什么叫频谱成像
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发布时间：2022-04-22 02:54
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时间：2023-09-23 14:46
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 procere 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 procing continuum shapes.
简而言之，就是将各种波德频率(声音频率、光谱频段等等)数据视觉化为坐标的一种分析技术。
关于声音频谱生成技术和软件可参考以下链接http://hi.baidu.com/eaglewan/blog/item/49c732e9f7fde03cb90e2dbc.html
妙用Adobe Audition 系列教程（二）：频谱分析仪
频谱分析仪是研究信号频谱特征的仪器，在电子技术一日千里的今天，是研究、开发、调试维修中的有力武器。现代频谱分析仪都趋向于智能化，虚拟仪器技术广泛应用，有些就是以专用的计算机系统为核心设计的。其结果是结构大大简化、性能飞速提高。当然专业的频谱分析仪就比示波器更加昂贵了，业余爱好者更难用上。不过不必灰心，我们可以充分利用Adobe Audition的频谱分析功能，让你拥有精确频谱分析仪的美梦成真！1. 频谱显示模式Adobe Audition本身有一种“频谱显示”模式。先打开一段波形，或用《妙用Adobe Audition：数字存储示波器》一文介绍的方法录制一段波形，即可进行频谱分析。这里我们新建一段20秒的对数扫频信号（本文大多选用直接建立的波形，以便了解信号原始波形的标准频谱特征），然后选择“View=>Spectral View”（视图=>频谱），如图1，或点击快捷工具栏的“Toggle between Spectral and Waveform views”（切换频谱视图/波形视图）按扭，即可将波形以频谱显示的方式显示出来，如图2。扫频的频谱显示见图3。
图一
图二
图三
可以看到，横轴为时间，纵轴为频率指示。每个时刻对应的波形频谱都被显示出来了，可以看到扫描速度是指数增加的，即将频率轴取对数时扫描速度是线性的。如图中光标处18秒处频谱指示约11KHz。实际上频谱指示的颜色是代表频谱能量的高低的，颜色从深蓝到红再到黄，指示谱线电平由低到高的变化。这实际上跟地图的地形鸟瞰显示是比较相似的，看图4频谱复杂变化的声音频谱就更容易理解这点了。
图四
2. 频谱分析操作“频谱显示”模式虽然能大致显示出波形频谱分布的情况，而且能给出时间方面的特征，但是从精确分析的角度讲就难以满足要求了，这时我们就要用到Adobe Audition的“频谱分析”功能。打开一段波形，例如上述的扫频，点选“Analyze=>Show Frequency Analyze”（分析=>显示频谱分析）即可打开图5所示的频谱分析窗口。
图五
默认的窗口比较小，而且分析结果比较粗糙。选中“Linear View”（线性视图）时频率标尺是线性刻度的，这时低频段显示很少，不符合常规要求，可以取消选定，频率标尺将以对数刻度显示。左下角的选择条可以让你选择“Lines”（线条）、“Area”（区域）、“Bars”（条状）来显示频谱，一般选择线条为好，否则前面的都会盖住后面的频谱。虽然窗口没有“最大化”操作按扭，但我们将光标移到窗口右下角就会变成图示的双箭头，这时按住鼠标左键拖动，即可将窗口放大，然后点到顶端蓝条拖动即可移动窗口，这样你可以一直放大到满屏幕。（提示：许多Windows程序都可以这样操作）。将波形全部选中，可以执行“Scan”（扫描）操作（提示：不选中不能扫描！），将整段波形的总频谱显示出来。图6就是上述扫频的总频谱曲线。
图六
点击“Advanced”（高级）按扭，即可打开几个高级设置选项，如图7。
图七
在“Reference”（参考电平）栏可以填入任意值来作为参考电平。而“FFT Size”（FFT样本数）可以设置FFT分析的样本数值，即将每秒长度的波形分成若干份来分析。当然数值越高，频率分辨率越高，最高可以设到65536（这时可以将48 KHz取样的波形精确到0.732 Hz的步长来分析）。滤波类型选择窗口可以选择五种FFT分析滤波窗口类型。不同的窗口具有不同的特性，可以参考软件帮助文件使用，一般我们用“Blackmann-Harris”即可。点击“Copy to Clipboard”按扭可以将频谱分析数据拷贝到剪贴板。然后你可以将它粘贴到其它软件中进行处理，例如微软的Excel电子表格软件就可以很好地处理。不过这时我们一般不要将“FFT Size”设得太大，否则数据量庞大，处理不便。3. 解读频谱分析结果你是否对上述扫频频谱分析结果感到迷惑不解？明明我们产生扫频时设定的波形幅度是恒定的，为什么分析结果却成了随频率增加而衰减？要揭开这个迷团，必须对FFT频谱分析的实质有深入的了解。与传统的模拟频谱分析仪不同，计算机FFT频谱分析是基于“能量累积”的计算而得到的，由标准的FFT计算公式就可以看到它是一个相对于时间的积分公式。