信号与系统实验（建设中）

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基于Adobe Audition 和 Matlab
by 杜伟韬中国传媒大学
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0 引言

信号与系统课程的学科定位和用途

多年来，刚学习信号与系统课程的同学，经常会问到，学习这门课程有什么用处。
我们可以认为，一切应用学科都是从基础学科当中延伸出来的，电子信息学科可以认为是物理学延伸出来的一个细分领域
信号与系统课程对于电子信息学科的作用，大致类似于数学对于物理相关学科的作用
信号与系统课程，以数学公式作为语言，为各种电子信息系统，提供了一种精确的描述方法
- 从而可以使得工程师们可以精确的描述出要设计的目标系统
- 以及准确的评估一个电子系统的工作行为是否达到了设计目标
基于以上两点，信号与系统课程，体现出两方面的作用
构建了自然界信号与电信号以及数字化离散数值的表达通道
- 自然界中的物理量（声波、电磁波、振动压强）通常都以连续的形式变化这些物理量经过传感器转换出来的电信号也是连续信号
- 数字化的信号处理方式，目前已经是不可或缺的重要手段，信号与系统课程，为连续信号和离散化数值之间的互相转换，奠定了理论基础。
- 作为数字信号处理的先导课程，信号与系统课程构建了使用计算机和数字电路（芯片）处理信号的桥梁，数字化处理的重要意义在于，可以将精确的数学推导引入到信号处理领域
- 相比于带有先天的制造一致性误差缺陷的模拟电路，数字化处理的方法具有高度的制造一致性，从而更加适合量产
- 信号与系统课程，指出设计目标和需求，数字信号处理课程，提供了理论层面的实现方法和手段（各种系统模型和算法原理）
提供了测试测量的描述方法
- 即便是对于电子信息技术专业的学生而言，电子测量的重要性也经常被忽视，对于刚刚参与科研活动的同学而言，往往更加重视电子系统的设计过程，而忽视测试测量的重要性。
- 实际上，电子系统的测试测量是及其重要的工作，无论是太空返回舱的遥测遥控，反导系统的精确瞄准和跟踪，医学影像设备（核磁，CT，B超）的肿瘤筛查，这些系统在投入使用、正常运转之前，都需要使用电子测量仪器进行大量的验证实验，从而确保其能够正常工作。
- 信号与系统课程的知识结构，基于数学符号体系，提供了一种可以精确描述电子系统输出信号的表达方式，基于这种表达方式，可以在多个维度（时域、频域，幅度，相位），定义多种测试参数，对电子系统的输出信号特征进行精细的刻画，例如，放大器作为非常典型的电子器件，其测试条目经常多达数页A4纸之多。
- 综上所述，信号与系统课程，其对于设计电子系统的研发人员，以及销售、采购、维修、使用电子系统的人员而言，均具有重要作用。

信号处理系统的设计迭代过程

信号处理系统的设计和实现过程，是一个递进的迭代的过程
信号处理系统的设计始于对物理特性的深入分析。在完成理论层面的数学推导和使用仿真工具（Matlab/ Simulink/ SystemVue等）验证后，就可以进行下一步的设计。
- 有兴趣的同学，可以自行搜索B超，CT，脉冲多普勒雷达，合成孔径雷达等系统的工作原理
- 系统设计早期阶段的仿真，为了尽快验证设计思路和数学推导的正确性，仿真过程的数据经常采用算法合成的数据，而不是真实数据。
理论仿真验证通过后，系统会进入到第二阶段，即采用标准的仪器仪表，在真实的物理场景中，采集真实的物理世界中的信号数据，再次验证理论和算法的可行性。
- 例如：在通信系统的设计过程中，首先使用信号源发射特征信号波形，再让该信号通过信道介质，然后使用信号记录仪（或者带有信号存储功能的示波器/频谱仪）保存接收的波形。
- 然后，再把保存的波形数据导入到之前的仿真中，再次运行仿真确认算法的正确性，该阶段的仿真由于使用了来自物理世界的真实数据，因此仿真结果具有较高的可信度。
- 对于大型信号处理系统而言，由于功能和应用场景复杂，并且系统中经常带有高速的信号反馈回路，对于此类系统的设计验证，还需要使用一些自制的功能原型样机进行系统验证。
- 功能样机通常不考虑功耗和体积，仅以验证系统理论和算法正确性作为目标，系统经常使用装有信号合成和信号采集的FPGA板卡的电脑工作站的硬件结构
- 感兴趣的同学可以看这篇，关于华为的5G原型系统的方案文档，点击下载
系统完成原理性功能样机的验证后，会根据算法的算力需求和最终的应用场景选择算法的实现平台
- 可以使用可编程的通用器件实现系统功能，例如：单片机，GPU，FPGA等
- 对于需要低功耗（电池供电）运行和大规模（10万台以上）部署的场景，还可能使用专用芯片（ASIC）的解决方案
- 由于ASIC的流片费用高昂ASIC 方案在流片投产之前，通常需要先经过FPGA平台验证。

