matlab频谱分析仪

频谱分析仪

摘要频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，是一种多用途的电子测量仪器。随着软硬件技术的发展，仪器的智能化与虚拟化已成为未来实验室及研究机构的发展方向。虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。本文介绍了一种使用GUI工具箱用matlab实现的简易虚拟频谱分析仪的设计方法。

关键词matlab，频谱分析仪，时域分析，频域分析

目录

1概述 (3)

2技术路线 (4)

3实现方法 (5)

3.1搭建GUI界面 (5)

3.2信号输入 (6)

3.2.1选择信号输入 (6)

3.2.2声卡输入 (7)

3.2.3读取wav文件 (7)

3.2.4信号发生器输入 (7)

3.3时域分析 (8)

3.4频域分析 (9)

3.5仿真 (10)

3.5.1声卡输入 (10)

3.5.2读取wav文件 (10)

3.5.3信号发生器 (11)

4存在的问题 (15)

5致谢...................................................................................................... 错误！未定义书签。参考文献 (15)

1概述

MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件。可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。图形用户界面(Graphical User Interface，简称GUI，又称图形用户接口)是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。MATLAB自带了强大的GUl工具[1]。在本文中，将利用MATLAB的GUI工具，设计出数字频谱分析仪。

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫兹以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号[2]。目前已经有许多较成熟的频谱分析软件，如SpectraLAB、RSAVu、dBFA等[3]。本文将给出的则是通过MATLAB软件实现的基于FFT的数字频谱分析仪。

FFT（Fast Fourier Transformation），即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。它对傅氏变换的理论并没有新的发现，但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步[4]。

通过此次设计，能进一步掌握MATLAB软件开发过程的基本理论、基本知识和基本技能，熟悉基于MATLAB平台的若干信号处理系统开发及调试方法，且成本低，易于实现，容易修改，并可以进行仿真。该设计的进行可以为我们以后的学习工作奠定一定的基础。

2技术路线

本次设计的频谱分析仪模块划分如图1所示：

图1 频谱分析仪模块划分

3实现方法

3.1搭建GUI界面

此次设计搭建的GUI见面如图2所示：

图2 GUI界面

最上方为标题区，用于显示软件标题等信息。再往下是信号输入区，首先应输入采样频率和采样点。信号有3种输入方式，包括声卡输入，读取WAV文件和信号发生器输入。在信号发生器中加入了信号叠加选项，从而可以将产生的信号与原有的信号进行混迭。只有当某个单选框被选中时才允许使用对应的输入框、按钮等。

输入区右边为分析区，除了对wav文件进行播放外，还可以对信号进行时域分析和频域分析，该软件的核心代码都在这两个按钮的回调函数中。

再下方为分析结果区，用于显示波形基本参数与统计量的计算结果，

Axes1为波形显示区，在录音结束、打开WAV文件成功或者信号发生器生成波形时会更新显示。Axes2为频谱图显示区，用于显示各种频谱的谱线，在点击频域分析后会更新显示。点击频谱类型可以显示不同的频谱图。本次设计提供了幅频特性分析和相频特性分析。

3.2信号输入

3.2.1选择信号输入

开始使用频谱分析仪时，除了需要设定采样频率和采样点数外，还需要选择信号输入方式，本次设计提供三种输入，分别是：声卡录音，读取wav文件和信号发生器。其代码如下（仅以选择声卡输入为例）：

function record_Callback(hObject, eventdata, handles)

set(handles.record,'value',1);

set(handles.wavfile,'value',0);

set(handles.wave,'value',0);

h=findobj('Tag','recordtime');

set(h,'enable','on');

h=findobj('Tag','startrecord');

set(h,'enable','on');

h=findobj('Tag','wavname');

set(h,'enable','off');

h=findobj('Tag','openfile');

set(h,'enable','off');

h=findobj('Tag','inwave');

set(h,'enable','off');

h=findobj('Tag','inamp');

set(h,'enable','off');

h=findobj('Tag','infre');

set(h,'enable','off');

h=findobj('Tag','inpha');

set(h,'enable','off');

h=findobj('Tag','mix');

set(h,'enable','off');

h=findobj('Tag','wavemake');

set(h,'enable','off');

当选择了一种输入方式之后，另外两种输入方式将不能使用。

3.2.2声卡输入

这里声卡输入是指由麦克风录音得到的声音信号的输入，MATLAB提供了wavrecord函数，该函数能够实现读取麦克风录音信号。

声卡输入的主要代码如下所示[5]：

function startrecord_Callback(hObject, eventdata, handles)

Fs=str2double(get(handles.samplefre,'String'));

N=str2double(get(handles.recordtime,'String'))*Fs;

handles.y=wavrecord(N, Fs,'double');

handles.inputtype=1;

guidata(hObject,handles);

plot(handles.axes1,handles.y);

ysize=size(handles.y);

set(handles.samplenum,'String',num2str(ysize(1)));

3.2.3读取wav文件

MATLAB提供了wavread函数，该函数能够方便的打开并读取WAV文件中的声音信息。其代码如下：

function openfile_Callback(hObject, eventdata, handles)

[filename,filepath]=uigetfile('*.wav','wavfile');

set(handles.wavname,'string',filename);

[handles.y,Fs,bit]=wavread(filename);

handles.inputtype=2;

guidata(hObject,handles);

plot(handles.axes1,(1:length(handles.y))/Fs,handles.y);

ysize=size(handles.y);

set(handles.samplenum,'String',num2str(ysize(1)));

set(handles.samplefre,'string',Fs);

