we_ROCKS 2009-06-23

來自維基的解釋From Wikipedia， the free encyclopedia

Spectrum analysis in chemistry and physics， a method of analyzing the chemical properties of matter from bands in their optical spectrum

Spectrum analyzer in signal processing， a device or algorithm that identifies a frequency domain representation of a time domain signal， typically by means of Fourier transform Spectral theory， in mathematics， a theory that extends eigenvalues and eigenvectors to linear operators on Hilbert space， and more generally to the elements of a Banach algebra Spectral analysis in statistics， a procedure that decomposes a time series into a spectrum of cycles of different lengths。 Spectral analysis is also known as frequency domain analysis。

In nuclear and elementary particle physics， gamma ray spectroscopy， and high-energy astronomy， the analysis of the output of a pulse height analyzer for characteristic features such as lines， edges， and various physical processes producing continuum shapes。

簡而言之，就是將各種波德頻率（聲音訊率、光譜頻段等等）資料視覺化為座標的一種分析技術。

關於聲音訊譜生成技術和軟體可參考以下連結http：//hi。baidu。com/eaglewan/blog/item/49c732e9f7fde03cb90e2dbc。html

妙用Adobe Audition 系列教程（二）：頻譜分析儀

頻譜分析儀是研究訊號頻譜特徵的儀器，在電子技術一日千里的今天，是研究、開發、除錯維修中的有力武器。現代頻譜分析儀都趨向於智慧化，虛擬儀器技術廣泛應用，有些就是以專用的計算機系統為核心設計的。其結果是結構大大簡化、效能飛速提高。當然專業的頻譜分析儀就比示波器更加昂貴了，業餘愛好者更難用上。不過不必灰心，我們可以充分利用Adobe Audition的頻譜分析功能，讓你擁有精確頻譜分析儀的美夢成真！1。 頻譜顯示模式Adobe Audition本身有一種“頻譜顯示”模式。先開啟一段波形，或用《妙用Adobe Audition：數字儲存示波器》一文介紹的方法錄製一段波形，即可進行頻譜分析。這裡我們新建一段20秒的對數掃頻訊號（本文大多選用直接建立的波形，以便了解訊號原始波形的標準頻譜特徵），然後選擇“View=>Spectral View”（檢視=>頻譜），如圖1，或點選快捷工具欄的“Toggle between Spectral and Waveform views”（切換頻譜檢視/波形檢視）按扭，即可將波形以頻譜顯示的方式顯示出來，如圖2。掃頻的頻譜顯示見圖3。

圖一

圖二

圖三

可以看到，橫軸為時間，縱軸為頻率指示。每個時刻對應的波形頻譜都被顯示出來了，可以看到掃描速度是指數增加的，即將頻率軸取對數時掃描速度是線性的。如圖中游標處18秒處頻譜指示約11KHz。實際上頻譜指示的顏色是代表頻譜能量的高低的，顏色從深藍到紅再到黃，指示譜線電平由低到高的變化。這實際上跟地圖的地形鳥瞰顯示是比較相似的，看圖4頻譜複雜變化的聲音訊譜就更容易理解這點了。

圖四

2。 頻譜分析操作“頻譜顯示”模式雖然能大致顯示出波形頻譜分佈的情況，而且能給出時間方面的特徵，但是從精確分析的角度講就難以滿足要求了，這時我們就要用到Adobe Audition的“頻譜分析”功能。開啟一段波形，例如上述的掃頻，點選“Analyze=>Show Frequency Analyze”（分析=>顯示頻譜分析）即可開啟圖5所示的頻譜分析視窗。

圖五

預設的視窗比較小，而且分析結果比較粗糙。選中“Linear View”（線性檢視）時頻率標尺是線性刻度的，這時低頻段顯示很少，不符合常規要求，可以取消選定，頻率標尺將以對數刻度顯示。左下角的選擇條可以讓你選擇“Lines”（線條）、“Area”（區域）、“Bars”（條狀）來顯示頻譜，一般選擇線條為好，否則前面的都會蓋住後面的頻譜。雖然視窗沒有“最大化”操作按扭，但我們將游標移到視窗右下角就會變成圖示的雙箭頭，這時按住滑鼠左鍵拖動，即可將視窗放大，然後點到頂端藍條拖動即可移動視窗，這樣你可以一直放大到滿螢幕。（提示：許多Windows程式都可以這樣操作）。將波形全部選中，可以執行“Scan”（掃描）操作（提示：不選中不能掃描！），將整段波形的總頻譜顯示出來。圖6就是上述掃頻的總頻譜曲線。

