基于MATLAB的音乐分析器设计

摘要 信号处理几乎涉及到所有的工程技术领域，而频谱分析又是信号处理中一个非常重要的分析手段。一般的频谱分析都依靠传统频谱分析仪来完成，价格昂贵，体积庞大，不便于工程技术人员的携带。虚拟频谱分析仪改变了原有频谱分析仪的整体设计思路，用软件代替了硬件，使工程技术人员可以用一部笔记本电脑到现场就可轻松完成信号的采集、处理及频谱分析。 MATLAB是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，运用它来进行语音信号的采集、分析和处理相当方便。本文介绍了在MATLAB环境中如何采集声音信号和采集后的频谱分析方法，并使用MATLAB软件的M文件进行编程，设计了一个简易的声音信号频谱分析仪。 关键字：语音信号、数据采集、频谱分析、MATLAB 研究背景 频谱分析和估计是对周期信号进行分析和估计的方法。频谱分析和估计不仅是揭示信号特征的重要方法,也是处理信号的重要手段。这些方法和手段已经广泛地应用于通信、雷达、地震、声纳、生物、医学、音乐，等等，如此广泛的应用主要归功于数字信号处理理论和技术的进步。快速傅立叶变换算法和数字信号处理器的出现,为各式各样的频域问题,提供了一个统一的经济的单片集成的解决办法。 在过去的一个世纪里，仪器技术得到了不断的发展，大致经历了模拟仪器、数字仪器和智能仪器三个阶段。其共同特点是信号采集与控制、信号分析与处理、结果的表达与输出三大功能模块，而这些模块只能由厂家来定义、制造，那样就使得仪器功能固定、灵活性差。在当今的技术发展条件下，将计算机与仪器结合进行测试操作，如将仪器的信号分析与处理、结果表达与输出放到计算机上完成，或将仪器的三大功能模块全部放到计算机上来完成，是完全可能的，在这种需求的背景条件下诞生了虚拟仪器。虚拟仪器这不仅增强了传统仪器的功能，而且还大大地降低了成本，方便了我们的测试人员。 音乐分析器又称动态音乐信号分析仪,是将各种时域信号变换到频率域上分析的仪器,它可以将语音信号的波形分解成为各个频率分量,获得信号的频率结构和各个谐波的幅值、相位信息,从而可以更有效和方便地找到信号的特征。频谱分析仪和示波器是对偶的,它们具有同样的重要性：示波器是在时域显示或表征信号,而频谱分析仪是在频域显示或表征信号。 1.2研究目的和意义 虚拟频谱仪技术兼顾了虚拟仪器的优势，因此它具有虚拟仪器的灵活性和便捷性，因此在构建虚拟频谱仪的时候就显得十分方便。如果相关硬件平台结合软件开发的虚拟频谱仪与实验室的物理环境结合起来，就能更好的提高教学质量，并增强学生的动手能力与工程实践能力。 目前，在各大高校的实验课程中需要使用大量的实验仪器和设备（如示波器、函数发生器，频谱分析仪等等）来满足教学要求，并且同时发现在综合性实验过程中需要使用到的多种不同测试、测量仪器不仅在价格上昂贵、体积庞大，而且连接也相对比较麻烦，对于提高教学质量来说是一大瓶颈。因此能够开发出一套通用综合性实验平台，使之用于多种实验教学，将大大节约实验经费，并产生可观的经济效益，而且对教学也将提供一定的便利性。本文正是在这种背景下设计了这个通用测试平台的一个重要组成部分-音乐的虚拟数字频谱仪。 通用测试平台上设计的频谱分析仪作为实验环节的一个重要组成部分，不仅要让学生懂得简单的软件设计，最重要的是需要培养他们的动手能力，发挥测试平台的二次开发能力，让学生更深入的学习和研究虚拟频谱分析仪，最终能够到达满意的教学成果。 1.3研究内容 在工程领域中， MATLAB是一种倍受程序开发人员青睐的语言，对于一些需要做大量数据运算处理的复杂应用以及某些复杂的频谱分析算法MATLAB显得游刃有余。本文将重点介绍基于MATLAB的虚拟频谱分析仪的设计。本文设计的虚拟频谱分析仪的功能包括： (1)?音频信号信号输入。输入的途径包括从声卡输入、从WAV文件输入、从信号发生器输入； (2)?信号波形分析。包括幅值、频率、周期、相位的估计，并计算统计量的峰值、均值、均方值和方差等信息； (3)?信号频谱分析。频率、周期的估计，图形显示幅值谱、相位谱和功率谱等信息的曲线。