基于MATLAB的声音信号频谱分析仪设计.pdfVIP

基于MATLAB的声音信号频谱分析仪设计--第1页

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ymax与最小值ymin的差的一半,即A=ymax-ymin/2,同样,也会求

出多个A值,但第1个A值对应的y和y不是在一个周期内搜索得到的,故以除第1个以外的A

maxmin

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=2π1-ti/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;

基于MATLAB的声音信号频谱分析仪设计--第1页

基于MATLAB的声音信号频谱分析仪设计--第2页

图1频率、幅值和相位估计的流程图

其中ti表示第n个过零点,y为第i个采样点的值,Fs为采样频率;

ni

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=0.5maxy-miny

ii

2均值估计

式中,N为样本容量,下同;

基于MATLAB的声音信号频谱分析仪设计--第2页

基于MATLAB的声音信号频谱分析仪设计--第3页

3均方值估计

4方差估计