3.2.4信号发生器输入

MATLAB可以产生标准信号，如sin能够产生正弦波，首先利用get函数获得波形，频率f，幅值a和相位p，然后判断是否有信号叠加，若无叠加，则直接生成信号波形，如有叠加，则进行信号混叠。

function wavemake_Callback(hObject, eventdata, handles)

Fs=str2double(get(handles.samplefre,'String'));

N=str2double(get(handles.samplenum,'String'));

x=linspace(0,N/Fs,N);

t=get(handles.inwave,'Value');

f=str2double(get(handles.infre,'String'));

a=str2double(get(handles.inamp,'String'));

p=str2double(get(handles.inpha,'String'));

switch t

case 1

y=a*sin(2*pi*x*f+p);

case 2

y=a*sign(sin(2*pi*x*f+p));

case 3

y=a*sawtooth(2*pi*x*f+p,0.5);

case 4

y=a*sawtooth(2*pi*x*f+p);

case 5

y=a*(2*rand(size(x))-1);

end

if get(handles.mix,'Value')==0.0

handles.y=y;

else

handles.y=handles.y+y;

end

handles.inputtype=3;

guidata(hObject,handles);

plot(handles.axes1,handles.y);

xlim([0 200]);

3.3时域分析

时域分析直接在时间域内对系统动态过程进行研究的方法。根据输出量的时域表达式，可以分析系统的稳定性、瞬态和稳态性能。该设计中，时域分析包括峰峰值、均值、均方值、方差的计算。MATLAB提供了mean，std等函数，能够方便地计算均值、方差。主要设计代码如下：

function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles)

Fs=str2double(get(handles.samplefre,'String'));

N=str2double(get(handles.samplenum,'String'));

set(handles.VPP,'String',(max(handles.y)-min(handles.y)));

set(handles.ave,'String',mean(handles.y));

set(handles.RMS,'String',mean(handles.y.^2));

set(handles.var,'String',std(handles.y)^2);

3.4频域分析

频域分析包括幅值谱、相位谱等的计算，结果以图形显示出来。频域分析需要作Fourier变换，MATLAB提供了fft函数，能够方便地实现快速Fourier变换算法。本次设计中，除了能从图形看出频率，幅值等信息，也可以用坐标捕获来获取坐标值。主要代码如下：

%频域分析代码[6]：

function pushbutton4_Callback(hObject, eventdata, handles)

Fs=str2double(get(handles.samplefre,'String'));

N=str2double(get(handles.samplenum,'String'));

sample=handles.y;

f=linspace(0,Fs/2,N/2);

P=2*fft(sample,N)/N;

Pyy=sqrt(P.* conj(P));

a=get(handles.popupmenu1,'Value');

switch a

case 1

plot(handles.axes2,f,Pyy(1:N/2));

case 2

plot(handles.axes2,f,angle(P(1:N/2)));

case 3

plot(handles.axes2,f,real(P(1:N/2)));

case 4

plot(handles.axes2,f,imag(P(1:N/2)));

case 5

plot(handles.axes2,f,abs(P(1:N/2)).^2);

end

%坐标捕获代码：

function pushbutton5_Callback(hObject, eventdata, handles)

[xaxis,yaxis]=ginput(1);

set(handles.amp,'string',xaxis);

set(handles.phase,'string',yaxis);

3.5仿真

3.5.1声卡输入

选择录音，设定录音时间，点击开始录音按钮进行录音，录音完成后将在图形区axes1内显示波形，对其进行频谱分析，结果如图3所示：

图3 声卡输入

3.5.2读取wav文件

选择wav文件，对其进行频域分析（仅以幅频特性为例），结果如图4所示：

图4 wav文件幅频特性

3.5.3信号发生器

设置波形，幅值，频率，相位等信息，生成波形，并对其进行时域分析和频域分析，通过坐标获取获得峰值坐标。

对幅值为13，频率500，相位10的正弦波进行幅频特性分析结果如图5所

示：

图5 正弦信号幅频特性

将幅值23，频率330，相位10的正弦波和幅值15，频率500，相位30的方波进行叠

加，相频特性如图6所示：

图6 叠加信号相频特性

对幅值为24，频率400，相位0的正弦信号频谱分析，结果如图7所示：

图7 正弦信号相频特性

其他特性分析结果如图8—10所示：

图8 三角波实频特性

图9 锯齿波虚频特性

图10 白噪声功率谱

4存在的问题

本次设计虽然基本实现了频谱分析仪的要求，但是还是存在一些不足。比如未实现加窗功能，坐标捕获所得的峰值坐标不够精确等。对于加窗，我进行了尝试，但是因为知识所限，时间较短，最后以失败告终。在后面的学习中，有机会将进行研究。

参考文献

[1]. 张志涌等．精通MATLAB [M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．

[2]. https://www.360docs.net/doc/0011953337.html,/view/421901.htm

[3]. 基于MATLAB的声音信号频谱分析仪设计.

https://www.360docs.net/doc/0011953337.html,/view/96c1b81da300a6c30c229fae.html

[4]. https://www.360docs.net/doc/0011953337.html,/view/7562.htm#3

[5] 李亚微, 郭敏. 基于Matlab的音频数据采集系统. 语音技术，2007.03.

[6]. 胡成西. 基于MATLAB的信号分析仪器仿真. 青海师范大学学报, 2005.1.