基于MATLAB的聲信號(hào)采集與頻譜譜分析設(shè)計(jì)論文答辯PPT

1、基于MATLAB的實(shí)時(shí)聲信號(hào)與譜分析設(shè)計(jì) 本文介紹了基于MATLAB的聲信號(hào)采集與譜分析的設(shè)計(jì)過程，在闡述頻率分析及功率譜估計(jì)原理的基礎(chǔ)上，分析了經(jīng)典功率譜估計(jì)和現(xiàn)代功率譜估計(jì)的兩大類算法，主要采用了經(jīng)典功率譜估計(jì)的周期法，間接法和改進(jìn)的周期法及現(xiàn)代功率譜估計(jì)的AR模型參數(shù)法對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行譜分析，并通過大量試驗(yàn)對(duì)各種算法進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。該設(shè)計(jì)利用串口將采集到的聲信號(hào)上傳，并在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行譜分析。聲傳感器A/DSPIDSP串口通信譜分析譜分析 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是通過串口把實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)后，在MATLAB環(huán)境下將數(shù)據(jù)讀回并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜分析。本設(shè)計(jì)主要研究了各種頻譜分析算法實(shí)現(xiàn)后的

2、效果圖，直觀比較不同的算法的不同效果。其中包括經(jīng)典功率譜分析和現(xiàn)代功率譜分析。經(jīng)典譜估計(jì)主要方法有直接法，間接法和改進(jìn)的直接法?，F(xiàn)代譜估計(jì)主要是針對(duì)經(jīng)典譜估計(jì)的分辨率低和方差性能不好等問題提出的，主要的參數(shù)模式是自回歸（AR）模型、移動(dòng)平均（MA）模型和自回歸/移動(dòng)平均（ARMA）模型，其中AR模型由線性方程描述，而MA和ARMA模型則由非線性方程描述。由于MA和ARMA模型均可用高階的AR模型來近似，本文使用的是AR參數(shù)模型。 設(shè)計(jì)的主要任務(wù)串口傳輸模塊 （1）本設(shè)計(jì)通過TMS320F2812內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，理解串口通信的原理并編寫串口讀數(shù)的程序，將采樣結(jié)果通過串口上傳到計(jì)

3、算機(jī)。 （2）MS320F2812內(nèi)部具有兩個(gè)相同的SCI模塊，SCIA和SCIB，每一個(gè)SCI模塊都各有一個(gè)接收器和發(fā)送器。SCI的接收器和發(fā)送器各具有一個(gè)16級(jí)深度的FIFO（First in fist out先入先出）隊(duì)列，它們還都有自己獨(dú)立的使能位和中斷位。 （3）SCI發(fā)送數(shù)據(jù)的速度是由波特率來決定。所謂的波特率就是指每秒所能發(fā)送的位數(shù)。 （4）在進(jìn)行通信的時(shí)候，雙方都必須以相同的數(shù)據(jù)格式和波特率進(jìn)行通信，否則通信會(huì)失敗。 本次設(shè)計(jì)采用的波特率是115200bps，無校驗(yàn)，8 個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。下圖是顯示串口調(diào)試的界面。 在本次設(shè)計(jì)中要求對(duì)從串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，由于MATL

4、AB軟件相對(duì)其他軟件具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如：語言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富，擁有功能強(qiáng)勁的工具箱等，所以本設(shè)計(jì)選擇MATLAB軟件進(jìn)行譜分析。譜分析在譜分析在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)中的實(shí)現(xiàn) 經(jīng)典譜估計(jì)具有物理概念明確、算法簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是目前經(jīng)常使用的譜估計(jì)方法。在經(jīng)典譜估計(jì)中，Bartlett算法和Welch算法都是周期圖法的改進(jìn)算法。 周期圖法是把隨機(jī)序列y（n）的N個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)視為一個(gè)能量有限的序列，直接計(jì)算y（n）的離散傅立葉變換得Y（k），然后再取其幅值的平方，并除以N，作為序列y（n）真實(shí)功率譜的估計(jì)。 間接法先由序列x（n）估計(jì)出自相關(guān)函數(shù)R（n），然后R （n）進(jìn)行傅立葉變換

5、，便得到x（n）的功率譜估計(jì)。 Bartlett平均周期圖法將具有N個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的可用樣本分成L=N/M個(gè)子樣本，每個(gè)子樣本有M個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，然后在每個(gè)w值上對(duì)所有子樣本的周期圖進(jìn)行平均，一次來減小周期圖中較大的波動(dòng) Welch平滑平均周期圖法方法綜合了Bartlett改進(jìn)周期圖法的優(yōu)點(diǎn)，是通過先對(duì)數(shù)據(jù)分段加窗處理，然后再求平均的方法進(jìn)行的。 020040060080010001200-8-6-4-20246050100150200250300350400450500-50-40-30-20-1001005010015020025030035040045050051015202530350501001

6、50200250300350400450500-30-20-10010203040 幾種經(jīng)典功率譜估計(jì)方法的實(shí)驗(yàn)仿真原始信號(hào) 直接法間接法BartlettBartlett法法050100150200250300350400450500-40-200矩 形 窗050100150200250300350400450500-40-200海 明 窗050100150200250300350400450500-40-200blackman 窗Welch法 現(xiàn)代功率譜估計(jì)即參數(shù)譜估計(jì)方法是通過觀測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)參數(shù)模型再按照求參數(shù)模型輸出功率的方法估計(jì)信號(hào)功率譜。主要是針對(duì)經(jīng)典譜估計(jì)的分辨率低和方差性能不好等問

