文档介绍：齐齐哈尔大学
综合实践1
题目: 基于MATLAB的声音信号频谱分析仪
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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。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。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SpectraLAB、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。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。
MATLAB软件介绍
MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB已成为国际公认的最优秀的科技
应用软件之一,具有编程简单、数据可视化功能强、可操作性强等特点,而且配有功能强大、专业函数丰富的图像处理工具箱,是进行图像处理方面工作必备的软件工具。
MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称,和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB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。目前数字滤波器的设计有许多现成的高级语言设计程序,但他们都存在设计效率较低,不具有可视图形,不便于修改参数等缺点,而Matlab为数字滤波的研究和应用提供了一个直观、高效、便捷的工具。它以矩阵运算为基础,把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互式的工作环境中。尤其是Matlab工具箱使各个领域的研究人员可以直观而方便地进行科学研究与工程应用。其中的信号处理工具箱、图像处理工具箱、小波工具箱等更是为数字滤波研究的蓬勃发展提供了可能。

利用傅里叶变换的方法对振动的信号进行分解,并按频率顺序展开,使其成为频率的函数,进而在频率域中对信号进行研究和处理的一种过程,称为频谱分析。目的是将信号在时间域中的波形转变为频率域的频谱,进而可以对信号的信息作定量解释。对信号进行频谱分析,是对其进行傅里叶变换,得到其振幅谱与相位谱。分析软件主要为Matlab。
对于信号来说,分模拟信号与数字信号。进行频谱分析时,对于模拟信号来说,首先对其进行抽样,使其离散化,然后利用离散福利叶变换(DFT)或者快速傅立叶变换(FFT),然后对其幅度(ABS)和相位(ANGLE)的图像进行分析,而对于数字信号来说,则可直接进行离散傅里叶变换或快速傅里叶变换。
频谱分析仪是频域测量仪器的代表性产品,它显示输入信号的基波和谐波幅度随频率的变化,测量功能多种样,包括频率、功率、噪声、电场强度等参数,属于最常用的频域仪器。频谱分析仪主要的应用是广播、电视、通信和网络,随着这些应用越来越向更高频率发展,为解决频率资源不足的问题,它的测量范围已从RF频段扩展到微波频段。为了统计的方便,划分频谱分析为3GHz、18GHz和26GHz三个区段,总销售额占全球通用量仪器市场的18%,仅次于示波器市场而居第二位。
当前,移动通信主要使用3GHz以下频段,并向3GHz以上扩展;卫星电视主要使用3GHz频率,亦向5GHz频段扩展;网络通信主要使用1GHz以下频段,开始向10GHz扩展;国防军事通信使用微波频段,光纤通信同样使用微波频段。

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。