CN115238519A - 一种数字信号处理算法的研发系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种数字信号处理算法的研发系统，涉及信号处理领域。是各种数字信号处理算法及其计算机程序的自动设计、自动测试和源程序代码自动生成系统。所述数字信号处理算法包括IIR、FIR、维纳、自适应、离散小波和小波包分解与重构等数字滤波器，还包括频谱、功率谱、连续小波变换时频分析器等常用模块。本发明由运行在通用计算机上的数字信号处理平台软件和信号采集器及信号源硬件组成。所述软件称为服务终端，硬件称为信号终端。用户信号可通过所述信号终端方便地采集到所述服务终端，以进行各种信号处理实验。本发明可使用户优选数字信号处理方案，自动生成能在用户目标系统中运行的实时信号处理程序，提高用户项目的开发效率。

Description

一种数字信号处理算法的研发系统

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，具体而言，涉及一种数字信号处理算法的研发系统。

背景技术

数字信号处理算法及其程序的设计是信号处理领域的核心内容，各种类型的数字滤波器和数字谱分析器广泛应用于各类工业数据采集系统。由于数字系统的固有优越性，现代信号处理系统已全面向着数字化信号处理方向发展。但因数字信号处理算法原理抽象，数学计算工作量大，设计过程繁琐，设计计算的复杂度高，对程序设计的技术要求高，算法与信号的匹配性强，还要涉及大量的实验和测试，因此通常是物联网系统、通信系统、控制系统及各种数据采集类项目开发的重点和难点。信号处理算法及其程序的性能和质量通常决定整个系统的设计水平，甚至决定其成败。普通的开发者和程序员针对具体的、较复杂的信号处理项目一般较难在短时间内高质量地开发完成。针对信号处理类项目的开发和设计而研发的本系统为用户提供在现有数字信号处理理论体系框架内较全面的各种数字信号处理算法的快速的设计、快速仿真试验、快速源程序代码自动生成功能，以提升用户项目的开发质量和研发效率。

发明内容

本发明提供一套适合普通开发者和程序员使用的针对信号处理类工程项目的辅助设计方法，以降低信号处理类工程项目的开发难度，提升用户项目的开发效率和质量。本发明也可为信号处理类课程的学习者提供一个比较理想的信号处理实验环境。本发明对各种常用的经典和现代数字信号处理算法进行了系统的软件设计，并对各种数字信号处理软件模块进行了组织、优化和封装。应用本发明提出的方法可方便地对用户采集的各类信号进行数字信号处理实验，通过对各种数字信号处理方法进行设置和编辑，可使用户针对信号的特点和要得到的处理结果优选信号处理方案，并根据设置的数字信号处理流程和参数自动生成性能优良的实时数字信号处理源程序代码，这些代码可嵌入到用户的软件项目中编译后直接实现相应的数字信号处理功能。

为了解决各种信号处理技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种数字信号处理算法的研发系统，所述数字信号处理算法包括IIR数字滤波器、FIR数字滤波器、维纳数字滤波器、自适应数字滤波器、离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组、频谱分析器、功率谱密度分析器、连续小波变换时频分析器、波形间互相关运算器中的任意一种或多种数字信号处理算法的软件实现模块；所述研发系统包括数字信号处理平台软件和信号采集器及信号源硬件；所述数字信号处理平台软件作为本系统的服务终端，运行于通用计算机；所述信号采集器及信号源硬件作为本系统的信号终端，是一种独立的电子仪器；所述研发系统处理的信号是通过所述信号终端采集并转换后的数字信号，再传输到所述服务终端；所述服务终端针对所述数字信号在用户的设置下进行各种可视化的数字信号处理实验；其中所述数字信号通过各种参数可设置的所述数字信号处理算法进行处理，使用户能够针对所处理的信号及要求的结果优选数字信号处理方案，并由本系统自动生成能在用户目标系统中实时运行的数字信号处理源程序代码。

本系统是数字信号处理算法及数字信号处理计算机程序的自动设计、自动评估、自动测试和源程序代码自动生成系统。其数字信号处理算法包括IIR数字滤波器、FIR数字滤波器、维纳数字滤波器、自适应数字滤波器、离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组、频谱分析器、功率谱密度分析器、连续小波变换时频分析器、波形间线性运算器、波形间互相关运算器、波形峰谷值检测及频率测量器等常用数字信号处理算法。所述系统由运行于通用计算机上的数字信号处理平台软件和独立的信号采集器及信号源硬件组成。所述数字信号处理平台软件称为服务终端，所述信号采集器及信号源硬件称为信号终端。用户信号可通过所述信号终端采集并转换为数字信号，再传输到所述服务终端。本数字信号处理算法的研发系统可针对各种数字信号进行数字信号处理实验，利用所述服务终端针对各种数字信号进行可视化的动态的数字信号处理实验，这些信号通过参数可设置的各种数字信号处理算法进行实时处理，使用户能够对信号处理的质量和运行效率进行衡量，优选数字信号处理方案，自动生成能在用户目标系统中实时运行的数字信号处理源程序，以提高用户数据采集和信号处理类项目的研发效率。

进一步地，所述数字信号处理算法的研发系统中的服务终端，其包括各种数字滤波器的设计软件，这些设计软件包括IIR数字滤波器、FIR数字滤波器、离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组设计软件。其中IIR数字滤波器包括四种类型，分别是巴特沃斯、切比雪夫I型、切比雪夫II型、椭圆数字滤波器。相应地，本系统包含以上四种IIR数字滤波器设计软件。FIR数字滤波器包括三种类型，分别是窗函数法、频率抽样法、切比雪夫最佳一致逼近法数字滤波器。相应地，本系统包含以上三种FIR数字滤波器设计软件。各种类型的IIR和FIR数字滤波器又分别包括低通、高通、带通、带阻滤波器。FIR数字滤波器还包括多通带多阻带、差分、希尔伯特变换滤波器。在各数字滤波器设计软件中都有相应的设计面板与之对应。本系统可实现以上各种数字滤波器的自动设计。在各种IIR和FIR数字滤波器设计软件界面中，用户可输入数字滤波器的设计指标，软件自动运行设计过程，生成作为设计结果的数字滤波器传输函数对应的单位抽样响应系数数组。离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组设计软件是一个独立的设计软件，可进行各种紧支集和非紧支集正交离散小波变换数字滤波器组的设计。在该设计软件界面中，用户可选择小波基，输入设计指标，软件自动运行设计过程，生成作为设计结果的小波分解低通、小波分解高通、小波重构低通、小波重构高通数字滤波器传输函数对应的单位抽样响应系数数组。以上所述设计结果被以上所述的各设计软件自动拷贝到剪贴板，以便于用户粘贴到自己的软件项目中编译后实现相应的数字滤波器功能。

