1、本科毕业论文（20 届）基于 Android 的信号发生器的设计所在学院 专业班级 计算机科学与技术 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 基于 Android 的信号发生器的设计摘 要信号发生器是广泛应于电子测量和科学研究实验中的通用信号源。在通信、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。随着现代测量和现代通信技术的发展，越来越需要一个便携式的、多功能的信号发生器。而在 Android 上的信号发生器软件恰恰符合这个条件。本文首先介绍了开发一个信号发生器的预备知识，例如波形声音的概念以及脉冲编码调制和 wav 格式文件。然后给出了这个软件的系统总体流程图和软件的界面的设计。在我
2、的设计中模块分为三个，分别为界面和声音输出模块、产生采样数据的模块以及合成最终信号的模块。文章的最后给出了整个软件的测试结果。结果表明了在 Android 系统上设计一个能改变波形、频率、和相位的双通道信号发生器是可以实现的。并且设计出的信号发生器具有稳定，易携带，界面美观，使用方便等优点，这将是以后的信号发生器的发展方向。关键词：信号发生器；脉冲编码调制；Wav 文件 ；AndroidSignal Generator Design Based On AndroidAbstractSignal generators are widely used in electronic measureme
3、nt and scientific experiments common source. In the field of communications, measurement, radar, control, teaching and others, we can see it here and there. With the development of modern surveying and modern communication technologies, a growing need for a portable, versatile signal generator. The
4、signal generator on the Android software is just to meet this condition. This paper describes the development of a signal generator prior knowledge, such as the concept of a sound wave and pulse code modulation and wave files. Then thesis gives the overall system flow chart and software interface de
5、sign. In my design module is divided into three, namely the interface and a sound output module, the module generates the final signal synthesis module and sample data. Finally, the article presents the test results of the entire software. The results show that the Android system can change the desi
6、gn of a waveform, frequency, and phase of a dual-channel signal generator can be achieved. And design a signal generator with a stable, easy to carry, beautiful interface, ease of use, will be the development direction of the future signal generator.Keywords: Signal generator；Pulse code modulation ；
7、Pcm ；Android 目 录1 绪论 .11.1 课题的背景和意义 .11.2 国内外研究现状 .12 Android上的波形声音信号 .32.1 波形声音 .32.2 脉冲编码调制 PCM .42.2.1 采样频率 .42.2.2 样本大小 .42.3 WAV文件 .53 系统总体设计 .63.1 开发工具和环境搭建 .63.2 Android虚拟机 .93.3 界面的设计 .93.4 总体系统的设计 .94 各个功能模块 .104.1 界面和声音输出模块 .114.2 产生采样数据的模块 .124.3 合成最终信号的模块 .135 系统测试与结果 .166 结论 .18致 谢 .19主
