哈尔滨工程大学数字信号处理实验八.doc

一、 实验原理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的值（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，但第一个A值对应的ymax和ymin不是在一个周期内搜索得到的，故以除以第一个以外的A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。=2（），同样，以的平均值作为相位的估计值。频率、幅值和相位估计的流程图见实验讲义64页图3.13。4、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。（2）均值估计（3）均方值估计(4) 差估估计5、频谱分析原理 时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频谱分量的简单波形外，很难明确提示信号的频率组成的各频率分量的大小，而频域分析能很好的解决此问题。(1) DFT与FFT 对于给定的时域信号y，可以通过Fourier变换得到频域信息Y。采样信号是一个不连续的频谱，不能算出所有点的值，所以采用离散Fourier变换DFT，但其计算效率较低，故实际中常用快速傅立叶变换。(2) 频率、周期的估计对于Y(kf)，如果当kf=f时，Y(kf)取最大值，则f为频率的估计值，由于采样间隔的误差，f也存在误差，其误差最大为f/2。周期T=1/f，从原理上可以看出，如果在标准信号中混有噪声，用上述方法仍能够精确地估计出原标准信号的频率和周期。(3) 频谱图为了直观地表示信号的频率特性，常常将傅立叶变换的结果用图形的方式表示，及频谱图。以频率f为横坐标，|Y(f)|为纵坐标，可以得到幅值谱；以频率f为横坐标，argY(f)为纵坐标，可以得到相位谱；以频率f为横坐标，ReY(f)为纵坐标，可以得到实频谱；以频率f为横坐标，ImY(f)为纵坐标，可以得到虚频谱。根据采样定理，只有频率不超过Fs/2的信号才能被正确采集，即傅立叶变换结果中频率大于Fs/2的部分是不正确的 ，故不在频谱中显示。(4) 模块划分模块化就是把程序划分成独立命名且可独立访问的模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，可以完成指定的功能满足用户需求。模块划分时应遵循如下规则：改进软件结构提高模块独立性；模块规模应该适中；深度，宽度，扇出都应适当；模块的作用域应该在控制域之内；力争降低接口的复杂程度；设计单入单出的模块口德模块；模块功能可以预测。对软件进行如讲义66页3.14图所示的模块划分。 参考代码如下：(1) 声卡输入：“开始录音”按钮的回调函数如下%首先获得设定的Fs值 Fs=str2double(get(findobj(Tag,samplerate),String); %根据设定的录音实诚进行录音，将其存入handles.y中handles.y=wavrecord(str2double(get(findobj(Tag,recordtime),String)*Fs,Fs,double);handles.inputtype=1;%保存handles结构体，使得handle.y在别的函数中也能使用guidata(hObject,handles);%在波形显示区绘出波形plot(handles.time,handles.y);title(WAVE);%将所采到的点的数量输出在“采样点数中”ysize=size(handles.y)set(handles.samplenum,String,num2str(ysize(1);(2) WAV文件输入：“打开文件”按钮的回调函数的部分内容%从WAVw文件中读取的声音信息并临时存放到temp变量中temp=wavread(get(findobj(Tag,filename),String);%获得所选的声道channel=str2double(get(handles.channel,String);%将指定的声道的信息存放到handles.y中handles.y=temp(:,channel);handles.inputtype=2;guidata(hObject,handles);plot(handles.time,handles.y);title(WAVE);ysize=size(handles.y)set(handles,samplenum,String,num2str(ysize(1);(3) 信号发生器Fs=str2double(get(findobj(Tag,samplerate),String);N=str2double(get(findobj(Tag,samplenum),String);x=linspace(0,N/Fs,N);soundtype=get(handles.wavetype,Value);frequency=str2double(get(handles.freq,String);amp=str2double(get(handles.amp,String);phase=str2double(get(handles.phase,String);switch soundtype case 1 %标准正弦波 y=amp*sin(2*pi*x*frequency+phase); case 2 %方波 y=amp*sign(sin(2*pi*x*frequency+phase); case 3 %三角波 y=amp*sawtooth(2*pi*x*frequency+phase,0.5); case 4 %锯齿波 y=amp*sawtooth(2*pi*x*frequency+phase);case 5 %白噪声 y=amp*(2*rand(size(x)-1); otherwise errordlg(Illegal wave type,Choose error);endif get(handles.add,Value)=0.0handles.y=y; %若没有勾选上“混叠”，则将生成的波形赋给handles.yelse handles.y=handles.y+y; %否则将生成的波形与原有的波形叠加endhandles.inputtype=3;guidata(hObject,handles);plot(handles.time,handles.y);title(WAVE);axis(0 N -str2double(get(handles.amp,String) str2double(get(handles.amp,String);(4) 时域分析Fs=str2double(get(findobj(Tag,samplerate),String);N=str2double(get(findobj(Tag,samplenum),String);if handles.inputtype=0 msgbox(No wave exist!Please choose a input type!); return;end%guo ling jian cen=1;ymax=max(handles.y(1) handles.y(2);ymin=min(handles.y(1) handles.y(2);from=str2double(get(handles.pointfrom,String);to=str2double(get(handles.pointto,String);if from1|to-from5; msgbox(Error range!); return;endfor i=from+2:to-1; if handles.y(i-1)0&handles.y(i-2)=0&handles.y(i+1)0 if handles.y(i)=0 ti(n)=i; else ti(n)=i-handles.y(i)/(handles.y(i)-handles.y(i-1);% x1=i-1;% y1=handles.y(i-1);% x2=i;% y1=handles.y(i); % a=handles.y(i)-handles.y(i-1);% b=a*x1-y1;% ti(n)=b/a; end amp(n)=(ymax-ymin)/2; ymax=0; ymin=0; n=n+1; else if ymaxhandles.y(i) ymin=handles.y(i); end endendn=n-1;%frequence and reriodicityfor i=1:n-1 T(i)=ti(i+1)-ti(i);endfreq=Fs/mean(T); %计算频率set(handles.outt,String,1/freq); %输出周期估计值set(handles.outfreq,String,num2str(freq); %输出频率估计值%amplitude%计算并输出幅度，以幅值均值作为其估计值set(handles.outamp,String,num2str(mean(amp(2:n-1);%phase%将待分析信号的过零点与标准信号的过零点相比较，从而得出相位phase=2*pi*(1-(ti(1:n-1)-1)./T+floor(ti(1:n-1)-1)./T);%peak%最大值与最小值的一半即为峰值set(handles.outpeak,String,(max(handles.y(from:to)-min(handles.y(from:to)/2);%mean%计算并输出均值set(handles.outmean,String,mean(handles.y(from:to);%meansquare%计算并输出均方值set(handles.outmeansquare,String,mean(handles.y(from:to).2);%s%计算输出方差set(handles.outs,String,std(handles.y(from:to).2);(5) 频域分析Fs=str2double(get(findobj(Tag,samplerate),String);N=str2double(get(findobj(Tag,samplenum),String);if handles.inputtype=0 msgbox(No wave exist!Please choose a input type!); return;endfrom=str2double(get(handles.pointfrom,String);to=str2double(get(handles.pointto,String);%首先提出待分析的样本，将其存入sample中sample=handles.y(from:to);%生成离散化的频率点，以采样频率作为离散化的间隔f=linspace(0,Fs/2,(to-from+1)/2);Y=fft(sample,to-from+1);C,I=max(abs(Y); %对样本做快速傅里叶变换，变换结果存入Y中%获得幅值最大的点及其所对应的下表值I，则f(I)为最大值所对应的频率，即信号的估计值 set(handles.foutt,String,1/f(I); %计算并输出周期的估计值set(handles.foutfreq,String,1/f(I); %输出频率的估计值Y=Y(1:(to-from+1)/2); %为与f对应，只取Y的前半部分plot(handles.plot1,f,2*sqrt(Y.*conj(Y); %绘制幅值谱曲线 plot(handles.plot2,f,angle(Y); %绘制相位谱曲线 plot(handles.plot3,f,real(Y); %绘制实频谱曲线 plot(handles.plot4,f,imag(Y); %绘制虚频谱曲线 plot(handles.plot5,f,abs(Y).2); %绘制功率谱曲线xlabel(handles.plot1,freqency(Hz);xlabel(handles.plot2,freqency(Hz);xlabel(handles.plot3,freqency(Hz);xlabel(handles.plot4,freqency(Hz);xlabel(handles.plot5,freqency(Hz);ylabel(handles.plot1,amplitude);ylabel(handles.plot2,phase(red);ylabel(handles.plot3,real);ylabel(handles.plot4,imaginary);ylabel(handles.plot5,power);二、 实验内容构建交互界面，设计一个音频频谱分析仪，要求基于声卡与MATLAB实现音频信号频谱分析仪的设计原理与实现，功能包括：（1） 音频信号输入，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，以及统计峰值、均