进一步地，所述服务终端包括信号处理仿真实验软件，所述信号处理仿真实验软件具有多通道数字信号的产生模块、多通道多种数字信号处理算法的实现模块、多通道多种数字信号波形参数的测量模块。该软件具备各种数字信号处理算法的性能测试及信号处理效果的评估能力。在数字信号产生方面，所述软件具有可产生各种参数的正弦波、方波、三角波的确定性信号发生器；所述软件具有可产生各种参数的随机信号发生器；所述软件具有可产生各种参数的方波、三角波、指数衰减波的瞬时脉冲信号发生器；所述软件可读取计算机磁盘文件中存储的多通道用户波形数据；所述软件可通过所述信号终端获取用户采集的多通道数字信号的波形数据。本系统的每一通道的数字信号可由以上各种数字信号发生器产生的各种不同参数的波形、磁盘文件中的波形、信号终端实时采集并上传的波形叠加组成。在数字信号处理方面，所述软件具有IIR数字滤波器、FIR数字滤波器、多层离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组、维纳数字滤波器、各种迭代方法的自适应数字滤波器的实现模块；所述软件具有信号通道间互相关运算器模块；所述软件具有基于短时傅里叶变换的频谱分析器、基于各种经典算法和参数模型算法的功率谱密度分析器、基于连续小波变换的时频分析器模块。以上这些数字信号处理算法的实现模块都有各自的参数设置界面供用户设置各种运行参数。其中的IIR数字滤波器、FIR数字滤波器、离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组的参数设置界面包括滤波器单位抽样响应系数编辑框，用户可直接将各种数字滤波器或数字滤波器组设计软件生成的并自动拷贝到剪贴板的数字滤波器单位抽样响应系数数组粘贴到所述滤波器单位抽样响应系数编辑框，由所述信号处理仿真实验软件在线自动编译后，将这些系数代入相应的数字滤波器实现程序模块，直接实现相应的数字滤波器或数字滤波器组的功能。用户可将上述各种类型的数字信号通过上述各种类型的数字信号处理算法进行处理，通过实时扫描的时域波形和按数据段长及位移量实时更新的频域波形(可以是频谱图、功率谱密度图、时频图)直接观察各种算法对信号的实际处理效果。同时，所述信号处理仿真实验软件的数字信号波形参数测量模块可自动对信号波形的各种参数进行实时测量。本系统中的全部数字信号处理算法都是实时运行的，即本系统的数字信号处理过程是逐采样点进行的，信号处理过程中的全部运算都是在采样间隔中完成的，当采样结束，信号处理过程也同时结束。因此为用户系统的实时去噪、实时信号捕获、实时信号特征提取与模式识别、实时多通道联合信号分析等进一步的运算打下基础。

进一步地，所述数字信号处理算法的研发系统，所述服务终端的信号处理仿真实验软件以各种信号处理算法的软件模块为基本单元，可将本系统实现的各种数字信号处理模块的实现程序拷贝到剪贴板，供用户粘贴到自己的软件项目中编译后直接实现相应的数字信号处理功能。

进一步地，所述数字信号处理算法的研发系统，所述服务终端的信号处理仿真实验软件可在信息查阅界面中随时查看所设计的各种数字滤波器的单位抽样响应系数数组和滤波器参数，用户可随时将这些数组和参数拷贝到剪贴板，以便粘贴到自己的工程中快速实现相应的数字滤波器。所述信号处理仿真实验软件可自动生成能在用户目标系统中实时运行的各种数字信号处理模块的多种高级语言源程序代码，并将这些代码自动拷贝到剪贴板。用户可将这些源程序代码直接粘贴到自己的软件项目中编译后实现相应的数字信号处理功能。对于IIR和FIR数字滤波器以及离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组，在自动生成的软件代码中都有相应的标识位置用于嵌入这些数字滤波器的单位抽样响应系数数组和滤波器参数，以便快速实现不同的数字滤波器。本系统生成的各种数字信号处理模块的源程序代码中都有统一的信号数据的输入输出接口函数，以便于本系统生成的各种数字信号处理软件模块的级联。

进一步地，所述数字信号处理算法的研发系统，所述服务终端的信号处理仿真实验软件中的各种数字信号处理模块的运行参数可设置。具体地，各种数字信号处理模块可通过软件开关开启和关闭；每个信号通道的多个IIR和FIR数字滤波器可设置为串联或并联；离散小波或小波包分解与重构的层数、小波或小波包系数的处理方式、小波或小波包系数阈值、小波或小波包变换在信号处理流程中的运行位置可设置；维纳滤波器和各种自适应滤波器的滤波通道和期望响应通道的通道号可设置；维纳滤波器的阶数、平均队列长度、训练(学习)时长、滤波输出方式可设置；自适应滤波器的迭代算法、收敛因子、加权因子等参数可设置；频谱图的快速傅里叶变换点数即段长、显示频率范围、窗函数、位移量可设置；经典法功率谱密度图的算法序号、窗函数、快速傅里叶变换点数、参与运算的数据段数、段长、段交叠长度、位移量可设置；参数模型法功率谱密度图的算法序号、段长、阶数、位移量可设置；时频图的连续小波变换小波基函数、尺度数、最小尺度、尺度递增方式、尺度公差、尺度公比、位移量可设置；信号间互相关运算测量延迟算法的源通道号、目标通道号、快速傅里叶变换点数可设置。所述信号处理仿真实验软件可自动实时测量或手动测量经各种数字信号处理算法处理后的波形的周期、频率、振幅、峰-峰值、均值、方差、标准差、任意两通道任意延迟间隔信号的相关系数、均方误差等参数，以定量评估各种数字信号处理算法的性能。

进一步地，所述数字信号处理算法的研发系统，在所述服务终端的信号处理仿真实验软件中，某通道的一个自适应滤波器总是与该通道的一个维纳滤波器一一对应，即这两个滤波器具有相同的信号通道号、期望响应通道号、阶数以及滤波器的输出方式。在本系统中，一个自适应滤波器在运行前总是先运行与之对应的维纳滤波器。维纳滤波器可以长时间独立运行，但与之对应的自适应滤波器总是在维纳滤波器运行了设定的时长之后开始运行。本系统总是把与某自适应滤波器相对应的维纳滤波器训练后得到的权向量作为该自适应滤波器的初始权向量，以加速自适应滤波器的收敛速度，使自适应滤波器的输出信号与期望响应信号的均方误差快速达到最小。本系统实现的自适应滤波器有两类，一类是基于最小均方误差准则的自适应滤波器，其迭代方法包括最陡下降算法、LMS算法、归一化LMS算法、LMS-牛顿算法等；另一类是基于最小二乘准则的自适应滤波器，其迭代方法包括RLS算法、FTF算法等。本系统实现的功率谱密度分析器包括经典法和参数模型法两大类，其中经典法有周期图法和Welch法，参数模型法有基于AR模型(自回归模型)的自相关法、Burg法、协方差法、修正的协方差法。

进一步地，所述数字信号处理算法的研发系统中的信号终端。其特征在于，所述信号终端是一种由电池供电的独立的电子仪器。所述信号终端用于通过多个表笔测量用户系统的多个电压信号，将所述电压信号放大后转换为多路数字信号，将所述数字信号封装成数据包并通过短程无线通信链路发送到所述服务终端；所述信号终端还用于将所述服务终端下传的载有数字信号的数据包解包，将解出的数字信号经插值后转换为模拟电压信号，将所述模拟电压信号放大后通过所述表笔传输到用户系统。所述信号终端有两种工作模式，分别是信号采集器模式和信号源模式。所述信号终端的组成包括表笔、接插表笔的信号端口、信号采集电路、信号输出电路、带有多路AD转换器和DA转换器的单片机(AD和DA也可以采用独立的器件)、LCD显示屏、短距离无线通信模块、电源模块。其中表笔、信号端口、信号采集电路、信号输出电路含有多路信号通道，可同时处理多路信号，这里的多路信号通道与所述服务终端的多路信号通道一一对应。所述信号终端的工作模式由所述服务终端通过命令控制。所述信号终端无论在信号采集器模式还是在信号源模式下，都可通过LCD显示屏实时显示多通道数字信号的波形。

进一步地，所述数字信号处理算法的研发系统中的信号终端，在所述信号采集器模式下，由所述单片机控制的模拟开关K将接插表笔的信号端口与所述信号采集电路的输入端相连。所述信号采集电路对所述表笔测量到的电压信号进行分压、放大、抗混叠低通滤波，然后接入所述单片机的AD转换引脚。所述单片机通过内置的固件根据设定的采样频率对放大后的电压信号进行AD转换，对AD转换后的数字信号进行增益调整、数据缓冲、构建输入数据队列，将所述数字信号封装成数据包，通过与单片机通过串行接口相连的所述短距离无线通信模块将所述数据包发往所述服务终端。所述服务终端通过接插在计算机USB端口的无线收发器接收所述数据包，将数据包解包，获取所述数字信号，对所述数字信号执行用户设定的实时数字信号处理流程，最后显示波形。

