matlab频谱分析仪.doc

频谱分析仪
摘要 频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，是一种多用途的电子测量仪器。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。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。本文介绍了一种使用GUI工具箱用matlab实现的简易虚拟频谱分析仪的设计方法。

关键词 matlab，频谱分析仪，时域分析，频域分析

目录

1概述 3
2技术路线 4
3实现方法 5
3.1搭建GUI界面 5
3.2信号输入 6
3.2.1选择信号输入 6
3.2.2声卡输入 7
3.2.3读取wav文件 7
3.2.4信号发生器输入 7
3.3时域分析 8
3.4频域分析 9
3.5仿真 10
3.5.1声卡输入 10
3.5.2读取wav文件 10
3.5.3信号发生器 11
4存在的问题 15
5致谢 15
参考文献 15

1概述
MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件。可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。图形用户界面(Graphical User Interface，简称GUI，又称图形用户接口)是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。MATLAB自带了强大的GUl工具[1]。在本文中，将利用MATLAB的GUI工具，设计出数字频谱分析仪。
频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫兹以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号[2]。目前已经有许多较成熟的频谱分析软件，如SpectraLAB、RSAVu、dBFA等[3]。本文将给出的则是通过MATLAB软件实现的基于FFT的数字频谱分析仪。
FFT（Fast Fourier Transformation），即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。它对傅氏变换的理论并没有新的发现，但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步[4]。
通过此次设计，能进一步掌握MATLAB软件开发过程的基本理论、基本知识和基本技能，熟悉基于MATLAB平台的若干信号处理系统开发及调试方法，且成本低，易于实现，容易修改，并可以进行仿真。该设计的进行可以为我们以后的学习工作奠定一定的基础。
2技术路线
本次设计的频谱分析仪模块划分如图1所示：

图1 频谱分析仪模块划分
3实现方法
3.1搭建GUI界面
此次设计搭建的GUI见面如图2所示：

图2 GUI界面
最上方为标题区，用于显示软件标题等信息。再往下是信号输入区，首先应输入采样频率和采样点。信号有3种输入方式，包括声卡输入，读取WAV文件和信号发生器输入。在信号发生器中加入了信号叠加选项，从而可以将产生的信号与原有的信号进行混迭。只有当某个单选框被选中时才允许使用对应的输入框、按钮等。
输入区右边为分析区，除了对wav文件进行播放外，还可以对信号进行时域分析和频域分析，该软件的核心代码都在这两个按钮的回调函数中。
再下方为分析结果区，用于显示波形基本参数与统计量的计算结果，
Axes1为波形显示区，在录音结束、打开WAV文件成功或者信号发生器生成波形时会更新显示。Axes2为频谱图显示区，用于显示各种频谱的谱线，在点击频域分析后会更新显示。点击频谱类型可以显示不同的频谱图。本次设计提供了幅频特性分析和相频特性分析。
3.2信号输入
3.2.1选择信号输入
开始使用频谱分析仪时，除了需要设定采样频率和采样点数外，还需要选择信号输入方式，本次设计提供三种输入，分别是：声卡录音，读取wav文件和信号发生器。其代码如下（仅以选择声卡输入为例）：
function record_Callback(hObject, eventdata, handles)
set(handles.record,'value',1);
set(handles.wavfile,'value',0);
set(handles.wave,'value',0);
h=findobj('Tag','recordtime');
set(h,'enable','on');
h=findobj('Tag','startrecord');
set(h,'enable','on');
h=findobj('Tag','wavname');
set(h,'enable','off');
h=findobj('Tag','openfile');
set(h,'enable','off');
h=findobj('Tag','inwave');
set(h,'enable','off');
h=findobj('Tag','inamp');
set(h,'enable','off');
h=findobj('Tag','infre');
set(h,'enable','off');
h=findobj('Tag','inpha');
set(h,'enable','off');
h=findobj('Tag','mix');
set(h,'enable','off');
h=findobj('Tag','wavemake');
set(h,'enable','off');
当选择了一种输入方式之后，另外两种输入方式将不能使用。
3.2.2声卡输入
这里声卡输入是指由麦克风录音得到的声音信号的输入，MATLAB提供了wavrecord函数，该函数能够实现读取麦克风录音信号。
声卡输入的主要代码如下所示[5]：
function startrecord_Callback(hObject, eventdata, handles)
Fs=str2double(get(handles.samplefre,'String'));
N=str2double(get(handles.recordtime,'String'))*Fs;
handles.y=wavrecord(N, Fs,'double');
handles.inputtype=1;
guidata(hObject,handles);
plot(handles.axes1,handles.y);
ysize=size(handles.y);
set(handles.samplenum,'String',num2str(ysize(1)));
3.2.3读取wav文件
MATLAB提供了wavread函数，该函数能够方便的打开并读取WAV文件中的声音信息。其代码如下：
function openfile_Callback(hObject, eventdata, handles)
[filename,filepath]=uigetfile('*.wav','wavfile');
set(handles.wavname,'string',filename);
[handles.y,Fs,bit]=wavread(filename);
handles.inputtype=2;
guidata(hObject,handles);
plot(handles.axes1,(1:length(handles.y))/Fs,handles.y);
ysize=size(handles.y);
set(handles.samplenum,'String',num2str(ysize(1)));
set(handles.samplefre,'string',Fs);
3.2.4信号发生器输入
MATLAB可以产生标准信号，如sin能够产生正弦波，首先利用get函数获得波形，频率f，幅值a和相位p，然后判断是否有信号叠加，若无叠加，则直接生成信号波形，如有叠加，则进行信号混叠。
function wavemake_Callback(hObject, eventdata, handles)
Fs=str2double(get(handles.samplefre,'String'));
N=str2double(get(handles.samplenum,'String'));
x=linspace(0,N/Fs,N);
t=get(handles.inwave,'Value');
f=str2double(get(handles.infre,'String'));
a=str2double(get(handles.inamp,'String'));
p=str2double(get(handles.inpha,'String'));
switch t
case 1
y=a*sin(2*pi*x*f+p);
case 2
y=a*sign(sin(2*pi*x*f+p));
case 3
y=a*sawtooth(2*pi*x*f+p,0.5);
case 4
y=a*sawtooth(2*pi*x*f+p);
case 5
y=a*(2*rand(size(x))-1);
end
if get(handles.mix,'Value')==0.0
handles.y=y;
else
handles.y=handles.y+y;
end
handles.inputtype=3;
guidata(hObject,handles);
plot(handles.axes1,handles.y);
xlim([0 200]);
3.3时域分析
时域分析直接在时间域内对系统动态过程进行研究的方法。根据输出量的时域表达式，可以分析系统的稳定性、瞬态和稳态性能。该设计中，时域分析包括峰峰值、均值、均方值、方差的计算。MATLAB提供了mean，std等函数，能够方便地计算均值、方差。主要设计代码如下：
function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles)
Fs=str2double(get(handles.samplefre,'String'));
N=str2double(get(handles.samplenum,'String'));
set(handles.VPP,'String',(max(handles.y)-min(handles.y)));
set(handles.ave,'String',mean(handles.y));
set(handles.RMS,'String',mean(handles.y.^2));
set(handles.var,'String',std(handles.y)^2);
3.4频域分析
频域分析包括幅值谱、相位谱等的计算，结果以图形显示出来。频域分析需要作Fourier变换，MATLAB提供了fft函数，能够方便地实现快速Fourier变换算法。本次设计中，除了能从图形看出频率，幅值等信息，也可以用坐标捕获来获取坐标值。主要代码如下：
%频域分析代码[6]：
function pushbutton4_Callback(hObject, eventdata, handles)
Fs=str2double(get(handles.samplefre,'String'));
N=str2double(get(handles.samplenum,'String'));
sample=handles.y;
f=linspace(0,Fs/2,N/2);
P=2*fft(sample,N)/N;
Pyy=sqrt(P.* conj(P));
a=get(handles.popupmenu1,'Value');
switch a
case 1
plot(handles.axes2,f,Pyy(1:N/2));
case 2
plot(handles.axes2,f,angle(P(1:N/2)));
case 3
plot(handles.axes2,f,real(P(1:N/2)));
case 4
plot(handles.axes2,f,imag(P(1:N/2)));
case 5
plot(handles.axes2,f,abs(P(1:N/2)).^2);
end