7、題提出的。主要方法有最大的譜分析法(AR模型法)、Pisarenko諧波分解法、Prony提取極點(diǎn)法、Prony譜線分解法以及Capon最大似然法等。其中AR模型由線性方程描述，而MA和ARMA模型則由非線性方程描述。由于MA和ARMA模型均可用高階的AR模型來近似，本文使用的是AR參數(shù)模型。 AR模型的物理意義是認(rèn)為序列y(n)是白噪聲作用于線性時(shí)不變系統(tǒng)時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)。 本設(shè)計(jì)中采用AR模型的協(xié)方差算法，自相關(guān)算法，Burg算法?，F(xiàn)代估率譜估計(jì) 幾種現(xiàn)代功率譜估計(jì)的實(shí)驗(yàn)仿真 仿真結(jié)果直觀地說明了自相關(guān)算法、Burg算法和改進(jìn)協(xié)方差算法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)相隔僅有5HZ的2個(gè)混合信號(hào)進(jìn)行譜估計(jì)時(shí)，

8、自相關(guān)法不容易看出其頻率成份，而Burg算法和改進(jìn)協(xié)方差算法提高了參數(shù)估計(jì)的精度和頻率分辨率。而Burg方法，用其進(jìn)行功率譜估計(jì)時(shí)令前后向預(yù)測(cè)誤差功率之和最小，即對(duì)，前后都不加窗，Burg算法是建立在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的，避免了先計(jì)算自相關(guān)函數(shù)從而提高計(jì)算速度，計(jì)算不太復(fù)雜，分辨率優(yōu)于自相關(guān)法。 MATLAB提供了一套可視化的創(chuàng)建圖形窗口的工具，使用用戶界面開發(fā)環(huán)境可方便的創(chuàng)建GUI應(yīng)用程序，它可以根據(jù)用戶設(shè)計(jì)的GUI布局，自動(dòng)生成M文件的框架，用戶使用這一框架編制自己的應(yīng)用程序。圖形用戶界面就是通過窗口、選單、按鈕、文字說明等對(duì)象構(gòu)成一個(gè)美觀的界面，用戶利用鼠標(biāo)或鍵盤可以方便地實(shí)現(xiàn)操作。 基于MA

9、TLAB用戶界面的譜分析 本設(shè)計(jì)中用戶界面，大體分為信號(hào)輸入模塊，原始信號(hào)顯示模塊，頻譜分析模塊，經(jīng)典譜分析模塊和現(xiàn)代譜分析模塊四部分。經(jīng)典譜分析模塊包含直接法、間接法、Welch法和Bartlett法四個(gè)小模塊?，F(xiàn)代譜分析模塊則包括Burg法和自相關(guān)法兩個(gè)小模塊。 根據(jù)不同的信號(hào)來源，界面主要采用兩種不同輸入方式。一種信號(hào)來源是由串口實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)，把該信號(hào)作為一種輸入方式。然后點(diǎn)擊打開串口，其次點(diǎn)擊頻譜分析按鈕，坐標(biāo)軸會(huì)顯示信號(hào)的幅度譜。 用戶界面的實(shí)現(xiàn)過程 最后就是功率譜分析部分， 串口開始讀取數(shù)據(jù)同時(shí)把數(shù)據(jù)保存在D盤下的一個(gè)文件中。接著關(guān)閉串口，點(diǎn)擊打開按鈕，即可讀回由串口實(shí)時(shí)采集到

10、的聲信號(hào)數(shù)據(jù)。打開文件的同時(shí)首先在坐標(biāo)軸中會(huì)顯示原始信號(hào)波形。其次點(diǎn)擊頻譜分析按鈕，坐標(biāo)軸會(huì)顯示信號(hào)的幅度譜。最后就是功率譜分析部分。 另一種信號(hào)來源是打開mat文件中已存的兩個(gè)不同頻率疊加的聲音信號(hào)，把該信號(hào)作為一種輸入方式。然后點(diǎn)打開按鈕，在打開文件名的同時(shí)首先會(huì)在坐標(biāo)軸中顯示原始信號(hào)波形。其他的操作如上第一種方式。 輸入信號(hào)為串口接收的數(shù)據(jù)界面 輸入信號(hào)為mat文件已存的數(shù)據(jù) 通過實(shí)驗(yàn)仿真可以直觀地看出以下特性： （1）經(jīng)典功率譜估計(jì)中的周期圖法所得到的結(jié)果特點(diǎn)是離散性大，曲線粗糙，方差較大，但是分辨率較高。 （2）Bartlett平均周期圖法和Welch平滑平均周期圖法的收斂性較好，曲線平滑，估計(jì)的結(jié)果方差較小，但是功率譜主瓣較寬，分辨率低。這是由于對(duì)隨機(jī)序列的分段處理引起了長(zhǎng)度有限所帶來的Gibbs現(xiàn)象而造成的。 （3）與Bartlett法相比，Welch法的估計(jì)曲線比較粗糙，但是分辨率較好，原因是Welch法中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)鄷r(shí)加的是Hanning窗，而在Bartlett法中使用的是矩形窗，相對(duì)于矩形窗，窗的主瓣包含更多的能量，因而使功率譜的主瓣較窄，分辨率較高。 總結(jié) 本設(shè)計(jì)主要是對(duì)于信號(hào)的頻率分析算法進(jìn)行研究，所謂的頻率分析即是在頻域范圍內(nèi)研究信號(hào)的特征，通常用求信號(hào)的功率譜來研