进一步地，所述数字信号处理算法的研发系统中的信号终端，在所述信号源模式下，由所述单片机控制的模拟开关K将接插表笔的信号端口与所述信号输出电路的输出端相连。所述服务终端对用户设置的数字信号执行用户设定的实时数字信号处理流程，将处理后的数字信号封装成数据包，将此数据包通过接插在计算机USB端口的无线收发器实时下传到所述信号终端，同时所述服务终端也实时显示所述数字信号的波形。所述信号终端通过所述短距离无线通信模块接收由所述服务终端实时下传的含有数字信号的数据包。所述单片机通过串行接口读取所述短距离无线通信模块接收到的数据，并通过内置于单片机的固件进行解包，获取所述数字信号，对所述数字信号进行增益调整、数据缓冲、构建输出数据队列、进行插值、再进行DA转换，将DA转换后的模拟电压信号从DA引脚输出，再进行低通滤波，以滤除高频量化噪声。由所述信号输出电路对此电压信号进行放大、分压、提升驱动能力后输出到与表笔相连的信号端口。此电压信号可作为低阻抗信号源用于用户的各种电子设备。

进一步地，所述数字信号处理算法的研发系统，所述信号终端具有电源管理模块。所述电源管理模块可将电池输出的直流电压通过DC-DC转换器变换为向所述信号采集电路和信号输出电路中的集成运算放大器供电的正负电源电压，该电压称为模拟电源电压±AVCC；向所述单片机及其外围电路供电的数字电源电压VCC；向LCD显示屏背光电路供电的背光电源电压VLED；产生AD转换器和DA转换器的基准电压VREF。所述信号终端具有一个开关机按钮，该按钮一端接地，另一端通过上拉电阻连接于所述单片机的一个具有外部中断功能的输入口线上。当所述信号终端关机时，所述单片机及与其相连的外部电路包括LCD显示屏和短距离无线通信模块进入低功耗模式，单片机通过口线控制切断模拟电源和背光电源，从而进一步降低整机功耗。当按动所述开关机按钮开机后，所述单片机通过外部中断被唤醒，执行初始化程序，使外围电路进入工作状态，通过口线控制恢复模拟电源和背光电源。

相对于现有技术，本发明至少具有如下优点或效益：第一方面，本发明提供一种数据采集系统的信号处理算法和程序的研发系统。其包括通过短程无线通信链路相连接的服务终端和信号终端。所述服务终端用于各种数字信号处理算法的自动设计、自动评估、自动测试、自动源程序代码快速生成。所述信号终端可在用户不用详细设计硬件电路的情况下用于采集用户系统的各种信号，并交给所述服务终端进行各种类型的数字信号处理，从而快速评估用户待开发系统的可行性，节省用户的数据采集类工程项目的开发时间。第二方面，本发明的服务终端可通过时域波形和频域波形及各种实时测量参数直接观察各种算法的信号处理效果，便于快速找到信号处理项目的最佳解决方案。本发明的信号终端可通过LCD显示屏直接观察信号的时域波形。本数字信号处理算法的研发系统即可充当低频信号的带有数字信号处理能力的虚拟示波器，又可充当低频信号的带有数字信号处理能力虚拟信号源使用。对于普通的数据采集与处理系统，用户可在本研发系统的辅助下快速完成开发任务。综合第一方面～第二方面：本发明有助于用户各种数据采集系统和各种信号处理类项目的开发。通过用法统一、参数可调、效果可视的各种数字信号处理单元及其组合，可使用户高效地筛选和优化针对具体信号特点的数字信号处理流程，简化用户设计、计算、编程、调试、测试的繁琐过程，提高用户项目的开发效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对技术范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的方案。

图1为本发明实施例1硬件总体配置图；图2为本发明实施例1服务终端软件框图；图3为本发明实施例1服务终端软件数字信号处理内容框图；图4为本发明实施例1服务终端软件用户界面图；图5为本发明实施例2信号终端结构示意图；图6本发明实施例1信号终端电路组成框图；图7为本发明实施例1信号终端电路原理图。

附图标记包括：1-信号终端，2-五个表笔，21-第一地线表笔，22-信号表笔，3-蓝牙收发器，4-计算机，5-五个表笔插口，51-地线表笔插口，52-信号表笔插口，6-开关机按钮，7-显示屏，8-地线接线螺口，9-信号接线螺口，10-地线接线柱，11-信号接线柱。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细的说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。

实施例1

图1～图4、图6～图7是为本申请实施例提供的数字信号处理算法的研发系统的工作流程示意图。

本实施例是一种数字信号处理算法及数字信号处理计算机程序的自动设计、自动评估、自动测试和源程序代码自动生成系统。本系统具有各种IIR数字滤波器、各种FIR数字滤波器、均值数字滤波器、中值数字滤波器、维纳数字滤波器、基于各种迭代算法的自适应数字滤波器、基于多种小波基的离散小波和离散小波包分解与重构数字滤波器组、信号微分器和积分器、信号调制器和解调器、基于短时傅里叶变换的频谱分析器、各种经典算法功率谱密度分析器、各种参数模型算法功率谱密度分析器、基于多种小波基的连续小波变换时频分析器、波形间线性运算器、波形间互相关运算器、基于波峰波谷检测的自动频率测量和特征提取器等常用数字信号处理算法的自动设计、自动测试及其C语言和C++语言源程序代码的自动生成功能。C语言和C++语言是目前绝大多数嵌入式软件和各类计算机4实时监控软件开发的通用程序设计语言。通过使用本系统，可对用户采集的各种确定性信号、平稳随机信号、非平稳随机信号及其这些信号的组合信号进行有效的处理。本系统由运行于个人计算机4(PC机)上的数字信号处理平台软件即服务终端和独立的信号采集器及信号源硬件即信号终端1组成。用户信号可通过所述信号终端1采集并转换为数字信号，再通过蓝牙通信链路传输到所述服务终端。本系统的服务终端可对信号终端1采集的数字信号、由服务终端中的数字信号发生器软件模块产生的数字信号、存储在PC机硬盘文件中的数字信号进行各种类型的数字信号处理实验，使用户能够针对特定的数字信号特点和要提取的感兴趣的波形成分优选数字信号处理方案，并自动生成能在用户目标系统(如PC机、嵌入式主板、专用的数据采集电路板上的单片机或DSP芯片等组成的系统)中实时运行的数字信号处理算法的C语言和C++语言源程序代码，这些代码可直接嵌入到用户的软件项目中，编译后直接实现相应的数字信号处理功能，提高用户数据采集和信号处理类项目的研发效率。

所述服务终端包括各种IIR数字滤波器、FIR数字滤波器、离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组设计软件。其中IIR数字滤波器包括四种类型，分别是巴特沃斯、切比雪夫I型、切比雪夫II型、椭圆数字滤波器。相应地，本系统包含以上四种IIR数字滤波器设计软件。FIR数字滤波器包括三种类型，分别是窗函数法、频率抽样法、切比雪夫最佳一致逼近法数字滤波器。相应地，本系统包含以上三种FIR数字滤波器设计软件。各种类型的IIR和FIR数字滤波器又分别包括低通、高通、带通、带阻滤波器。FIR数字滤波器还包括多通带多阻带、差分、希尔伯特变换滤波器。在本系统的各数字滤波器设计软件中都有与这些滤波器对应设计面板。本系统可实现以上各种数字滤波器的自动设计。以上各种数字滤波器的设计软件都是基于对话框的既可独立运行也可由服务终端的信号处理仿真实验软件调用的软件模块。在各种IIR和FIR数字滤波器设计软件界面中，用户可在各设计软件的参数设置对话框中输入数字滤波器的设计指标，如IIR数字滤波器的采样频率、通带或(和)阻带起始频率或(/和)截至频率、通带最大衰减量(db)、阻带最小衰减量(db)、阶数圆整方向等设计指标；FIR数字滤波器的采样频率、通带或(和)阻带起始频率或(和)截至频率、阶数等设计指标。在设计对话框中点击“计算差分方程”按钮后软件自动运行设计过程，根据设计指标生成作为设计结果的数字滤波器传输函数对应的单位抽样响应系数数组。在设计对话框中点击“特性曲线”按钮，软件根据已设计数字滤波器的传输函数显示滤波器的幅频特性和相频特性曲线。在设计对话框中点击“<”或“>”按钮可翻看已设计数字滤波器的单位抽样响应系数数组的全部内容。离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组设计软件是一个独立的设计软件，可进行各种紧支集和非紧支集正交离散小波变换数字滤波器组的设计。在该设计对话框界面中，用户可选择小波基、输入计算非紧支集离散小波滤波器组的FFT点数、设计计算精度等设计指标，在对话框中按“计算小波滤波器系数”按钮后软件自动运行设计过程，生成作为设计结果的小波分解低通、小波分解高通、小波重构低通、小波重构高通数字滤波器传输函数对应的单位抽样响应系数数组。以上所述的各种数字滤波器或数字滤波器组设计软件生成的设计结果的格式符合C语言和C++语言的语法，并被设计软件自动拷贝到剪贴板，以便于用户粘贴到自己的工程中编译后实现相应的数字滤波器功能。