%坐标捕获代码：
function pushbutton5_Callback(hObject, eventdata, handles)
[xaxis,yaxis]=ginput(1);
set(handles.amp,'string',xaxis);
set(handles.phase,'string',yaxis);
3.5仿真
3.5.1声卡输入
选择录音，设定录音时间，点击开始录音按钮进行录音，录音完成后将在图形区axes1内显示波形，对其进行频谱分析，结果如图3所示：

图3 声卡输入
3.5.2读取wav文件
选择wav文件，对其进行频域分析（仅以幅频特性为例），结果如图4所示：

图4 wav文件幅频特性
3.5.3信号发生器
设置波形，幅值，频率，相位等信息，生成波形，并对其进行时域分析和频域分析，通过坐标获取获得峰值坐标。
对幅值为13，频率500，相位10的正弦波进行幅频特性分析结果如图5所示：

图5 正弦信号幅频特性
将幅值23，频率330，相位10的正弦波和幅值15，频率500，相位30的方波进行叠加，相频特性如图6所示：

图6 叠加信号相频特性
对幅值为24，频率400，相位0的正弦信号频谱分析，结果如图7所示：

图7 正弦信号相频特性
其他特性分析结果如图8—10所示：

图8 三角波实频特性

图9 锯齿波虚频特性

图10 白噪声功率谱
4存在的问题
本次设计虽然基本实现了频谱分析仪的要求，但是还是存在一些不足。比如未实现加窗功能，坐标捕获所得的峰值坐标不够精确等。对于加窗，我进行了尝试，但是因为知识所限，时间较短，最后以失败告终。在后面的学习中，有机会将进行研究。

参考文献
[1]. 张志涌等．精通MATLAB [M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．
[2].
[3]. 基于MATLAB的声音信号频谱分析仪设计.
[4].
[5] 李亚微, 郭敏. 基于Matlab的音频数据采集系统. 语音技术，2007.03.
[6]. 胡成西. 基于MATLAB的信号分析仪器仿真. 青海师范大学学报, 2005.1.
15