以看出，国内的数字信号分析与处理技术将会得到不断的拓展完善，不断与国际接轨，在借鉴学习先进技术的同时，自主开发新方向，让数字信号处理技术应用到生活的各个角落，从而立足于国内外市场中，长盛不衰。

以下简单罗列了一些有关数字信号分析处理的最新情况：

1、随着技术的进步与需求的增长，信号处理的各项工作量愈加增大，使得系统对不同采样率相互切换产生了迫切需求。为了应对理想与现实脱节的现状，多速率数字信号处理^[16]应运而生，它大大降低了计算的复杂度，同时降低传输的速率，也有效减少了所需占据的系统存储量，在多个行业都出现它活跃的身影。这种技术在工程实践中应用的尤为宽广，不仅促进了理论与实际应用领域的蓬勃发展，也使得了整个数字信号处理行业的发展进步。

2、加拿大著名的通信信号处理集成供应商Nutaq公司，最近推出了一种新型的通信信号处理开发平台。该平台不仅能够基于传统的底层开发模式，还能够基于中心思想为模型设计（MBD）的顶层开发模式，同时还可以充分利用MATLAB、Simulink以及Xilinx等常规的建模工具，将算法方面的数学仿真和实际运用方面的工程实现进行无缝衔接，可以直接由顶层入手，步步为营，按模块设置算法和分配空间，极大地提升了开发效率，也为科研人员提供了一个更为便捷的通信信号处理算法开发的通用平台，相信必定得以广泛运用于各个行业领域。

3、2016年7月30日到31日，全国信号处理技术应用大会在北京盛大开幕，会议内容聚焦行业热门话题，有效促进了各企业间、工程师间以及企业与高校间的交流与合作，有力推动了信号处理技术的进步，并促进了应用方面的拓展，努力构造新兴领域的共同繁荣。

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