所述服务终端包括信号处理仿真实验软件，用于进行数字信号处理算法的测试和实验以及数字信号处理算法对应的源程序代码的自动生成。该软件采用窗口形式的界面，窗口中设有标题栏、菜单栏、工具栏、状态栏、工作区。该软件有启动工作按钮、停止工作按钮、暂停按钮。相应地，本软件有工作、停止、暂停三种状态。在工作状态下，工作区中以扫描方式显示四通道实时运行的时域波形，工作区的右侧是四个与时域波形对应的频域波形图，这些频域波形图可以是按用户设置的信号数据段长度和位移量实时更新的频谱图、功率谱密度图或时频图。其中频谱图和功率谱密度图的横坐标是频率，频谱图的纵坐标是信号各频率成分的归一化振幅，功率谱密度图的纵坐标是信号各频率成分的归一化功率。时频图的横坐标是时间，纵坐标是频率或尺度，显示区是信号随时间变化的各尺度小波系数模的分布灰度图，小波系数模的大小用不同的灰度表示。工作区的下方是用户选择的(可多选)针对时域波形的各种实时测量参数。所述信号处理仿真实验软件具有四通道数字信号的产生模块、四通道数字信号处理算法的实现模块、四通道数字信号波形的测量模块。该软件具备各种数字信号处理算法的性能测试及信号处理效果的评估能力。在数字信号产生方面，所述软件具有可产生各种参数(如振幅、频率、初相位、占空比、上升和下降时间等)的正弦波、方波、三角波的确定性信号发生器；所述软件具有可产生各种参数(如分布函数类型、均值、标准差等)的随机信号发生器；所述软件具有可产生各种参数(如幅度、宽度、上升时间、下降时间等)的方波、三角波、指数衰减波的瞬时脉冲发生器；所述软件可读取PC机磁盘文件中存储的四通道用户波形数据；所述软件可通过所述信号终端1接收用户实时采集的四通道数字信号的波形数据。本系统的每一通道的数字信号可由以上各种数字信号发生器产生的各种不同类型和不同参数的波形、磁盘文件中存储的波形、信号终端1实时上传的波形叠加而成。本系统的正弦波信号发生器和方波信号发生器具有扫频和扫幅功能，即这两种信号的频率和振幅都能在一定范围内按设置的增量或减量连续变化，以便于直接观察各种数字滤波器的频率特性。在数字信号处理方面，所述软件具有IIR数字滤波器、FIR数字滤波器、均值数字滤波器、中值数字滤波器、多层离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组、维纳数字滤波器、各种迭代方法的自适应数字滤波器的实现模块；所述软件具有数字信号微分器和积分器模块；所述软件具有数字信号的振幅、频率、相位调制器和解调器模块；所述软件具有信号延迟器模块；所述软件具有信号增益放大器模块；所述软件具有信号通道间线性运算器模块；所述软件具有基于快速傅里叶变换的信号通道间互相关运算器模块(用于测量任意两个通道信号的延迟时间)；所述软件具有基于波峰波谷检测的频率测量和特征提取器(这里的特征提取指信号峰谷值和拐点位置的测量、标注和记录)模块；所述软件具有基于短时傅里叶变换的频谱分析器、基于各种经典算法和参数模型算法的功率谱密度分析器、基于连续小波变换的时频分析器模块。以上这些数字信号处理算法的实现模块都有各自的参数设置对话框供用户设置各种运行参数。其中的IIR和FIR数字滤波器、离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组的参数设置对话框中包括滤波器单位抽样响应系数编辑框，用户可直接将各种数字滤波器或数字滤波器组设计软件生成的并自动拷贝到剪贴板的数字滤波器单位抽样响应系数数组粘贴到所述滤波器单位抽样响应系数编辑框中，由所述信号处理仿真实验软件在线自动编译后，将这些系数代入相应的数字滤波器实现程序模块，直接实现相应的数字滤波器功能。用户可将以上所述各种类型的数字信号通过以上所述各种类型的数字信号处理算法进行实时处理，通过实时扫描的时域波形图和按数据段长及位移量实时更新的频域波形图(包括频谱图、功率谱密度图、时频图)直接观察各种数字信号处理算法的实际运行效果。在数字信号测量方面，所述软件可通过测量设置对话框设置测量方案，可自动实时测量经各种数字信号处理算法处理后的各通道信号波形的周期、频率、振幅、峰-峰值、均值、方差、标准差、任意两通道任意延迟间隔信号的相关系数、均方误差等参数，以定量评估各种数字信号处理算法的性能。本系统中的全部数字信号处理算法都是实时运行的，即本系统的数字信号处理过程是逐采样点进行的，信号处理过程的全部运算都是在每个采样间隔中完成，当采样结束，信号处理过程也同时结束。在暂停状态下，所述信号处理仿真实验软件的各通道时域波形停止扫描，时域和频域波形处于静止状态，用户可详细观察当前波形的形态和各种冻结的实时测量参数，并可使用本软件提供的手动测量工具对时域波形进行手动测量，如测量各通道各波形成分的幅度、频率、间期等参数。在停止状态下，所述信号处理仿真实验软件的各通道波形的信号发生器和信号处理算法进入初始化状态，各通道时域波形和频域波形处于停止状态。

所述服务终端的信号处理仿真实验软件可在软件界面中通过对话框随时查看所设计的各种数字滤波器的单位抽样响应系数数组和各种滤波器的设置参数，用户可随时将这些所述的数组和参数拷贝到剪贴板，以便粘贴到自己的工程中快速实现对应的数字滤波器。所述信号处理仿真实验软件可自动生成能在用户目标系统中实时运行的以上所述各种数字信号处理模块的C语言和C++语言源程序代码，并将这些代码自动拷贝到剪贴板。用户可将这些源程序代码直接粘贴到自己的软件项目中编译后实现相应的数字信号处理功能。对于IIR和FIR数字滤波器以及离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组，在自动生成的软件代码中都有明确标识的位置用于嵌入这些数字滤波器的单位抽样响应系数数组和各种运行参数，以便快速实现不同类型的数字滤波器。对于其它数字信号处理软件模块，也有相应的明确标识的位置用于嵌入各种参数的设置语句。这些参数可以是维纳滤波器的阶数、平均队列长度、训练时长；自适应滤波器的迭代方法序号、收敛因子；多个IIR或FIR数字滤波器的级联方式如串联或并联、单位抽样响应系数数组的对称性等；经典法功率谱密度图的算法序号、窗函数序号、快速傅里叶变换点数等；参数模型法功率谱密度图的算法序号、阶数等。这些参数都可根据相应的算法模块参数设置对话框中填入的用户真实设置来填写，以便达到用户在信号处理仿真实验软件中的实际运行效果。本系统生成的各种数字信号处理模块的源程序代码中都有统一的信号数据输入输出接口函数，以便于本系统生成的各种数字信号处理软件模块的级联。

