基于matlab-gui信號(hào)與系統(tǒng)-聲音信號(hào)頻譜分析

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1、目錄第1章緒論11.1聲音信號(hào)頻譜分析儀概述11.2聲音信號(hào)頻譜分析儀功能11.3聲音信號(hào)頻譜分析儀的發(fā)展1第2章MATLAB相關(guān)知識(shí)32.1MATLAB軟件知識(shí)32.1.1MATLAB語(yǔ)言簡(jiǎn)介32.1.2Matlab的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)32.2圖形用戶界面(GUI)知識(shí)62.2.1GUI簡(jiǎn)介62.2.2GUI的特點(diǎn)62.2.3GUI的組成部分7第3章設(shè)計(jì)原理93.1波形分析原理93.1.1信號(hào)頻率、幅值和相位估計(jì)93.1.2數(shù)字信號(hào)統(tǒng)計(jì)量估計(jì)93.2頻譜分析原理113.2.1DFT與FFT113.2.2頻率、周期的估計(jì)123.2.3頻譜圖123.3.模塊劃分12第4章系統(tǒng)程序設(shè)

2、計(jì)144.1界面設(shè)計(jì)144.2輸入模塊的實(shí)現(xiàn)164.3分析模塊19第5章軟件運(yùn)行及結(jié)果分析22第6章總結(jié)24參考文獻(xiàn)25致謝2626第1章緒論1.1聲音信號(hào)頻譜分析儀概述信號(hào)處理幾乎涉及到所有的工程技術(shù)領(lǐng)域，而頻譜分析又是信號(hào)分析儀處理中一個(gè)非常重要的分析手段。一般的頻譜分析都依靠傳統(tǒng)頻譜分析儀來完成，價(jià)格昂貴，體積龐大，不便于工程技術(shù)人員的攜帶。聲音信號(hào)頻譜分析儀改變了原有頻譜分析儀的整體設(shè)計(jì)思路，用軟件代替了硬件，使工程技術(shù)人員可以用一部筆記本電腦到現(xiàn)場(chǎng)就可輕松完成信號(hào)的采集、處理及頻譜分析。在工程領(lǐng)域中，MATLAB是一種倍受程序開發(fā)人員青睞的語(yǔ)言，對(duì)于一些需要做大

3、量數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的復(fù)雜應(yīng)用以及某些復(fù)雜的頻譜分析算法MATLAB顯得游刃有余。本文將重點(diǎn)介紹基于MATLAB的聲音信號(hào)頻譜分析儀的設(shè)計(jì)。1.2聲音信號(hào)頻譜分析儀功能(1)?音頻信號(hào)輸入，輸入的途徑包括從聲卡輸入、從WAV文件輸入、從信號(hào)發(fā)生器輸入；(2)?信號(hào)波形分析，包括幅值、頻率、周期、相位的估計(jì)，并計(jì)算統(tǒng)計(jì)量的峰值、均值、均方值和方差等信息；(3)?信號(hào)頻譜分析，頻率、周期的估計(jì)，圖形顯示幅值譜、相位譜等信息的曲線。1.3聲音信號(hào)頻譜分析儀的發(fā)展基于快速傅里葉變換(FFT)的現(xiàn)代聲音信號(hào)頻譜分析儀，通過傅里葉運(yùn)算將聲音信號(hào)分解成分立的頻率分量,達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣

4、的結(jié)果,。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)輸入信號(hào)取樣,再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。　在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高分辨率,對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)26ADC的取樣率最少等于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍,亦即頻率上限是100MHz的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。目前半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC,亦即,原理上儀器可達(dá)到2GHz的帶寬，為了擴(kuò)展頻率上限,可在ADC前端增加下變頻器,本振采用數(shù)字調(diào)諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴(kuò)展到幾GH

5、z以下的頻段使用。FFT的性能用取樣點(diǎn)數(shù)和取樣率來表征,例如用100KS/S的取樣率對(duì)輸入信號(hào)取樣1024點(diǎn),則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn),則分辨率提高到25Hz。由此可知,最高輸人頻率取決于取樣率,分辨率取決于取樣點(diǎn)數(shù)。FFT運(yùn)算時(shí)間與取樣,點(diǎn)數(shù)成對(duì)數(shù)關(guān)系,頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí),要選用高速的FFT硬件,或者相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片。例如,10MHz輸入頻率的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間80μs,而10KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間變?yōu)?4ms,1KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間增加至640ms。當(dāng)運(yùn)算時(shí)間超過2

6、00ms時(shí),屏幕的反應(yīng)變慢,不適于眼睛的觀察,補(bǔ)救辦法是減少取樣點(diǎn)數(shù),使運(yùn)算時(shí)間降低至200ms以下。26第2章MATLAB相關(guān)知識(shí)2.1MATLAB軟件知識(shí)2.1.1MATLAB語(yǔ)言簡(jiǎn)介MATLAB是美國(guó)MathWorks公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和信號(hào)處理的數(shù)學(xué)計(jì)算軟件包，與其他高級(jí)語(yǔ)言相比，不僅語(yǔ)法規(guī)則更為簡(jiǎn)單，而且在解決工程問題和科研教學(xué)的輔助方面更加直觀、簡(jiǎn)潔和高效。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多。目前，MATLAB已經(jīng)成為國(guó)際上最流行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件

7、工具，現(xiàn)在的MATLAB已經(jīng)不僅僅是一個(gè)“矩陣實(shí)驗(yàn)室”了，它已經(jīng)成為了一種具有廣泛應(yīng)用前景的全新的計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言了，有人稱它為“第四代”計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，它在國(guó)內(nèi)外高校和研究部門正扮演著重要的角色。2.1.2Matlab的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)Matlab的特點(diǎn)：　1)高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能,能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來;　2）具有完備的圖形處理功能,實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化;　　3)友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言,使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握;　　4）功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等),為用戶提供