信號處理實驗實驗報告

• 實驗名稱：音頻頻譜分析儀的設計與實現
• 實驗目的：構建交互界面，具有播放聲音功能，顯示波形與頻譜，并可測量聲音時與參數
• 實驗原理：
  

   MATLAB是一個數據分析與數據處理功能十分強大的工程應用軟件，其數據采集工具箱為數據的輸入和輸出提供了十分方便的函數與命令。本實驗要求基于聲卡和MATLAB實現音頻信號頻譜分析儀的設計與實現，功能包括音頻信號的輸入、

信號波形分析、信號頻譜分析 。

1.頻率周期檢測：

   采用過零點的時間間隔即是周期，頻率為周期的倒數，求出多個時間差求平均值，采用平均值作為周期的估計值。

•   幅值檢測：
  

在一個周期內，求出信號的最小值和最大值差的一半，即y=，第一個A值對應的最大值和最小值不是一個周期內得到的，因此除第一個A值以外的平均值作為估計值。

•   相位檢測：
  

通過判斷與同頻信號過零點時刻，計算其時間差，然后換算成相應的相位差。 同樣以 的平均值作為估計值。

•       數字信號統計量的估計：
  

   （1）峰值估計：利用下面的公式

   （2）均值估計：

   （3）均方值估計：

   （4）方差估計：

圖3.13　頻率、幅值和相位估計的流程圖

其中tin表示第n個過零點，yi為第i個采樣點的值，Fs為采樣頻率。

•       頻譜分析：
  

• DFT與FFT
  

式中，=Fs/N。但是上式計算效率低，故利用FFT快速計算，其原理是把重復的三角函數計算結果保存起來，以減少重復三角數的計算。

• 頻率、周期的估計:
  

對于Y(k)如果=時，其取最大值，為頻率估計值，其存在誤差，最大誤差/2，

從原理上分析，混有噪聲時，用上述方法也可以得到周期和頻率。

• 頻譜圖：
  

為了直觀地表示信號的頻率特性，工程上常常將Fourier變換的結果用圖形的方式表示，即頻譜圖。 以頻率f為橫坐標，|Y(f)|為縱坐標，可以得到幅值譜；

以頻率f為橫坐標，arg Y(f)為縱坐標，可以得到相位譜；

以頻率f為橫坐標，Re Y(f)為縱坐標，可以得到實頻譜；

以頻率f為橫坐標，Im Y(f)為縱坐標，可以得到虛頻譜。

根據采樣定理，只有頻率不超過Fs/2的信號才能被正確采集，即Fourier變換的結果中頻率大于Fs/2的部分是不正確的部分，故不在頻譜圖中顯示。即橫坐標f ∈[0, Fs/2]。

• 模塊劃分與界面：
  

• 實驗內容：
  

設計音頻信號頻譜分析儀，功能包括：

• 信號輸入：實現從聲卡、WAV文件、標準信號發生器輸入信號。
• 信號波形分析：包括幅值、頻率、周期的估計，以及統計量峰值、均值、均方值和方差的計算；
• 信號頻譜的分析、頻率、周期的估計，圖形顯示幅度譜、相位譜、實頻譜、虛頻譜和功率譜。
  

五、實驗步驟與結果（附程序和結果圖片）：

• 聲卡輸入部分：
  

（1）程序：

（2）實驗結果

• 結果分析：
  

         通過編寫函數實現了聲卡錄音并且對聲音進行時域和頻域分析。

2.   WAV文件輸入：

• 程序：
  

• 實驗結果
  

• 結果分析：
  

    可以對WAV類型的文件自動打開、播放以及時頻域分析等功能。

•       信號發生器輸入：
  

• 實驗程序：
  

• 實驗結果：
  

                                   三角波

                                    方波

                                    白噪聲

                                    正弦波

                                  正弦波混疊

• 結果分析：
  

     信號發生器信號輸入實現了正弦波、方波、三角波、白噪聲以及鋸齒波的產生，并可以實現混疊、時頻域分析等功能，但是在時域分析分析時，由于其是利用多個采樣點，利用計算公式來進行時頻域分析，采樣點不能完全逼近實際波形，因此會造成一定誤差。

•       時域分析結果：
  

• 實驗程序：
  

Fs=str2double(get(findobj('Tag','samplerate'),'String'));

%得到'Tag'為'samplerate'的名稱并轉換為數字即得到輸入頻率的數值。

N=str2double(get(findobj('Tag','samplenum'),'String'));        

%得到'Tag'為'samplenum'的名稱并轉換為數字即得到采樣點數。

T=[];amp=[];ti=[];

n=1;

ymax=max([handles.y(1) handles.y(2)]);      %將y(2)，y(1)的最大值給ymax

ymin=min([handles.y(1) handles.y(2)]);       %將y(2)，y(1)的最小值給ymin

from=str2double(get(handles.point1,'String')); %得到point1方框的數值， 即分析起始點

to=str2double(get(handles.pointlast,'String')); %得到pointlast方框的數值，即分析終止點

if from<1|to-from<5;

    msgbox('error');

    return;