所述服务终端的信号处理仿真实验软件中的各种数字信号处理模块的运行参数可设置。具体地，各种数字信号处理模块的运行可通过各模块参数设置对话框中的软件开关开启和关闭。各数字信号处理模块具有较多的可设置的参数，可通过各模块的参数设置对话框进行设置，以灵活地适应各种数字信号处理算法在不同场合下的应用。例如，每个信号通道的多个IIR和FIR数字滤波器的级联关系即串联或并联关系可设置；离散小波和小波包分解与重构的层数、小波和小波包系数处理方式及小波和小波包系数阈值、小波和小波包变换在信号处理流程中的运行位置可设置；维纳滤波器和各种自适应滤波器的滤波通道号和期望响应通道号可设置；维纳滤波器的阶数、平均队列长度、训练时长、输出方式可设置；自适应滤波器的迭代算法序号、收敛因子、加权因子等参数可设置；频谱图的快速傅里叶变换点数即段长、显示频率范围、窗函数序号、位移量可设置；经典法功率谱密度图的算法序号、窗函数序号、快速傅里叶变换点数、参与运算的数据段数、段长、段交叠长度、位移量可设置；参数模型法功率谱密度图的算法序号、段长、阶数、位移量可设置；时频图的连续小波变换小波基函数、尺度数、最小尺度、尺度递增方式、尺度公差、尺度公比、位移量可设置；对于Morlet小波，由于其尺度和频率有准确的对应关系，时频图的纵坐标可以设置为尺度或频率，对于其它小波基，时频图的纵坐标只能设置为尺度；信号间互相关运算测量延迟算法的源通道号、目标通道号、快速傅里叶变换点数可设置。所述信号处理仿真实验软件可通过测量对话框设置时域波形的测量方案，可自动实时测量或在暂停状态下手动测量经各种类型的数字滤波器滤波后的时域波形各种参数。所述信号处理仿真实验软件可将用户设置的或实时采集的各种数字信号、信号处理算法执行流程及其各种参数设置以项目的形式保存为磁盘文件，可随时读取，以方便用户在不同时间和不同地点进行信号处理实验。

在所述服务终端的信号处理仿真实验软件中，某信号通道的一个自适应滤波器总是与该通道的一个维纳滤波器一一对应，即这两个数字滤波器总是具有相同的信号通道号、期望响应通道号、阶数、滤波器的输出方式。本系统总是把与某自适应滤波器相对应的维纳滤波器训练后得到的权向量作为该自适应滤波器的初始权向量(权向量指滤波器的单位抽样响应系数数组，对于维纳滤波器，训练后产生的权向量在运行阶段不再变化，对于自适应滤波器，权向量在运行过程中随输入信号和期望响应信号的变化而动态变化)，以加速自适应滤波器的收敛速度，使自适应滤波器的输出信号与期望响应信号的均方误差快速达到最小。本系统的信号处理实验证明，以这种方式运行的各种自适应滤波器无论用于系统模拟、系统逆模拟、系统辨识、IIR滤波器综合、干扰对消、有用信号预测、谱线增强等方面都能快速达到最优。本系统实现的自适应滤波器有两大类，一类是基于最小均方误差准则的自适应滤波器，其迭代方法包括最陡下降算法、LMS算法、归一化LMS算法、LMS-牛顿算法等；另一类是基于最小二乘准则的自适应滤波器，其迭代方法包括RLS算法、FTF算法等。本系统实现的功率谱密度分析器包括经典法和参数模型法两大类，其中经典法有周期图法、Welch法(在Welch法中，通过特定的参数设置可实现Bartlett法)，参数模型法有基于AR模型(自回归模型)的自相关法、Burg法、协方差法、修正的协方差法。本系统还提供了两种针对白噪声中混入正弦信号波形的基于矩阵特征分解的功率谱密度估计法，包括谐波分解(Pisarenko)法和多信号分类(MUSIC)法。本系统还提供了矩阵运算函数库、复数运算函数库、统计运算函数库、幂函数曲线拟合器等算法模块的C语言和C++语言源程序代码生成功能，以支持用户的软件开发。进一步地，根据实际需要，本系统也可以实现上述各种数字信号处理算法的C#语言、Java语言、MATLAB语言、Python语言等其它常用程序设计语言的源程序代码生成功能。

本实施例的所述信号终端1是一种由可充电锂电池供电的独立的手持式小型化电子仪器。信号终端1用于通过表笔测量用户系统的电压信号，将所述电压信号放大后转换为数字信号，将所述数字信号封装成数据包并通过蓝牙模块发送到所述服务终端；所述信号终端1还用于将所述服务终端通过接插在PC机USB端口的蓝牙收发器3实时下传的载有数字信号的数据包解包，将解出的数字信号经线性插值后转换为模拟电压信号，将所述模拟电压信号放大后通过所述表笔传输到用户系统作为低阻抗电压信号源。所述信号终端1有两种工作模式，分别是信号采集器模式和信号源模式。所述信号终端1的组成包括表笔、接插表笔的信号端口、信号采集电路、信号输出电路、带有多路AD转换器和DA转换器的ARM7内核的单片机、3.5吋640×480RGB点阵TFT-LCD彩色显示屏7、蓝牙通信模块、电源模块。五个表笔2包括第一地线表笔21(黑色)和四路信号通道的信号表笔22(红色)，其中信号表笔22、信号端口、信号采集电路、信号输出电路含有四路信号通道，可同时处理四通道信号，这四路信号通道与所述服务终端的四路信号通道一一对应。所述信号终端1的工作模式、采样频率、信号量程、LCD波形显示缩放比例、LCD波形走速等参数可通过所述服务终端通过蓝牙命令设置。所述信号终端1无论在信号采集器模式还是在信号源模式下，都可通过TFT-LCD显示屏7实时扫描显示四通道数字信号的时域波形。图7中模拟电路部分只画出一个信号通道，其余三个通道与图7所示相同。

所述信号终端1在信号采集器模式下，由所述单片机控制的模拟开关K将接插表笔的信号端口与所述信号采集电路的输入端相连。所述信号采集电路对所述表笔测量到的电压信号进行分压、放大、抗混叠低通滤波，然后接入所述单片机的AD转换引脚。所述单片机通过内置的固件根据设定的采样频率对放大后的电压信号进行AD转换，对AD转换后的数字信号进行倒相、增益调整、数据缓冲、构建输入数据队列，将所述数字信号封装成数据包，通过与单片机通过UART异步串口相连的所述蓝牙模块将所述数据包发往服务终端。服务终端通过接插在PC机USB端口的蓝牙收发器3接收所述数据包，将数据包解包，获取所述数字信号，对所述数字信号执行用户设定的实时数字信号处理流程，最后显示波形。具体地，所述信号终端1的信号采集电路由单片机；模式切换模拟开关K；由电阻R1、R2组成的输入分压器模块；由集成运算放大器A1及电阻R3、R4、R5组成的输入前置级同相电压放大器模块；由集成运算放大器A2及电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11组成的输入驱动级反相电压放大器模块；由电阻R12和电容C1组成的AD转换输入抗混叠低通滤波器模块构成。当所述信号终端1处于信号采集模式时，所述单片机控制模拟开关K将表笔连接到输入分压器模块的输入端，分压输出信号经输入前置级同相电压放大器模块放大后再经带有直流偏置电压调整的输入驱动级反相电压放大器模块放大，同时将以0V为中心的双端电压信号转换为AD转换器要求的以VREF/2为中心的单端电压信号，然后再由输入抗混叠低通滤波器模块滤除高频成分后传送给所述单片机AD转换引脚进行AD转换。

