1、软件频谱分析仪 SpectraLAB 实战指南作者：1简介音频工作者对频谱分析仪一定不陌生，这是一种用来对被测信号进行频率及频谱分析的重要测量仪器，广泛应用于电声测量、音频制作 4、信号分析乃至振动测试等领域。随着数字技术的飞速发展，这种复杂仪器已经可以在一台普通的多媒体计算机上用软件来实现，这就是本文所要介绍的软件频谱分析仪 SpectraLAB。首先让我们来看看 SpectraLAB 的主界面（如图一所示）。图一：SpectraLAB 的主界面SpectraLAB 的基本工作原理是对所测量的音频信号进行 FFT 变换（Fast Fourier Transform，即快速傅立叶变换），把时域
2、信号转变为频域信号，此基础上可以进行各种分析。当然，模拟音频信号先要从声卡的 MIC 端口或 LINE IN 端口输入，在声卡内完成数模转换，变成数字音频信号以后，才能被计算机系统处理。SpectraLAB 的用途非常广泛，它可以对音频信号进行复杂的分析，实时显示出音频信号的时域图，频谱图，相位图，彩色声谱图，以及 3D 频谱图，并可以实时计算出峰值振幅、峰值频率、谐波失真、互调失真、信噪比等声频参数。SpectraLAB 软件还有音频信号发生器的功能，可以产生白噪声、粉红噪声、扫频信号、三角波、方波、锯齿波等声学测量中常用的信号。有人可能会觉得，用软件来作为测量仪器，能行吗？反应速度跟得上吗
3、？性能怎么样？其实所有这样的担心都是多余的，SpectraLAB 的性能相当不错，实时响应速度非常快，功能很强大。与硬件设备相比，它还具有独到的优点：操作、显示界面友好，帮助文件很详尽，可以把测量结果保存下来，还能显示三维频谱图。2对系统的要求：SpectraLAB 对系统的要求不高，最低要求是：硬件：IBM PC 或兼容机 80386 DX CPU 或更高 (推荐至少用 486DX）最少 8 MB 内存256 色以上 VGA 彩显最少 4MB 硬盘空间16 位声卡软件：Windows95/98 或 Windows 3.1 + Win32s，或 WindowsNT3快速熟悉 SpectraLA
4、B3.1 工作模式的选择使用 SpectraLAB 之前要先选择它的工作模式，在顶部菜单 Mode 一栏中选择，如图二所示。图二共有三种工作模式，用途分别是：实时模式：（菜单 Mode/Real Time）在输入信号的同时进行实时测量，信号既可以是来自声卡外部的模拟音频信号，也可以是计算机内部正在播放的音频流。录音模式：（菜单 Mode/Recorder），这时候的频谱仪相当于一台录音机，可以边录音边实时测量，并把录制的音频信号保存下来。后处理模式：（菜单 Mode/Post Process）用于对已有的音频波形文件进行分析。3.2 选择显示界面在软件上端的 View 菜单中可以选择显示界面。
5、共有五种显示界面，分别是：1Time Series：时间序列，显示音频信号的时域波形曲线，即振幅时间曲线，相当于示波器的显示屏。图三所示为白噪声信号的时域波形。图三：白噪声信号的波形2Spectrum：频谱，显示音频信号的频谱曲线，即振幅频率曲线，图四所示为 1kHz 音频信号的频谱曲线，从图中可以清楚地观察到 1kHz 基音及其高次谐波的相对振幅。图四 1kHz 音频信号的频谱曲线3Phase：相位，显示音频信号的相位相位，即相位频率曲线，可用于比较两个通道信号的相位差。如图五所示。图五 双通道信号的相位比较4Spectrogram：彩色声谱图，即频率时间曲线，显示音频信号随时间变化的频谱构
6、成，并以不同的颜色来表示振幅。图六所示为 1kHz 锯齿波信号的彩色声谱图。图六 1kHz 锯齿波信号的彩色声谱图53D Surface：三维表面，显示音频信号的三维频谱曲面图，即频率时间振幅曲面，相当于在二维频谱曲线上再加上一条时间轴。图七所示为 1kHz 锯齿波信号的三维频谱图。图七 1kHz 锯齿波信号的三维频谱图3.3 选择待测参数SpectraLAB 可以根据测试的音频信号实时计算出信号或电声器件的各种指标。在顶端的Utilities 菜单内选择参数（如图八所示），就会弹出相应的小窗口，显示出相应的指标来。图八：选择待测的指标各参数含义如下：1. Peak Frequency：峰值频
7、率，即整个信号频谱中最强成分的频率。 图九：峰值频率1. Peak Amplitude：峰值振幅，即整个信号频谱中最强成分的振幅。 图十：峰值振幅2. Total Power：总功率，即整个信号的总均方根功率。 图十一：总均方根功率3. Total Harmonic Distortion (THD)：被测电声设备的总谐波失真。 图十二：总谐波失真4. Total Harmonic Distortion + Noise (THD+N)：被测电声设备的总谐波失真噪声，这个值总是要大于 THD。 图十三：总谐波失真噪声5. Intermodulation Distortion (IMD)：被测电声设