8、要参考文献： .2011 绪论1.1 课题的背景和意义信号源是一种通过用户对其波形的命令来发出信号的电子仪器。信号源主要给被测电路提供所需求的已知信号(各种波形。函数发生器是一种常用的信号源,普遍应用于电子电路、自动控制和科学试验等畛域。信号发生器是一种悠久的测量仪器，早在 20年代电子设备刚出现时它就产生了。随着通信和雷达技术的发展，40 年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，电路比较简单，但功耗比较大，因此发展速度比较慢
9、。直到 1964年才出现第一台全晶体管的信号发生器。 自 60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的信号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形，由于模拟电路的漂移较大，使其输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。 自从 70年代为处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。这时期的信号发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC
10、的程序控制，就可以得到各种简单的波形。软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由 CPU的工作速度决定的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提高 CPU的时钟周期，但这些办法是有限的，根本的办法还是要改进硬件电路。 随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大地促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来 12。信号发生器作为电子领域不可缺少的测量工具，向更高性能，更高精确度，更高智能化方向发
11、展是它的必然趋势，数字化信号发生器的高速也证明了这一点。根据调查，安卓手机在中国手机市场已经占到 70%以上。将信号发生器设计成一种可以安装在安卓手机上的软件具有非常重要的实践意义和广阔的应用前景。1.2 国内外研究现状信号发生器作为一种经常使用的信号源，广泛的应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号2设备。因此，信号发生器和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本的，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器。自六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生
12、器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展直接数字频率合成(DDS: Digital Direct Frequency Synthesis)技术是一种新频率合成方法，是频率合成技术的一次革命，Joseph Tierney等 3人于1971年提了直接数字频率合成的思想，但由于受当时微电子技术和数字信号处理技术的限制，DDS 技术没有受到足够重视，随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展，DDS 技术日益显露出它的优越性直接数字频率合成技术发展到现在，合成信号频率的精确度和频谱的纯度仍
13、然是其今后发展的主要方向。而这方而性能指标的提高，可以从两个方而进行，一是提出更加先进的设计思想和设计理论，发展更加先进的生产工艺，由芯片厂家开发、生产出性能更完善的 DDS芯片;二是对于已有成品的 DDS芯片，设计完善的工作软件和抗干扰、抑制杂散的外围电路 3。自 80年代以来各国都在研制 DDS产品，随着基础电路制造工艺的逐步提高，通过采用先进的工艺和低功耗的设计，DDS 的工作速度已经有了很大的提高并广泛的应用于各个领域。其中以 AD公司的产品比较有代表性，如 AD7008, AD9850,AD9851、AD9854, AD9858等，其系统时钟频率从 30MHz到 1 GHz不等。这些
14、芯片还具有调制功能，如 AD7008可以产生正交调制信号，AD9852 也可以产生FSK,PSK、线性调频以及幅度调制的信号。芯片内部采用了优化设计，大多采用了流水技术，提高了相位累加器的工作频率，进一步提高了 DDS芯片的输出频率。通过运用流水技术在保证相位累加器工作频率的前提下，相位累加器的字长可以设计的更长，如 AD9852的相位累加器达到了 48位。同时为了抑制杂散，这些芯片大多采用了随机抖动法来提高无杂散动态范围。运用 DDS技术生产的 DDS任意波形信号发生器是较新的一类信号源并已经广泛投入使用。它不仅能产生传统函数信号器能产生的正弦波、方波、三角波、锯齿波，还可以产生任意编辑的波