所述信号终端1在信号源模式下，由所述单片机控制的模拟开关K将接插表笔的信号端口与所述信号输出电路的输出端相连。所述服务终端对用户设置的数字信号执行用户设定的实时数字信号处理流程，将处理后的数字信号封装成数据包，将此数据包通过接插在PC机USB端口的蓝牙收发器3实时下传到所述信号终端1，同时所述服务终端也实时显示所述数字信号的波形。所述信号终端1通过所述蓝牙模块接收由所述服务终端实时下传的含有所述数字信号的数据包。所述单片机通过UART异步串口读取所述蓝牙模块接收到的数据，并通过内置于单片机的固件进行解包，获取所述数字信号，对所述数字信号进行倒相、增益调整、数据缓冲、构建输出数据队列、进行线性插值、再进行DA转换，将DA转换后的模拟电压信号从DA引脚输出，再对所述模拟电压信号进行低通滤波，以滤除高频量化噪声。由所述信号输出电路对此电压信号进行放大、分压、经电压跟随器提升驱动能力后输出到与表笔相连的一组信号端口，一组信号端口包括五个表笔2插口，用于连通四路信号通道和一路地线通道。此电压信号可作为低阻抗电压信号源用于用户的各种电子设备。具体地，所述信号终端1的信号输出电路由单片机；模式切换模拟开关K；由电阻R14和电容C2组成的输出去噪低通滤波器模块(5)；由集成运算放大器A3及电阻R15、R16、R17、R18、R19、R20组成的输出前置级反相电压放大器模块(6)；由电阻R21、R22组成的输出分压器模块(7)；由集成运算放大器A4组成的输出驱动级电压跟随器模块(8)构成。当所述信号终端1处于信号源模式时，所述单片机控制模拟开关K将表笔连接到输出驱动级电压跟随器模块(8)的输出端。由单片机的DA转换器输出的模拟电压信号经输出去噪低通滤波器模块(5)消除高频量化噪声后将信号传送给带有直流偏置电压调整的输出前置级反相电压放大器模块(6)进行放大，同时将DA转换器输出的以VREF/2为中心的单端电压信号转换为以0V为中心的双端电压信号，该信号经输出分压器模块(7)分压后再经输出驱动级电压跟随器模块(8)提升驱动能力后经模拟开关K传送到表笔。

所述信号终端1具有电源管理模块。所述电源管理模块可将锂电池输出的直流电压通过DC-DC转换器变换为向所述信号采集电路和信号输出电路中的集成运算放大器供电的正负电源电压，此电压称为模拟电源电压±AVCC；向所述单片机及其外围电路供电的数字电源电压VCC；向TFT-LCD显示屏7背光电路供电的背光电源电压VLED；产生AD转换器和DA转换器所需的基准电压VREF。所述信号终端1具有一个开关机按钮6，该按钮一端接地，另一端通过上拉电阻连接于所述单片机的一个具有外部中断功能的输入口线上。当所述信号终端1关机时，所述单片机及与其相连的外部电路包括TFT-LCD显示屏7和蓝牙模块进入低功耗模式，单片机通过口线控制切断模拟电源和TFT-LCD的背光电源，以进一步降低整机功耗。当按动所述开关机按钮6开机后，所述单片机通过外部中断被唤醒，执行初始化程序，使外围电路进入工作状态，通过口线控制恢复模拟电源和TFT-LCD的背光电源。

实施例2

图5为本申请实施例的信号终端1结构示意图。与实施例1不同的是，该信号终端1包括两组信号端口，每组信号端口包括五个表笔2插口，信号端口及对应的表笔与实施例1相同，具体在各表笔的五个表笔2插口的下面对应设计了5个接线柱螺纹口，包括1个地线接线螺口8和4个信号接线螺口9，用于通过螺纹连接5个接线柱，对应的接线柱也分为1个地线接线柱10和4个信号接线柱11，其中地线接线柱10和地线表笔插口51在信号终端1的内部通过导线连接，信号接线柱11和对应的信号表笔22插口在信号终端1内部通过导线连接。对用户信号的数字信号处理方法包括如下步骤：本系统包括通过蓝牙无线通信链路相连接的信号终端1和服务终端；所述信号终端1设有用于插入表笔和连接接线柱的信号插口和螺纹口以采集或输出电压信号；所述信号终端1设有ARM7系列单片机作为主控制器；所述信号终端1设有蓝牙通信模块用于与所述服务终端通信；所述信号终端1设有TFT_LCD显示屏7用于显示四通道信号波形；所述信号终端1具有信号采集电路和信号输出电路，所述信号采集电路和所述信号输出电路分别连接所述信号表笔22和所述信号接线柱11。所述信号终端1具有三种工作模式，第一种是信号采集模式，其工作过程与实施例1相同。第二种是信号输出模式，其工作过程与实施例1相同。在第一种和第二种模式下，各信号表笔22和与其对应的信号接线柱11在信号终端1内部通过由单片机控制的模拟开关两两对应相连，此时用户既可以使用表笔，也可以使用接线柱通过与接线柱连接的导线来测量自己的电路或向自己的电路输出信号，以方便用户使用。第三种模式是信号处理器模式。本实施例的信号终端1中的单片机内部的固件不同于实施例1。在本实施例中，所述单片机的固件固化了全部本系统已实现的各种数字滤波器算法的实现程序框架。这些数字滤波器包括：IIR数字滤波器、FIR数字滤波器、多层离散小波分解与重构数字滤波器组、多层离散小波包分解与重构数字滤波器组、均值数字滤波器、中值数字滤波器、维纳数字滤波器、各种迭代算法的自适应数字滤波器。此外还包括信号微分器和积分器、信号延迟器、信号增益放大器。在本实施例的所述信号终端1中的单片机固件研发时，这些固化在单片机内部的数字信号处理程序都由所述服务终端的信号处理仿真实验软件自动生成。在这第三种模式下，信号终端1可通过蓝牙通信方式从服务终端获取额外的信息，这些信息包括用户通过本系统服务终端设计的各IIR、FIR、DWT(离散小波变换)数字滤波器或数字滤波器组的单位抽样响应系数数组、各滤波器的连接关系和开关设置、离散小波或离散小波包分解与重构层数、小波或小波包系数的处理模式和系数阈值、均值和中值滤波器的处理点数、维纳滤波器的阶数、输入信号及期望响应信号的通道号、平均队列长度、训练时长、自适应滤波器的算法编号、收敛因子、加权因子等参数。在本模式下，各信号通道的表笔与其对应的信号接线柱11不再通过模拟开关两两相连。具体地，在本模式下，某通道的所述模拟开关K连接到某通道的所述信号采集电路的输入端，即输入分压电阻R1的输入端，某通道的另一个模拟开关K2将该通道的所述信号输出电路的输出端即输出驱动同相电压跟随器A4的输出端连接到该通道的所述信号接线柱11。在本模式中，表笔作为信号的输入端，对应的接线柱作为信号的输出端。信号输入和信号输出同时进行，信号终端1相当于一个可视化的4通道实时数字信号处理器。从信号表笔22测量到的用户信号经模拟开关K连接到信号采集电路进行放大，再将放大后的模拟信号输入到单片机的AD转换输入引脚进行AD转换。同时，单片机对采集到的数字信号进行倒相、增益调整、缓冲后，通过单片机内部的数字信号处理固件程序执行用户设置的实时数字信号处理流程。经信号处理后的数字信号再进行倒相、缓冲、线性插值，再经DA转换后传输到所述信号输出电路进行放大，再将信号经模拟开关K2连接到所述信号接线柱11形成低阻抗电压信号源。这个信号源可提供给用户的后续电路如显示电路、触发电路、捕获电路、驱动电路、执行机构等，以实现用户项目要求的显示、触发、报警、测量、控制等功能。至于信号终端1的采样频率、量程、LCD显示波形的缩放比例、LCD波形走速等其它参数的设置与实施例1相同，在此不再重复描述。在第三种模式下，所述信号终端1的LCD显示屏7实时显示经用户设置的信号处理流程处理后的最终信号波形。同时，信号终端1也将信号处理后的波形数据通过蓝牙模块实时发往服务终端，服务终端也同步显示信号终端1处理后的信号波形。在这种模式下，服务终端不再对接收到的波形进行数字信号处理，服务终端只相当于一个信号波形的监视器，但可根据用户的设置实时显示信号的各种测量参数，实时显示信号的频谱图、功率谱密度图或时频图。利用第三种模式可在用户开发对信号的处理电路之前对信号进行采集和实时处理测试，以帮助用户初步制定信号采集电路的结构和信号处理方案，并可方便地初步评估用户数据采集和信号处理项目的可行性。对于服务终端，在第三种模式下，数字信号处理平台的信号处理仿真实验软件可通过菜单命令并通过蓝牙通信协议向信号终端1下传各IIR、FIR、DWT(离散小波变换)数字滤波器或数字滤波器组的单位抽样响应系数数组，设置各滤波器执行顺序、各滤波器开关、各通道各滤波器的级联关系(串联或并联)、离散小波或离散小波包分解与重构层数、小波或小波包系数处理模式和系数阈值、均值和中值滤波器的处理点数、维纳滤波器的阶数、输入信号及期望响应信号的通道号、平均队列长度、训练时长、自适应滤波器的算法编号、收敛因子、加权因子等参数。至于服务终端的其它功能，本申请实施例与实施例1相同，在此不再重复描述。

