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多类型音频信号频谱分析仪设计与实现
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郭瑞晨
摘?要:频谱分析仪作为一种重要的频谱结构分析仪器,已经广泛应用于多个领域,但是现有频谱分析仪的研究存在系统完整性不强、信号类型单一的问题,本文利用MATLABGUI工具和m脚本文件实现多类型音频信号频谱分析仪。首先,概述了频谱分析的时频域分析原理;其次,介绍了本文所提系统的基本功能与界面实现;最后,以声卡、wav文件以及信号源作为输入,利用所提系统完成了上述三种音频信号的时频域分析。
关键词:多类型?音频信号?频谱分析仪?时域分析?频域分析
:TP393?????:A:1674-098X(2020)07(c)-0154-06
Abstract:Asanimportantinstrumentofspectrumstructureanalysis,spectrumanalyzerhasbeenwidelyusedinmanyfields,buttherearesomeproblemsexistingintheresearchofspectrumanalyzer,suchassystemintegrityisnotstrongandsignaltypeissingle.ThispaperusesMATLABGUItoolandMscriptfiletorealizemultitypeaudiosignalspectrumanalyzer.Firstofall,theprincipleoftime-frequencydomainanalysisofspectrumanalysisissummarized.Secondly,thebasicfunctionsandinterfacerealizationofthesystemareintroduced.Finally,thetime-frequencydomainanalysisoftheabovethreekindsofaudiosignalsiscompletedwiththeinputofsoundcard,wavfileandsignalsource.
KeyWords:Multipletypes;Audiosignal;Spectrumanalyzer;Timedomainanalysis;Frequencydomainanalysis
頻谱分析仪[1]是一种用来对被测信号进行频谱结构分析的重要测量仪器,在电声测量、音频制作、信号分析乃至振动测试等领域得到广泛应用,已经成为国内外学者的研究热点。然而,杨晋霞等[2]的研究是利用MATLAB通过两种方法将频谱横轴的FFT点数转换成频率对键盘输入的信号频谱进行分析,郑长义[3]、齐海东等[4]的研究利用一个m文件对声卡输入信号进行频谱分析,他们的研究仅仅实现了一个或多个MATLAB子程序,未形成完整的频谱分析系统,缺乏系统鲁棒性。李明明[5]利用FPGA与单片机实现了音频频谱分析系统,熊国华等[6]利用LabVIEW软件实现了声卡输入的频谱分析系统,但不能实现对多种类型的输入声音信号频谱分析。
本文根据信号与系统和数字信号处理相关原理,利用MATLABGUI工具设计并实现了多类型音频信号频谱分析仪,该系统具有以下特点:
(1)多类型音频信号输入,包括声卡输入、wav文件输入以及信号源输入;
(2)支持信号波形分析: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)支持信号频谱分析: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。
1?预备知识
1.1时域分析原理
基本参数(频率、幅值和相位)估计:
(1)频率检测。对于周期信号而言,可以通过计算相邻的两个信号波峰的时间差或过零点的时间差计算频率。本文采用过零点(ti)的时间差T(周期),频率即为f=1/T,以周期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ymax与最小值ymin的差的一半,即A=(ymax-ymin)/2。
(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,即=2π(1-ti/T)同样,以φ的平均值作为相位的估计值。
频率、幅值和相位的流程如图1所示。其中tin表示第n个过零点,yi为第i个采样点的值,Fs为采样频率。
数字信号统计量(峰值、均值、均方值和方差)的估计
(1)峰值P的估计。
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