8、备的互调失真。 图十四：互调失真6. Signal to Noise Ratio (SNR)：被测电声设备的信噪比。 图十五：信噪比7. Delay Finder：用于计算左右两通道之间的延时。当该项被选中时，会弹出如图十六所示的窗口，显示两个通道间的延时量。 图十六：两通道间的延时显然，由于所有被测信号都要先通过声卡，所以声卡的档次也就决定了您这台“频谱分析仪”的精度和级别。当然，声卡本身的电声指标也可以用这台频谱分析仪测出来。3.4 信号发生器SpectraLAB 本身包含有信号发生器的功能，用来产生各种测试信号。按下 F11 键，弹出信号发生器窗口如图十七所示：图十七：信号发生器在下拉列
9、表框中可以选择各种测试信号，点击 Run 键就会发出信号声。点击 Details 键可以设置测试信号的各种细节，点击 Level 键设置信号的幅度。4 软件设置在软件顶端的 Options 菜单下可以找到软件的各种设置选项，如显示界面、刻度等，可以根据需要设置。Options 菜单分两部分，上半部分用来设置软件频谱仪的整体参数，下半部分用来设置各显示窗口的显示参数。您并没有必要去了解所有的设置项的含义，但下面介绍的一些选项很重要，最好对它们的意义有所了解。请按下 F4 键，或者选择菜单命令 OptionsSettings，会弹出如图十八所示的设置窗口：图十八：设置窗口左上方的“Frequenc
10、y Range and Resolution”一栏用来设置信号的采样频率和 FFT 点数，这两项参数决定了频谱分析的分辨率：分辨率采样频率/FFT 点数。例如，采样频率为44100Hz，FFT 点数为 1024，则频谱分辨率为 43Hz 左右。在采样频率一定的情况下，如果要提高分辨率，就要加大 FFT 点数。但要注意，如果 FFT 点数过大的话，频谱仪的实时性会变差。FFT点数的缺省值为 1024 点。采样频率可根据声卡来设置。如果您不知道声卡采样频率的范围，在 Sampling Rate 一栏里填入-1，然后按 OK 键，则会弹出下面的消息窗口，上面显示出您的声卡的采样频率范围（图十九）：图
11、十九：声卡的采样频率范围在 1102544100Hz如果需要降低信号的采样频率，可以通过设置 Decimation Ratio 一栏来实现。例如，您的声卡支持的最低采样频率是 11025Hz，把 Decimation Ratio 设置为 10，则采样频率将降为1102.5Hz。降低采样频率有什么用呢？在某些测试中，例如对机械设备的振动测试，由于被测信号的频率很低，用不了太高的采样频率（根据采样定理，采样频率只需大于被测信号最高频率的两倍即可），这时就可以降低采样频率，这样在 FFT 点数相同的情况下可以提高频谱分析的分辨率。在设置窗口右上方的 Sampling Format 一栏，可以设置采样
12、精度以及单/双通道。在某些项目的测试中，例如双通路的相位比较、计算延迟等测试中，必须设置为双通道，这是要注意的。5应用实例下面介绍一个用软件频谱仪 SpectraLAB 实时测量音频设备传输函数的实例。音频设备的传输函数可以反映出设备总的频率和相位响应。设备连接图如图二十所示：图二十：音频设备的传输函数测试图中，信号发生器产生的信号分为两路，一路直接送到声卡的右通道线路输入，一路经过待测设备以后再送入声卡的左通道线路输入。在频谱分析仪的 Spectrum 和 Phase 两个窗口可以观察到待测设备的频率响应和相位响应。具体的测试步骤为：1. 设置软件频谱仪为实时模式（Real-Time） 2.
13、 按下 F11 键，打开信号发生器，选择扫频正弦信号（Freq Sweep），并按下 Detail 键，设置起始频率为 20Hz，终止频率为 20kHz，其他参数如图二十一所示。 图二十一：设置扫频信号1. 把扫频信号接到待测设备的输入端。 2. 把待测设备的输出端接到频谱分析仪的左通道输入（即声卡的线路输入）。 3. 把信号发生器的扫频正弦信号直接接到频谱分析仪的右通道输入。 4. 按下 F4 键，如图二十一设置软件参数，然后按 OK 键。 图二十一：软件参数设置5. 在 View 菜单下打开 Spectrum 和 Phase 两个窗口。 6. 点击主界面上的 Run 键，您将听到从低频到高
14、频的扫频信号，并可以在 Spectrum 和Phase 窗口中观察到频率和相位响应曲线。用鼠标在图中任意位置点击，并上下左右移动，即可得到曲线上任意点的精确数值。如图二十二所示。 图二十二：设备传输函数显示（上图为相位响应，下图为频率响应）7. 您也可以在任意窗口上单击鼠标右键，在浮动菜单上选择 View Data Values，会弹出一个窗口，显示出响应曲线的数值表。如图二十三所示。 图二十三：相位响应曲线的数值表8. 在显示窗口中单击鼠标右键，选择 Copy As Text，可以把曲线的数值列表拷贝到剪贴板；选择 Copy As Bitmap，可以把曲线图以位图拷贝到剪贴板，这样您就可以分析详细的测试数据，或者把曲线图复制到别的文档里编辑了。 软件频谱分析仪 SpectraLAB 的用途还有很多，由于篇幅所限，这里不可能再详细介绍了，您如果有兴趣，可以参阅有关的电声测量技术文献。在 SpectraLAB 的帮助文档里，也列举了相当丰富的应用实例，非常值得一看。