在本数字信号处理平台算法集合的框架基础上，可进一步开发运行在用户电路板级的DSP嵌入式多任务实时操作系统，以满足多传感器系统高采样率多通道联合实时信号处理任务的要求。可将本系统实现的各种数字信号处理算法的软件模块封装成API函数供用户直接调用，并根据数字信号处理任务的共同特点在系统级研发高效的DSP处理器调度算法、基于最小采样周期的多任务时间片轮询机制、基于信号处理核心代码段整体优化的LRU算法、基于任务优先级的内存和外设管理算法，使各通道实时数字滤波器的卷积运算主体代码以高命中率和原子态运行于L1缓存，以提升复杂信号处理任务的整体运行效率和实时性。通过该操作系统的支持，使用户信号处理项目的底层程序标准化和规范化，以改进产品性能，提升产品质量，进一步提高用户信号处理类项目的整体研发效率。在本实施例中，这个电路板级的嵌入式操作系统可随服务终端数字信号处理平台软件一起提供给用户，以满足用户各类高复杂度、高度集成化的信号处理项目的开发和测试需求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字信号处理算法的研发系统，其特征在于，所述数字信号处理算法包括IIR数字滤波器、FIR数字滤波器、维纳数字滤波器、自适应数字滤波器、离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组、频谱分析器、功率谱密度分析器、连续小波变换时频分析器、波形间互相关运算器中的任意一种或多种数字信号处理算法的软件实现模块；所述研发系统包括数字信号处理平台软件和信号采集器及信号源硬件；所述数字信号处理平台软件作为本系统的服务终端，运行于通用计算机；所述信号采集器及信号源硬件作为本系统的信号终端，是一种独立的电子仪器；所述研发系统处理的信号是通过所述信号终端采集并转换后的数字信号，再传输到所述服务终端；所述服务终端针对所述数字信号在用户的设置下进行各种可视化的数字信号处理实验；其中所述数字信号通过各种参数可设置的所述数字信号处理算法进行处理，使用户能够针对所处理的信号及要求的结果优选数字信号处理方案，并由本系统自动生成能在用户目标系统中实时运行的数字信号处理源程序代码。

2.根据权利要求1所述的一种数字信号处理算法的研发系统，其特征在于，所述服务终端包含多种数字滤波器和数字滤波器组设计软件；所述数字滤波器设计软件包括IIR数字滤波器设计软件和FIR数字滤波器设计软件；所述数字滤波器组设计软件是指离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组设计软件；其中所述IIR数字滤波器设计软件包括巴特沃斯、切比雪夫I型、切比雪夫II型和椭圆数字滤波器四种类型的数字滤波器设计软件；所述FIR数字滤波器设计软件包括窗函数法、频率抽样法和切比雪夫最佳一致逼近法数字滤波器三种类型的数字滤波器设计软件；所述各种类型的IIR数字滤波器和FIR数字滤波器设计软件用于分别设计低通、高通、带通和带阻数字滤波器；所述FIR数字滤波器设计软件还用于设计多通带多阻带、差分、希尔伯特变换数字滤波器；在各种IIR数字滤波器和FIR数字滤波器设计软件界面中，用户输入数字滤波器的设计指标，供软件自动运行设计过程，生成所设计的数字滤波器传输函数对应的单位抽样响应系数数组作为设计结果；离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组设计软件用于进行多种紧支集和非紧支集正交离散小波变换数字滤波器组的设计；在该设计软件界面中，包括供选择的小波基，用户输入设计指标，供软件自动运行设计过程，生成小波分解低通、小波分解高通、小波重构低通、小波重构高通数字滤波器传输函数对应的单位抽样响应系数数组作为设计结果；以上所述设计结果被以上所述的各设计软件自动拷贝到剪贴板。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种数字信号处理算法的研发系统，其特征在于，所述服务终端包含信号处理仿真实验软件；该软件包含多通道数字信号的产生模块、多通道多种数字信号处理算法的实现模块、多通道数字信号波形参数的自动测量模块；该软件模块具备多种数字信号处理算法的性能测试和信号处理效果的评估能力；所述信号处理仿真实验软件具有用于产生各种参数的正弦波、方波、三角波的确定性信号的数字信号发生器；所述信号处理仿真实验软件具有用于产生多种参数的随机信号发生器；所述信号处理仿真实验软件具有用于产生多种参数的方波、三角波、指数衰减波的瞬时脉冲发生器；所述软件用于读取计算机磁盘文件中存储的多通道用户波形数据；所述软件用于通过所述信号终端获得用户采集的多通道实时数字信号的波形数据；本系统每一通道的数字信号可由所述数字信号发生器产生的多种类型和参数的波形、磁盘文件中存储的波形、所述信号终端实时上传的波形叠加而成；所述信号处理仿真实验软件具有IIR数字滤波器、FIR数字滤波器、多层离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组、维纳数字滤波器、各种迭代方法的自适应数字滤波器的实现程序模块；所述信号处理仿真实验软件具有信号通道间互相关运算器的实现程序模块；所述信号处理仿真实验软件具有基于短时傅里叶变换的频谱分析器、基于各种经典算法和参数模型算法的功率谱密度分析器、基于连续小波变换的时频分析器的实现程序模块；所述各种数字信号处理算法的实现程序模块均设有相应的参数设置界面供用户设置各种信号处理模块的运行参数；其中所述IIR数字滤波器、FIR数字滤波器、离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组的参数设置界面均包括滤波器或滤波器组的单位抽样响应系数编辑框，供用户将各种所述数字滤波器或滤波器组设计软件生成的所述设计结果即单位抽样响应系数数组从剪贴板中粘贴到这些编辑框内，由所述信号处理仿真实验软件在线自动编译后将这些系数代入相应数字滤波器或数字滤波器组的实现程序模块，以直接实现相应的数字滤波器或数字滤波器组的功能；用户将上述各种类型的数字信号通过上述各种类型的所述数字信号处理算法的实现程序模块进行实时处理，通过实时扫描的时域波形和按数据段长及位移量实时更新的频域波形直接观察各种算法的实际运行效果；与此同时，所述信号波形参数的自动测量模块按用户的设置自动实时测量并显示处理后的信号波形的各种参数，以定量评估信号处理的效果。所述信号处理仿真实验软件以各种信号处理算法的软件模块为基本单元，以将本系统实现的各种数字信号处理模块的实现程序拷贝到剪贴板，供用户粘贴到自己的软件项目中编译后直接实现相应的数字信号处理功能。