圖六

點選“Advanced”（高階）按扭，即可開啟幾個高階設定選項，如圖7。

圖七

在“Reference”（參考電平）欄可以填入任意值來作為參考電平。而“FFT Size”（FFT樣本數）可以設定FFT分析的樣本數值，即將每秒長度的波形分成若干份來分析。當然數值越高，頻率解析度越高，最高可以設到65536（這時可以將48 KHz取樣的波形精確到0。732 Hz的步長來分析）。濾波型別選擇視窗可以選擇五種FFT分析濾波視窗型別。不同的視窗具有不同的特性，可以參考軟體幫助檔案使用，一般我們用“Blackmann-Harris”即可。點選“Copy to Clipboard”按扭可以將頻譜分析資料複製到剪貼簿。然後你可以將它貼上到其它軟體中進行處理，例如微軟的Excel電子表格軟體就可以很好地處理。不過這時我們一般不要將“FFT Size”設得太大，否則資料量龐大，處理不便。3。 解讀頻譜分析結果你是否對上述掃頻頻譜分析結果感到迷惑不解？明明我們產生掃頻時設定的波形幅度是恆定的，為什麼分析結果卻成了隨頻率增加而衰減？要揭開這個迷團，必須對FFT頻譜分析的實質有深入的瞭解。與傳統的模擬頻譜分析儀不同，計算機FFT頻譜分析是基於“能量累積”的計算而得到的，由標準的FFT計算公式就可以看到它是一個相對於時間的積分公式。對於對數掃頻這樣頻率成分比例隨時間變化的訊號，後期分析是針對整段波形的，其結果就是譜線幅度由該頻率波形所佔時間比例來決定，因此產生上述的結果。如果掃頻是線性掃描的，結果自然就是一條水平直線。這是Adobe Audition的後期分析特點。其優點是對硬體要求低而可以慢慢分析，得出精確的分析結果。如果用實時分析，精確分析對硬體速度要求是比較高的。我們應該用“能量”的觀點來解讀分析結果。即頻譜曲線指示出一段訊號中各頻點的能量分佈情況。對此我們要有清醒的認識，否則會做出錯誤的判斷，得到錯誤的結論。特別的對於音樂訊號，高頻段所佔能量比例一般不大，卻可能出現幅度相當大的尖峰。如果是實時分析模式（即“頻譜顯示”模式的樣子，可惜精確分析時不具備該功能，要得到精確的實時分析結果，還需要用到本系列軟體的下一個更專業的軟體），對數掃頻與線性掃頻結果就是一樣的，只不過掃描速度有差別而已，跟模擬頻譜儀的等頻寬濾波分析一樣。如果各訊號成分是同時給出的，並且是均勻分佈的，例如粉紅噪聲、白噪聲、複合音、調頻訊號，實時分析與後期分析的結果就一樣了。4。 頻譜分析示例瞭解了軟體的操作技巧和分析特徵，有助於充分了解實踐中的分析結果。現在就讓我們來做幾個常見波形的頻譜分析實驗。圖8是100Hz三角波的頻譜。奇數倍的諧波幅度以-12dB/oct（每倍頻程-12dB）的斜率衰減。

圖八

圖9是100Hz方波的頻譜。奇數倍的諧波幅度以-6dB/oct（每倍頻程-6dB）的斜率衰減。

圖九

圖10為粉紅噪聲頻譜。頻率成分是連續的，以-3dB/oct（每倍頻程-3dB）的斜率衰減。

圖十

再看看調製波形的頻譜。用《妙用Adobe Audition：萬能訊號發生器》一文中介紹的方法生成基頻1000Hz、調製頻率和調製範圍50Hz的調製波形，頻譜特醞？1。這是一個調頻/調幅波形的頻譜。可以看到實際發生了基波與調製頻率的二、三次諧波調製，如果調製範圍選得大，諧波將增加很多，頻率元件的幅度對比也會發生很大變化。

圖11

圖12是過零調幅波形的頻譜。頻譜成分很純，只有基頻加減調製頻率得到的兩個值。

圖12

到這裡我們必須澄清一個問題，即標準的調頻、調幅波到底是怎樣的？為什麼上述生成的調頻、調幅波沒有給出純粹的單頻調製結果？根據電子學的相關知識，對於調頻波，是不可能產生純粹的單頻調製的，只能靠縮小調製頻寬的方法來儘量抑制諧波調製（調製頻寬與調製頻率的比值稱為調製係數，模擬調頻廣播實用中遠小於1），但結果是調製頻率與載波頻率的幅度比大幅縮小，效率降低。圖13就是將上述波形的調製範圍縮小到5Hz時的頻譜。諧波調製成分少了，但訊號/載波的比率已經降低到-24dB以下。

圖13

實際應用中，不可能為了抑制諧波調製而無限制地縮小調製範圍，因為那樣必然造成信噪比的急劇下降，結果反而更壞。因此必然是權衡、妥協和優選而得到一個折衷的方案。你肯定對調頻廣播中特有的“沙沙”噪音印象深刻吧，這很大部分就是由於存在高次諧波失真而造成的。但是對於調幅波，理論指出確實是可以產生純粹的單頻調製的。這說明我們以前產生調幅波的方法有問題。為此筆者認真反思，找到了正確的調幅波產生方法。在產生“過零調幅波”時，將第二次的調製頻率設定“DC Offset”（直流偏置）為50%至100%，然後執行“調製”選項，將得到純粹的調幅波。如圖14，波形看起來跟以前的方法產生的差不多。

