频谱分析

标题：基于MATLAB的声音信号频谱分析仪设计

2009-05-17 13:49:14

基于MATLAB的声音信号频谱分析仪设计

1．概述

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[1]。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。基于计算机软硬件平台的虚拟仪器可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等[2]。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器，由于计算机性能的飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来连锅端的技术更新速率。目前已经有许多较成熟的频谱分析软件，如S pectraLAB、RSAVu、dBFA等。

声卡是多媒体计算机最基本的配置硬件之一，价格便宜，使用方便。MATLAB是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，他的数据采集工具箱为实现数据的输入和输出提供了十分方便的函数和命令[3]。本文将给出基于声卡与MATLAB的声音信号频谱分析仪的设计原理与实现方法，功能包括：

(1) 音频信号信号输入，从声卡输入、从WAV文件输入、从标准信号发生器输入；

(2) 信号波形分析，包括幅值、频率、周期、相位的估计，以及统计量峰值、均值、均方值和方差的计算；

(3) 信号频谱分析，频率、周期的估计，图形显示幅值谱、相位谱、实频谱、虚频谱和功率谱的曲线。

2．设计原理2.1波形分析原理2.1.1 信号频率、幅值和相位估计

(1)频率(周期)检测

对周期信号来说，可以用时域波形分析来确定信号的周期，也就是计算相邻的两个信号波峰的时间差、或过零点的时间差。这里采用过零点(ti)的时间差T(周期)。频率即为f = 1/T，由于能够求得多个T值(ti有多个)，故采用它们的平均值作为周期的估计值。

(2)幅值检测

在一个周期内，求出信号最大值y max与最小值y min的差的一半，即A = (y max- y min)/2，同样，也会求出多个A值，但第1个A值对应的y max和y min不是在一个周期内搜索得到的，故以除第1个以外的A值的平均作为幅值的估计值。

(3)相位检测

采用过零法，即通过判断与同频零相位信号过零点时刻，计算其时间差，然后换成相应的相位差。φ=2π(1-t i/T)，{x}表示x的小数部分，同样，以φ的平均值作为相位的估计值。

频率、幅值和相位估计的流程如图1所示。

图1频率、幅值和相位估计的流程图

其中ti n表示第n个过零点，y i为第i个采样点的值，Fs为采样频率。

2.1.2 数字信号统计量估计

(1) 峰值P的估计

在样本数据x中找出最大值与最小值，其差值为双峰值，双峰值的一半即为峰值。

P=0.5[max(y i)-min(y i)]

(2)均值估计

式中，N为样本容量，下同。

(3) 均方值估计

(4) 方差估计

2.2频谱分析原理

时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简单波形外，很难明确提示信号的频率组成和各频率分量大小，而频谱分析能很好的解决此问题。由于从频域能获得的主要是频率信息，所以本节主要介绍频率(周期)的估计与频谱图的生成。

2.2.1 DFT与FFT

对于给定的时域信号y，可以通过Fourier变换得到频域信息Y。Y可按下式计算

式中，N为样本容量，Δt = 1/Fs为采样间隔。

采样信号的频谱是一个连续的频谱，不可能计算出所有的点的值，故采用离散Fourier变换(DFT)，即

式中，Δf = Fs/N。但上式的计算效率很低，因为有大量的指数(等价于三角函数)运算，故实际中多采用快速Fourier变换(FFT)。其原理即是将重复的三角函数算计的中间结果保存起来，以减少重复三角函数计算带来的时间浪费。由于三角函数计算的重复量相当大，故FFT能极大地提高运算效率。

2.2.2 频率、周期的估计

对于Y(kΔf)，如果当kΔf = 时，Y(kΔf)取最大值，则为频率的估计值，由于采样间隔的误差，也存在误差，其误差最大为Δf / 2。

周期T=1/f。

从原理上可以看出，如果在标准信号中混有噪声，用上述方法仍能够精确地估计出原标准信号的频率和周期，这个将在下一章做出验证

2.2.3 频谱图

为了直观地表示信号的频率特性，工程上常常将Fourier变换的结果用图形的方式表示，即频谱图。

以频率f为横坐标，|Y(f)|为纵坐标，可以得到幅值谱；

以频率f为横坐标，arg Y(f)为纵坐标，可以得到相位谱；

以频率f为横坐标，Re Y(f)为纵坐标，可以得到实频谱；

以频率f为横坐标，Im Y(f)为纵坐标，可以得到虚频谱。

根据采样定理，只有频率不超过Fs/2的信号才能被正确采集，即Fourier变换的结果中频率大于Fs/2的部分是不正确的部分，故不在频谱图中显示。即横坐标f ∈[0, Fs/2]

2.3. 模块划分

模块化就是把程序划分成独立命名且可独立访问的模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，可以完成指定的功能满足用户需求。根据人类解决一般问题的经验，如果一个问题由两个问题组合而成，那么它的复杂程度大于分别考虑每个问题时的复杂程度之和，也就是说把复杂的问题分解成许多容易解决的小问题，原来的问题也就容易解决了。这就是模块化的根据。