15、形。由于 DDS的自身特点，还可以很容易的产生一些数字调制信号，如 FSK, PSK等，一些高端的信号发生器甚至可以产生通信信号。同时输出波形的频率分辨率、频率精度等指标也有很大的提高。诚然，国内外有不少介绍信号发生器的资料，也有不少信号发生器产品，其用途也非常广泛，但是用于仿真核信号的产品却很少。美国橡树岭国家实验室（ORNL）对这方面进行了深入的研究，其研究的大致历程是：31944年，Rossi-、脉冲中子测量实验；1956年，美国橡树岭国家实验室（ORNL）使用加速器测量脉冲中子；1962年，美国橡树岭国家实验室（ORNL）Rossi- 测量；19681995 年，252Cf 产生的随机
16、脉冲中子实验；1971年，同步 Rossi-、随机脉冲中子测量；19741993 年，时间分析及频率分析；1996年，多通道发生装置时间相关性分析及频率分析；目前，国内外已研制出的信号发生器种类繁多，也已应用于诸多领域。国内外有不少的介绍随机脉冲发生器的资料，也有不少的随机脉冲发生器的产品用于纺织、医疗、保密行业。国内出现了基于单片机实现的输出脉冲幅度可以是高斯分布、指数分布及均匀分布等模式 ,也可以两种模式共同输出 ,为了仿真核脉冲时间上的随机性 ,脉冲的输出时间间隔可以是周期性的 ,也可以是指数分布的1。但国内尚未见到有能同时仿真核信号幅度和时间统计特性的脉冲发生器的相关报道，且现有产品存
17、在重复频率低或脉冲上升沿大等缺陷13。用常规方法实现难度较大且不具普遍性，引进国外产品则无疑存在价格昂贵、不易维修的问题。总的说来，我国的仿核信号源的随机脉冲发生器还没有形成真正的产业。不管是从种类还是从性能上来讲，同国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对此类产品的研制显得迫在眉睫 45。2 Android上的波形声音信号要想设计一个信号发生器的软件，首先要掌握一些预备知识。这一章就介绍了关于开发信号发生器的预备之知识。这些预备知识主要包括波形声音、脉冲编码调制以及 wav文件在内存中的存放。波形声音信号的播放有数据的产生，采样，然后将数据转化为声音最后才是播放的过程2.1 波形声音波形声音，
18、是最常用的 Windows多媒体特性。波形声音设备可以通过麦克风捕捉声音，并将其转换为数值，然后把它们储存到内存或者磁盘上的波形文件中，波形文件的扩展名是 .WAV。这样，声音就可以播放了。数字化的波形声音是一种使用二进制表示的串行比特流，它遵循一定的标准或者规范编码，其数据是按时间顺序组织的，文件扩展名为“wav” 。记录声音采样点数据的文件叫做“波形声音”文件。波形声音构件专门用于 WAV类型声音文件的播放。波形声音与音响构件的区别在于，它只用于播放 WAV类型。声音就是振动。当声音改变了鼓膜上空气的压力时，我们就感觉到了声音。麦克风可以感应这些振动，并且将它们转换为电流。同样，电流再经过
19、放大器和扩音器，就又变成了声音。传统上，声音以模拟方式储存（例如录音磁带和唱片） ，这些4振动储存在磁气脉冲或者轮廓凹槽中。当声音转换为电流时，就可以用随时间振动的波形来表示。振动最自然的形式可以用正弦波表示 6。正弦波有两个参数振幅（也就是一个周期中的最大振幅）和频率。我们已知振幅就是音量，频率就是音调。一般来说人耳可感受的正弦波的范围是从 20Hz（每秒周期）的低频声音到 20,000Hz的高频声，但随着年龄的增长，对高频声音的感受能力会逐年退化。人感受频率的能力与频率是对数关系而不是线性关系。也就是说，我们感受 20Hz到 40Hz的频率变化与感受 40Hz到 80Hz的频率变化是一样的
20、。在音乐中，这种加倍的频率定义为八度音阶。因此，人耳可感觉到大约 10个八度音阶的声音。钢琴的范围是从 27.5 Hz到 4186 Hz之间，略小于 7个八度音阶。虽然正弦波代表了振动的大多数自然形式，但纯正弦波很少在现实生活中单独出现，而且，纯正弦波并不动听。大多数声音都很复杂。2.2 脉冲编码调制 PCM计算机处理的是数值，因此要使声音进入计算机，就必须设计一种能将声音与数字信号相互转换的机制。不压缩数据就完成此功能的最常用方法称作脉冲编码调制 （PCM：pulse code modulation） 。利用脉冲编码调制，波形可以按固定的周期频率取样，其频率通常是每秒几万次。对于每个样本都测
21、量其波形的振幅。脉冲编码调制有两个参数：取样频率，即每秒内测量波形振幅的次数；样本大小，即用于储存振幅级的位数。与您想象的一样：取样频率越高，样本大小越大，原始声音的复制品才更好。不过，存在一个提高取样频率和样本大小的极点，超过这个极点也就超过了人类分辨声音的极限。另外，如果取样频率和样本大小过低，将导致不能精确地复制音乐以及其它声音。2.2.1 采样频率取样频率决定声音可被数字化和储存的最大频率。尤其是，取样频率必须是样本声音最高频率的两倍。这就是Nyquist 频率（Nyquist Frequency） ，以 30年代研究取样程序的工程师 Harry Nyquist的名字命名。以过低的取样
22、频率对正弦波取样时，合成的波形比最初的波形频率更低。这就是所说的失真信号。为避免失真信号的发生，在输入端使用低通滤波器以阻止频率大于半个取样频率的所有波形。在输出端，数字模拟转换器产生的粗糙的波形边缘实际上是由频率大于半个取样频率的波形组成的泛音。因此，位于输出端的低通滤波器也阻止频率大于半个取样频率的所有波形。声音 CD中使用的取样频率是每秒 44,100个样本，或者称为 44.1kHz。这个特有的数值是这样产生的：人耳可听到最高 20kHz的声音，因此要拦截人能听到的整个声音范围，就需要40kHz的取样频率。然而，由于低通滤波器具有频率下滑效应，所以取样频率应该再高出大约百分之十才行。取样
