实验八 音频频谱分析仪设计与实现Word格式文档下载.docx
《实验八 音频频谱分析仪设计与实现Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验八 音频频谱分析仪设计与实现Word格式文档下载.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
5、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，除但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。
（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）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。
（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，argY（f）为纵坐标，可以得到相位谱；
以频率f为横坐标，ReY（f）为纵坐标，可以得到实频谱；
以频率f为横坐标，ImY（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]
6、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，可以完成制定的功能，满足用户需求。
2、实验内容
设计一个音频频谱分析仪，功能包括：
（1）音频信号输入，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、时频谱、虚频谱和功率谱的曲线。
三、实验结果
（1）根据实验提示，设计如下界面
（2）通过声卡输入，分析声音频谱程序和界面如下
开始录音callback函数
functionluyin_pushbutton_Callback（hObject,eventdata,handles）
%hObjecthandletoluyin_pushbutton（seeGCBO）
%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB
%handlesstructurewithhandlesanduserdata（seeGUIDATA）
handles.inputtype=1;
%用于点选控制
Fs=str2double（get（findobj（'
Tag'
'
samplerate'
）,'
string'
））;
handles.y=wavrecord（str2double（get（handles.recordtime,'
））*Fs,Fs）;
guidata（hObject,handles）;
axes（handles.signal_axes）
plot（handles.y）;
title（'
WAVE'
）;
ysize=size（handles.y）;
set（handles.samplenum,'
num2str（ysize
（1）））;
%输出采样点数
（3）通过加载wav输入信号，分析声音频谱程序和界面如下
打开文件callback函数
functionopenfile_pushbutton_Callback（hObject,eventdata,handles）
%hObjecthandletoopenfile_pushbutton（seeGCBO）
temp=wavread（get（findobj（'
filename'
String'
channel=str2double（get（handles.channel,'
handles.y=temp（:
channel）;
（4）通过信号发生器生成正弦波和白噪声混叠波形如下
（5）通过信号发生器生成方波和白噪声混叠波形如下
（6）通过信号发生器生成三角波和白噪声混叠波形如下
（7）通过信号发生器生成锯齿波和白噪声混叠波形如下
（4）~（7）中重要callback函数
生成波形callback函数
functionshengchengboxing_Callback（hObject,eventdata,handles）
%hObjecthandletoshengchengboxing（seeGCBO）
N=str2double（get（findobj（'
samplenum'
x=linspace（0,N/Fs,N）;
soundtype=get（handles.waveform,'
Value'
frequency=str2double（get（handles.pinlvF,'
amp=str2double（get（handles.fuzhiA,'
phase=str2double（get（handles.xiangweiQ,'
switchsoundtype%波形选择
case1
y=amp*sin（2*pi*x*frequency+phase）;
case2
y=amp*sign（sin（2*pi*x*frequency+phase））;
case3
y=amp*sawtooth（2*pi*x*frequency+phase,0.5）;
case4
y=amp*sawtooth（2*pi*x*frequency+phase）;
case5
y=amp*（2*rand（size（x））-1）;
otherwise
errordlg（'
Illegalwavetype'
Chooseerrer'
end
ifget（handles.add,'
）==0.0
handles.y=y;
else
handles.y=handles.y+y;
%波形混叠
handles.inputtype=3;
set（handles.signal_axes,'
XMinorTick'
on'
）
时域分析callback函数
functionfrequencydomain_pushbutton_Callback（hObject,eventdata,handles）
%hObjecthandletofrequencydomain_pushbutton（seeGCBO）
ifhandles.inputtype==0
msgbox（'
Nowaveexist!
Pleasechooseainputtype!
'
return;
from=str2double（get（handles.startpoint,'
to=str2double（get（handles.endpoint,'
sample=handles.y（from:
to）;
f=linspace（0,Fs/2,（to-from+1）/2）;
Y=fft（sample,to-from+1）;
[C,I]=max（abs（Y））;
set（handles.period_of_F_output,'
1/f（I））;
set（handles.frequency_of_F_output,'
f（I））;
Y=Y（1:
（to-from+1）/2）;
plot（handles.frequency_axes,f,2*sqrt（Y.*conj（Y）））;
plot（handles.phase_axes,f,angle（Y））;
plot（handles.real_axes,f,real（Y））;
plot（handles.imagin_axes,f,imag（Y））;
plot（handles.power_axes,f,abs（Y）.^2）;
%---Executesonbuttonpressintimedomain_pushbutton.
functiontimedomain_pushbutton_Callback（hObject,eventdata,handles）
%hObjecthandletotimedomain_pushbutton（seeGCBO）
%guolingjiance
n=1;
ymax=max（[handles.y
（1）handles.y
（2）]）;
ymin=min（[handles.y
（1）handles.y
（2）]）;
iffrom<
1||to-from<
5;
Errorrange!
fori=from+2:
to-1;
ifhandles.y（i-1）<
0&
&
handles.y（i-2）<
handles.y（i）>
=0&
handles.y（i+1）>
ifhandles.y（i）==0
ti（n）=i;
else
ti（n）=i-handles.y（i）/（handles.y（i）-handles.y（i-1））;
%x1=i-1;
%y1=handles.y（i-1）;
%x2=i;
%y2=handles.y（i）;
%a=handles.y（i）-handles.y（i-1）;
%b=a*x1-y1;
%ti（n）=b/a;
end
amp（n）=（ymax-ymin）/2;
ymax=0;
ymin=0;
n=n+1;
ifymax<
handles.y（i）
ymax=handles.y（i）;
ifymin>
ymin=handles.y（i）;
n=n-1;
%freqenceandperiodicity
fori=1:
n-1
T（i）=ti（i+1）-ti（i）;
freq=Fs/mean（T）;
set（handles.period_output,'
1/freq）;
set（handles.frequency_output,'
num2str（freq））;
%amplitude
set（handles.A_output,'
num2str（mean（amp（2:
n-1））））;
%phase
phase=2*pi*（1-（ti（1:
n-1）-1）./T+floor（（ti（1:
n-1）-1）./T））;
set（handles.xiangweQ_output,'
num2str（mean（phase）））;
%peak
set（handles.peakvalue_output,'
（max（handles.y（from:
to））-min（handles.y（from:
to）））/2）;
%mean
set（handles.averagevalue_output,'
mean（handles.y（from:
to）））;
%meansquare
set（handles.squarevalue_output,'
to）.^2））;
%s
set（handles.fanfcha_output,'
std（handles.y（from:
to））^2）;
频域分析callback函数
主函数的openingFcn函数
functionuntitled_OpeningFcn（hObject,eventdata,handles,varargin）
%Thisfunctionhasnooutputargs,seeOutputFcn.
%hObjecthandletofigure
%varargincommandlineargumentstountitled（seeVARARGIN）
handles.inputtype=0;
%
xlabel（handles.frequency_axes,'
freqency（Hz）'
%横坐标显示
xlabel（handles.phase_axes,'
xlabel（handles.real_axes,'
xlabel（handles.imagin_axes,'
xlabel（handles.power_axes,'
%Choosedefaultcommandlineoutputforuntitled
handles.output=hObject;
%Updatehandlesstructure
guidata（hObject,handles）;
%UIWAITmakesuntitledwaitforuserresponse（seeUI
升级会员 