本实验课程的教学思路

从上文可以看到，对于信号处理系统的设计而言，有三方面的能力比较重要
- 首先是数学推导，该能力在《信号与系统》和《数字信号处理》的理论课及相关的作业和考试中进行训练
- 然后是实现平台的设计，这部分能力分布于各种电子线路、数字电路、EDA、单片机等课程中
- 还有就是信号的分析与测量，目前该能力通常没有专门的课程讲述，因此本实验课程，侧重应用图形化的测量工具，训练信号的观测和分析能力。
之前所描述的信号处理的迭代过程中，无论是系统仿真平台、还是实验现场的测试仪表，或者是硬件研发工具的内置调试工具，均带有信号观测和分析功能
因此在进行信号处理系统研发之前，熟练掌握信号的观测与分析具有重要的意义，为日后的系统研发、系统功能测试验证等工作打下良好的基础。
本课程以"交互式的信号观测与分析"为主线，构建了三个教学模块：信号合成技术、信号幅频特性分析以及信号相位特性分析。
课程采用理论与实践相结合的教学模式，主要依托Adobe Audition专业音频处理软件作为实验平台，同时结合MATLAB 软件，指导学生完成一系列的信号合成、分析、处理的实践训练。
通过本课程的学习，学生将建立起对信号时域/频域特性的直观认知体系，为后续专业课程学习及相关技术岗位工作奠定扎实的实践能力基础。

1 信号的合成与分析

学习信号与系统，首先需要从直观的角度感受信号，声音编辑软件Audition是一个很好的入门方式

生成简单信号并观察

生成单音信号
观察单音信号的频谱
观察单音信号的频谱瀑布图
理解单音信号频谱瀑布图的三个维度：时间、频率、强度

生成基本音调信号面板

通过观察时域波形测量信号周期

观察频谱的峰值频率、频谱瀑布的频率位置确定信号频率

改变信号的强度，观察频谱瀑布图亮度的变化规律

生成复杂信号并观察

生成频率发生阶跃的信号
观察信号频率阶跃交界处频谱曲线和频谱瀑布图的变化
生成带有谐波成分的信号

合成频率阶跃信号

观察频率阶跃信号的频谱瀑布图

观察信号频率阶跃处的频谱曲线图

合成带有谐波成分的纯音信号

测量放大器的失真

非线性失真

输入电压和输出电压不是线性的对应关系
输入电压过大时，输出电压无法推动到理想放大幅度
会产生新的频率分量，被称为谐波失真

利用不同幅度的单音信号测量谐波失真

线性失真

相同幅度、不同频率的正弦波输入信号，在输出端的幅度不同
例如：
- 幅度为1，频率为f1的正弦波，输出为A1
- 幅度为1，频率为f2的正弦波，输出为A2
- 且有， A1 不等于 A2
- 放大器通带内幅频响应的变化范围，被称作带内纹波，通常以分贝dB作为度量
  
  利用不同频率的单音扫频信号测量线性失真