4.根据权利要求3所述的一种数字信号处理算法的研发系统，其特征在于，对于所述服务终端的信号处理仿真实验软件，用于在软件的信息查阅界面中查看所设计的各种数字滤波器或数字滤波器组的单位抽样响应系数数组和滤波器参数，以供用户将这些数组和参数进行拷贝，以在用户目标系统中快速实现各种不同功能的数字滤波器；供用户将这些拷贝的数字滤波器单位抽样响应系数源程序代码直接粘贴到自己的软件项目中，编译后实现相应的数字滤波器功能；对于IIR和FIR数字滤波器以及离散小波和小波包分解与重构数字滤波器组，在所述信号处理仿真实验软件自动生成的实现软件代码中都有相应的标识位置用于嵌入这些数字滤波器或数字滤波器组的单位抽样响应系数数组和各种滤波器参数，以快速实现不同功能的数字滤波器或数字滤波器组。

5.根据权利要求3所述的一种数字信号处理算法的研发系统，其特征在于，在所述服务终端的信号处理仿真实验软件中，各种数字信号处理软件模块的运行通过软件开关开启和关闭；所述信号处理仿真实验软件用于设置离散小波或小波包分解与重构的层数、小波或小波包系数的处理方式、小波或小波包系数阈值、小波或小波包变换在信号处理流程中的运行位置；用于设置各通道各IIR和FIR数字滤波器的级联方式和在信号处理流程中的运行位置；用于设置维纳滤波器和各种自适应滤波器的滤波通道和期望响应通道的通道号；用于设置维纳滤波器的阶数、平均队列长度、训练时长和信号输出方式；用于设置自适应滤波器的迭代算法、收敛因子、加权因子等参数；用于设置频谱图的快速傅里叶变换点数即段长、显示的频率范围、窗函数和位移量；用于设置经典法功率谱密度图的算法序号、窗函数、快速傅里叶变换点数、参与运算的数据段数、段长、段交叠长度和位移量；用于设置参数模型法功率谱密度图的算法序号、段长、阶数和位移量；用于设置时频图的连续小波变换小波基函数、尺度数、最小尺度、尺度递增方式、尺度公差、尺度公比和位移量；用于设置信号间互相关运算测量延迟算法的源通道号、目标通道号和快速傅里叶变换点数；所述信号处理仿真实验软件的数字信号波形参数自动测量模块用于实时自动测量经各种数字信号处理算法处理后的波形的周期、频率、振幅、峰-峰值、均值、方差、标准差、任意两通道任意延迟间隔信号的相关系数和均方误差等参数，以定量评估各种数字信号处理算法的性能。

6.根据权利要求3所述的一种数字信号处理算法的研发系统，其特征在于，在所述服务终端的信号处理仿真实验软件中，每个通道的一个自适应滤波器总是与该通道的一个维纳滤波器一一对应，也就是一个所述自适应滤波器和一个所述维纳滤波器总是具有相同的信号通道号、期望响应通道号、阶数以及滤波器的输出方式；本系统把与所述自适应滤波器相对应的维纳滤波器训练后得到的权向量作为该自适应滤波器的初始权向量，以加速自适应滤波器的收敛速度，使自适应滤波器的输出信号与期望响应信号的均方误差快速达到最小；在所述信号处理仿真实验软件中，自适应滤波器包括两大类，一类是基于最小均方误差准则的自适应滤波器，另一类是基于最小二乘准则的自适应滤波器；所述功率谱密度分析器包括经典法和参数模型法两大类，其中经典法有周期图法和Welch法，参数模型法有基于AR模型的自相关法、Burg法、协方差法和修正的协方差法。

7.根据权利要求1所述的一种数字信号处理算法的研发系统，其特征在于，所述信号终端是一种由电池供电的独立的电子仪器；所述信号终端用于通过表笔测量用户系统的电压信号，将所述电压信号放大后转换为数字信号，将所述数字信号封装成数据包并通过无线通信链路发送到所述服务终端；所述信号终端还用于将所述服务终端下传的载有数字信号的数据包解包，将解出的数字信号经插值后转换为模拟电压信号，将所述模拟电压信号放大后通过表笔传输到用户系统；所述信号终端有两种工作模式，分别是信号采集器模式和信号源模式；所述信号终端包括表笔、接插表笔的信号端口、信号采集电路、信号输出电路、带有多路AD转换器和DA转换器的单片机(AD和DA也可以采用独立的器件)、LCD显示屏、短距离无线通信模块、电源模块；其中表笔、信号端口、信号采集电路、信号输出电路含有多路信号通道，用于同时处理多路信号，这些信号通道与所述服务终端的多路信号通道一一对应；所述信号终端的工作模式由所述服务终端通过命令控制；所述信号终端在信号采集器模式或信号源模式下，均通过LCD显示屏实时显示多通道数字信号的波形。

8.根据权利要求7所述的一种数字信号处理算法的研发系统，其特征在于，在本系统信号终端的所述信号采集器模式下，由所述单片机控制的模拟开关K将接插表笔的信号端口与所述信号采集电路的输入端相连；所述信号采集电路对所述表笔测量到的电压信号进行分压、放大、抗混叠低通滤波，然后接入所述单片机的AD转换引脚；所述单片机通过内置的固件根据设定的采样频率对放大后的电压信号进行AD转换，对AD转换后的数字信号进行增益调整、数据缓冲、构建输入数据队列，将所述数字信号封装成数据包，通过与单片机通过串行接口相连的所述短距离无线通信模块将所述数据包发往所述服务终端；所述服务终端通过接插在计算机USB端口的无线收发器接收所述数据包，将数据包解包，获取所述数字信号，对所述数字信号执行用户设定的实时数字信号处理流程，最后显示波形。

9.根据权利要求8所述的一种数字信号处理算法的研发系统，其特征在于，在本系统的信号终端的所述信号源模式下，由所述单片机控制的模拟开关K将接插表笔的信号端口与所述信号输出电路的输出端相连；所述服务终端对用户设置的数字信号执行用户设定的实时数字信号处理流程，将处理后的数字信号封装成数据包，将此数据包通过接插在计算机USB端口的无线收发器实时下传到所述信号终端，同时所述服务终端也实时显示所述数字信号的波形；所述信号终端通过所述短距离无线通信模块接收由所述服务终端实时下传的含有数字信号的数据包；所述单片机通过串行接口读取所述短距离无线通信模块接收到的数据，并通过内置于单片机的固件进行解包，获取所述数字信号，对所述数字信号进行增益调整、数据缓冲、构建输出数据队列、进行插值、再进行DA转换，将DA转换后的模拟电压信号从DA引脚输出，再进行低通滤波，以滤除高频量化噪声；由所述信号输出电路对此电压信号进行放大、分压、提升驱动能力后输出到与表笔相连的信号端口；此电压信号作为低阻抗信号源用于用户的各种电子设备。

10.根据权利要求7所述的一种数字信号处理算法的研发系统，其特征在于，本系统的所述信号终端具有电源管理模块；所述电源管理模块可将电池输出的直流电压通过DC-DC转换器变换为向所述信号采集电路和信号输出电路中的集成运算放大器供电的正负电源电压，称为模拟电源电压±AVCC；向所述单片机及其外围电路供电的数字电源电压VCC；向LCD显示屏背光电路供电的背光电源电压VLED；产生AD转换器和DA转换器的基准电压VREF；所述信号终端具有一个开关机按钮，该按钮一端接地，另一端通过上拉电阻连接于所述单片机的一个具有外部中断功能的输入口线上；当所述信号终端关机时，所述单片机及与其相连的外部电路包括LCD显示屏和短距离无线通信模块进入低功耗模式，单片机通过口线控制切断模拟电源和背光电源，从而进一步降低整机功耗；当按动所述开关机按钮开机后，所述单片机通过外部中断被唤醒，执行初始化程序，使外围电路进入工作状态，通过口线控制恢复模拟电源和背光电源。

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