23、频率就达到了 44kHz。这时，我们要与视讯同时记录数5字声音，于是取样频率就应该是美国、欧洲电视显示格速率的整数倍，这两种视讯格速率分别是 30Hz和 25Hz。这就使取样频率升高到了 44.1kHz。2.2.2 样本大小脉冲编码调制的第二个参数是按位计算的样本大小。样本大小决定了可供录制和播放的最低音与最高音之间的区别。这就是通常所说的动态范围。声音强度是波形振幅的平方（即每个正弦波一个周期中最大振幅的合成） 。与频率一样，人对声音强度的感受也呈对数变化。两个声音在强度上的区别是以贝尔（以电话发明人 Alexander Graham Bell的名字命名）和分贝（dB）为单位进行测量的。1
24、贝尔在声音强度上呈 10倍增加。1dB 就是以相同的乘法步骤成为 1贝尔的十分之一。由此，1dB 可增加声音强度的 1.26倍（10 的 10次方根） ，或者增加波形振幅的 1.12倍（10 的 20次方根） 。1 分贝是耳朵可感觉出的声强的最小变化。从开始能听到的声音极限到让人感到疼痛的声音极限之间的声强差大约是 100 dB。Windows同时支持 8位和 16位的样本大小。储存 8位的样本时，样本以无正负号字节处理，静音将储存为一个值为 0x80的字符串。16 位的样本以带正负号整数处理，这时静音将储存为一个值为 0的字符串。要计算未压缩声音所需的储存空间，可用以秒为单位的声音持续时间乘
25、以取样频率。如果用 16位样本而不是 8位样本，则将其加倍，如果是录制立体声则再加倍。例如，1 小时的 CD声音（或者是在每个立体声样本占 2字节、每秒 44 ,100个样本的速度下进行 3 600秒）需要 635MB，这快要接近一张 CD-ROM的储存量了。2.3 WAV文件由于本次设计的信号发生器要求双声道，左右声道发出不同的信号。这就涉及到了 wav在内存中的存放问题。所以有必要首先了解一些关于 wav格式的音频文件的内容。WAV为微软公司（Microsoft)开发的一种声音文件格式，它符合 RIFF(Resource Interchange File Format)文件规范，用于保存
26、Windows平台的音频信息资源，被Windows平台及其应用程序所广泛支持，该格式也支持 MSADPCM，CCITT A LAW等多种压缩运算法，支持多种音频数字，取样频率和声道，标准格式化的 WAV文件和 CD格式一样，也是 44.1K的取样频率，16 位量化数字，因此在声音文件质量和 CD相差无几。WAVE 是录音时用的标准的 WINDOWS文件格式，文件的扩展名为“WAV” ，数据本身的格式为 PCM或压缩型，属于无损音乐格式的一种。所有的 WAV都有一个文件头，这个文件头音频流的编码参数。数据块的记录方式是 little-endian字节顺序，标志符并不是字符串而是单独的符号。WAV
27、文件通过三个参数来表示声音：采样频率、样本大小以及声道数。采样频率一般有 11khz，22khz 和 44khz。样本大小一般有 8bit，16bit 和 24bit。声道有单6声道和双声道（立体声） 。wav数据的 bit位置可以分成以下几种形式：对于 8位单声道，每个样本数据由 8位（bit）表示；对于 8位立体声，每个声道的数据由一个 8位（bit）数据表示，且第一个 8位（bit）数据表示 0声道（左）数据，紧随其后的 8位（bit）数据表示 1声道（右）数据；对于 16位单声道，每个样本数据由 16位（bit）表示；其中低字节存放高位，高字节存放低位对于 16位立体声，每个声道的数据
28、由一个 16位（bit）数据表示，且第一个 16位（bit） 7数据表示 0声道（左）数据，紧随其后的 16位（bit）数据表示 1声道（右）数据。表 1说明了几种 bit数据在 wav中存放的形式。表 1样本1（1Byte）样本2（1Byte）样本3（1Byte）样本4（1Byte）8位立体声0声道 1声道 0声道 1声道8位单声道0声道 0声道 0声道 0声道样本 1（2Byte） 样本 2（2Byte）16位立体声 0声道低字节 0声道高字节 1声道低字节 1声道高字节16位单声道 0声道低字节 0声道高字节 0声道低字节 0声道高字节0声道代表左声道，1 声道代表右声道；3 系统总体设
29、计系统的总体设计就是一个系统的框架，这个框架必须能够完整的设计出需要完成的功能，同时要有合理的逻辑和可完成性。本章介绍的就是在 android上的信号发生器的系统总体设计，首先介绍了环境的搭建和开发工具，然后介绍了关于Android系统的内容，最后给出了本设计的总体设计图。3.1 开发工具和环境搭建本次课题的名称是基于 Android的信号发生器设计。所以对 Android系统的了解必不可少。Android 是一种基于 Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由 Google公司和开放手机联盟领导及开发。尚未有统一中文名称，中国大陆地区较多人使用“安卓”或“安致” 。Android 操作