End

%如果起始點小于1或者分析間隔小于5報錯，提示'error'

for i=from+2:to-1;

    if handles.y(i-1)<0 & handles.y(i-2)<0 & handles.y(i)>=0 & 0

        if handles.y(i)==0handles.y(i+1)>

            ti(n)=i;

        else

            ti(n)=i-handles.y(i)/(handles.y(i)-handles.y(i-1));

        end

        amp(n)=(ymax-ymin)/2;得到幅度

        ymax=0;

        ymin=0;

        n=n+1;

    else

        if ymax<handles.y(i)

            ymax=handles.y(i);

        end

        if ymin>handles.y(i)

            ymin=handles.y(i);

        end

    end

end

n=n-1;

for i=1:n-1

    T(i)=ti(i+1)-ti(i);

End

%利用過零點時間間隔求周期，

freq = Fs/mean(T);                           %周期均值的的倒數得到頻率

set(handles.wenben_zhouqi,'String',1/freq);      %分別在相應位置顯示周期、頻率、均值

set(handles.wenben_pinlv,'String',num2str(freq));

set(handles.wenben_fudu,'String',num2str(mean(amp(2:n-1))));%以幅度均值作為幅度的估計值

phase=2*pi*(1-(ti(1:n-1)-1)./T+floor((ti(1:n-1)-1)./T));%將待分析信號的過零點與標準信號的過零點比較，得到相位

set(handles.wenben_xiangwei,'String',num2str(mean(phase)));

%利用同頻信號零點取均值得到相位

set(handles.wenben_fengzhi,'String',(max(handles.y(from:to))-min(handles.y(from:to)))/2);

%利用 得到峰值

set(handles.wenben_junzhi,'String',mean(handles.y(from:to)));      %得到均值

set(handles.wenben_junfangzhi,'String',mean(handles.y(from:to).^2));%得到均方值

%得到均方值并在Tag名為wenben_junfangzhi顯示，mean(handles.y(from:to)取所有點的均值

set(handles.wenben_fangcha,'String',std(handles.y(from:to))^2);  %得到方差，并在Tag名為wenben_fangcha顯示

• 實驗結果：
  

三角波時域分析

                                  矩形波時域分析

• 結果分析：
  

•       頻域分析：
  

• 實驗程序：
  

• 實驗結果：
  

輸入分析點數起始點小于1報錯

                        正弦波時頻域分析結果

• 結果分析：
  

通過實驗結果分析，我們可以看出，交互界面基本上實現了頻域和時域分析的功能，而且實現了自動報錯功能，時域分析結果周期、頻率、幅度誤差較小，可能是由于采樣點數或者在取值時量化誤差造成的，在誤差允許范圍內實現了時域分析。但是相位有較大的誤差，通過過零點檢測相位可能由于采集過零點時刻誤差較大，造成相位估計值誤差較大。頻域分析周期以及頻率雖然有一定誤差，但是誤差很小。誤差可能由于MATLAB利用離散點來逼近波形，不可能完全和實際一樣。

• 實驗總結：
  

    本次實驗完成了音頻頻譜分析儀的設計與實現，基本上滿足了題目要求，并且為分析儀增加了錯誤輸入提醒、自動查找文件等新功能。

通過本次實驗，學習使用了MATLABguide交互界面的設計方法，掌握了guide交互界面設計的基本流程、guide交互界面函數的編寫，重新認識了MATLAB的強大功能，MATLAB不僅提供了基本的函數，幫助我們實現設計功能，而且根據我們設計的界面，自動生成了模板，極大的方便了我們的設計工作。

本次實驗相對前六次實驗難度加大，在前幾次實驗的基礎上，依然感覺無從下手，通過借閱圖書、上網查閱資料終于完成了本次實驗,通過本次實驗接觸了交互界面的設計方法，同時也認識到MATLAB強大的功能，提供了友好的交互界面設計。在本次試驗中遇到了很多的問題，比如基本函數的調用格式，在使用findobj函數時報錯，提示輸入參數不足，通過上網查找資料、請教同學，才發現調用格式出錯。還有根據教材使用wavrecord函數時，提示未定義該函數，在命令窗口help wavrecord,發現MATLAB不提供該函數，上網查找發現MATLAB2013以后刪除了該函數。

總之，通過本次實驗，初步認識了交互界面的設計方法，同時認識到MATLAB強大的功能，在設計過程中遇到了很多問題，通過查找資料解決問題，提高了查找資料、解決問題的能力。通過信號處理七次實驗掌握了MATLAB的使用方法以及強大功能，激發了自己學習MATLAB的熱情，必將為今后的學習打下良好的基礎。

實驗七音頻頻譜分析儀的設計與實現2.docx (658.31 KB, 下載次數: 44)

2018-1-18 13:50 上傳

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