圖14

但是頻譜卻有區別，見圖15，只有基頻和基頻加減調製頻率得到的兩個頻率成分。這才是真正的標準調幅波。（這時也就將軟體選項命令的涵義澄清了：“Overlap（mix）”就是“重疊混合”，不具備調幅功能，雖然用調頻波混合的方法可以產生不嚴格的調幅波；而“Modulate”才是真正的調幅命令。）

圖15

圖16是複合音的頻譜。這時實際上根本沒有發生調製，只不過是簡單的混合。這也正是測試互調失真時用複合音訊號的原因所在，本身不存在調製，才能更好地測量調製產生的失真

圖16

再看看脈衝頻譜。圖17是一個寬度為20微秒的單脈衝波形。極限放大到單取樣點顯示。

圖17

它的頻譜曲線是連續的，平直地延伸到40KHz以上，如圖18。這就是聲學測量中用短脈衝測試頻響的根據。而且它有一個非常大的優點：可以用一個時間視窗來濾除反射波，在普通環境中得到類似於消聲室的結果。

圖18

5。 頻譜對比分析如果我們想對比兩個或幾個波形的頻譜特徵，該怎麼辦呢？不必發愁，Adobe Audition為你考慮得很周到！看到頻譜分析視窗右上角的“Hold”字樣和“1、2、3、4”四個按扭了吧，它們就是為你鎖定譜線對比顯示而設計的！開啟一段波形例如上述的掃頻訊號，開啟頻譜分析視窗，點選波形視窗的一點，頻譜分析視窗馬上顯示出該點頻譜分析的結果。點選任一個“Hold”鍵，頻譜曲線將以該鍵對應的顏色鎖定。點選波形另一點，得到另一個頻譜曲線，再點選另一個“Hold”鍵，將其鎖定……這樣將四個頻譜曲線鎖定後，還能夠顯示另一條“活”的頻譜曲線。圖19是任意選定上述掃頻波形中四點頻譜曲線鎖定後並顯示另一條頻譜曲線的情況。

圖19

另外一種操作方法是鎖定一條頻譜曲線，然後開啟另外一個波形來進行頻譜分析，頻譜曲線將在同一視窗對比顯示，這樣你就可以進行多達五個頻譜 叩畝員妊芯苛恕4蚩 喔霾ㄐ味 藝 廢允酒燈錐員鵲那疤崽跫 牽核 塹娜⊙ 德時匭胂嗤 7裨蛩淙灰材芄凰 ㄆ燈濁 擼 雜Φ鈉德時瓿囈 ⑸ 浠 ザ員鵲淖夾摹M？0是包含音效卡本底噪聲、頻率響應、互調失真、總諧波失真四個頻譜曲線對比的圖例。

圖20

6。 RMAA測試訊號分析在此前RMAA測試軟體的介紹中，筆者曾提到RMAA的測試訊號特徵，其實就是根據Adobe Audition的頻譜分析結果得出的結論（當然包括軟體作者在幫助檔案中的說明），現在就讓我們一起看個究竟。將RMAA測試訊號儲存為WAV檔案，用Adobe Audition開啟，波形如圖21：

圖21

第一段為校準/同步訊號，為一段1000 Hz純音。第二段為頻響測試訊號，從波形看像白噪聲，其實並不是。頻譜分析結果如圖22：

圖22

可以看到頻譜是不連續的，各頻率間幅度關係也不平衡，這是為了接近實際的音樂平均頻譜而專門設計的。正因為如此，RMAA的頻響分析才需要用錄製訊號的頻譜與原始頻譜比較而得出頻響曲線。而如果用標準的白噪聲訊號測試，只需直接顯示錄製訊號的頻譜，因為白噪聲訊號的頻譜本身是一條水平直線，比較不比較沒有什麼差別。第三段為靜音，用來測試本底噪聲。第四段為-60dB的1000 Hz純音訊號，用來測試動態範圍。該段電平低，需要大幅放大才能看清，如圖中圓角方框內所示。第五段為0dB的1000 Hz純音訊號，用來測試總諧波失真。第六段為互調失真測試訊號，它和總諧波失真測試訊號都是可以自由設定的。圖23是軟體預設的測試訊號頻譜：

圖23

第七段為通道分離度測試訊號。看起來與頻響測試訊號一樣，實際上有區別，如圖24所示，這裡各頻率成分的幅度是一樣的。

圖24

phil0009 2009-06-23

頻譜成像，其實是分析化學常用的一種叫頻譜分析的技術中使用的。它是把物質對某波段光束的衍射圖形進行成像分析，藉以瞭解物質的組成，結構，特性等等。

後期的頻譜成像技術發展出了更加多的應用。。。不多說