对于对数扫频这样频率成分比例随时间变化的信号，后期分析是针对整段波形的，其结果就是谱线幅度由该频率波形所占时间比例来决定，因此产生上述的结果。如果扫频是线性扫描的，结果自然就是一条水平直线。这是Adobe Audition的后期分析特点。其优点是对硬件要求低而可以慢慢分析，得出精确的分析结果。如果用实时分析，精确分析对硬件速度要求是比较高的。我们应该用“能量”的观点来解读分析结果。即频谱曲线指示出一段信号中各频点的能量分布情况。对此我们要有清醒的认识，否则会做出错误的判断，得到错误的结论。特别的对于音乐信号，高频段所占能量比例一般不大，却可能出现幅度相当大的尖峰。如果是实时分析模式（即“频谱显示”模式的样子，可惜精确分析时不具备该功能，要得到精确的实时分析结果，还需要用到本系列软件的下一个更专业的软件），对数扫频与线性扫频结果就是一样的，只不过扫描速度有差别而已，跟模拟频谱仪的等带宽滤波分析一样。如果各信号成分是同时给出的，并且是均匀分布的，例如粉红噪声、白噪声、复合音、调频信号，实时分析与后期分析的结果就一样了。4. 频谱分析示例了解了软件的操作技巧和分析特征，有助于充分了解实践中的分析结果。现在就让我们来做几个常见波形的频谱分析实验。图8是100Hz三角波的频谱。奇数倍的谐波幅度以-12dB/oct（每倍频程-12dB）的斜率衰减。
图八
图9是100Hz方波的频谱。奇数倍的谐波幅度以-6dB/oct（每倍频程-6dB）的斜率衰减。
图九
图10为粉红噪声频谱。频率成分是连续的，以-3dB/oct（每倍频程-3dB）的斜率衰减。
图十
再看看调制波形的频谱。用《妙用Adobe Audition：万能信号发生器》一文中介绍的方法生成基频1000Hz、调制频率和调制范围50Hz的调制波形，频谱特酝?1。这是一个调频/调幅波形的频谱。可以看到实际发生了基波与调制频率的二、三次谐波调制，如果调制范围选得大，谐波将增加很多，频率组件的幅度对比也会发生很大变化。
图11
图12是过零调幅波形的频谱。频谱成分很纯，只有基频加减调制频率得到的两个值。
图12
到这里我们必须澄清一个问题，即标准的调频、调幅波到底是怎样的？为什么上述生成的调频、调幅波没有给出纯粹的单频调制结果？根据电子学的相关知识，对于调频波，是不可能产生纯粹的单频调制的，只能靠缩小调制带宽的方法来尽量抑制谐波调制（调制带宽与调制频率的比值称为调制系数，模拟调频广播实用中远小于1），但结果是调制频率与载波频率的幅度比大幅缩小，效率降低。图13就是将上述波形的调制范围缩小到5Hz时的频谱。谐波调制成分少了，但信号/载波的比率已经降低到-24dB以下。
图13
实际应用中，不可能为了抑制谐波调制而无*地缩小调制范围，因为那样必然造成信噪比的急剧下降，结果反而更坏。因此必然是权衡、妥协和优选而得到一个折衷的方案。你肯定对调频广播中特有的“沙沙”噪音印象深刻吧，这很大部分就是由于存在高次谐波失真而造成的。但是对于调幅波，理论指出确实是可以产生纯粹的单频调制的。这说明我们以前产生调幅波的方法有问题。为此笔者认真反思，找到了正确的调幅波产生方法。在产生“过零调幅波”时，将第二次的调制频率设定“DC Offset”（直流偏置）为50%至100%，然后执行“调制”选项，将得到纯粹的调幅波。如图14，波形看起来跟以前的方法产生的差不多。
图14
但是频谱却有区别，见图15，只有基频和基频加减调制频率得到的两个频率成分。这才是真正的标准调幅波。（这时也就将软件选项命令的涵义澄清了：“Overlap(mix)”就是“重叠混合”，不具备调幅功能，虽然用调频波混合的方法可以产生不严格的调幅波；而“Molate”才是真正的调幅命令。）
图15
图16是复合音的频谱。这时实际上根本没有发生调制，只不过是简单的混合。这也正是测试互调失真时用复合音信号的原因所在，本身不存在调制，才能更好地测量调制产生的失真
图16
再看看脉冲频谱。图17是一个宽度为20微秒的单脉冲波形。极限放大到单取样点显示。
图17
它的频谱曲线是连续的，平直地延伸到40KHz以上，如图18。这就是声学测量中用短脉冲测试频响的根据。而且它有一个非常大的优点：可以用一个时间窗口来滤除反射波，在普通环境中得到类似于消声室的结果。
图18
5. 频谱对比分析如果我们想对比两个或几个波形的频谱特征，该怎么办呢？不必发愁，Adobe Audition为你考虑得很周到！看到频谱分析窗口右上角的“Hold”字样和“1、2、3、4”四个按扭了吧，它们就是为你锁定谱线对比显示而设计的！打开一段波形例如上述的扫频信号，打开频谱分析窗口，点击波形窗口的一点，频谱分析窗口马上显示出该点频谱分析的结果。点击任一个“Hold”键，频谱曲线将以该键对应的颜色锁定。点击波形另一点，得到另一个频谱曲线，再点击另一个“Hold”键，将其锁定……这样将四个频谱曲线锁定后，还能够显示另一条“活”的频谱曲线。图19是任意选定上述扫频波形中四点频谱曲线锁定后并显示另一条频谱曲线的情况。
图19
另外一种操作方法是锁定一条频谱曲线，然后打开另外一个波形来进行频谱分析，频谱曲线将在同一窗口对比显示，这样你就可以进行多达五个频谱 叩亩员妊芯苛恕4蚩 喔霾ㄐ味 艺 废允酒灯锥员鹊那疤崽跫 牵核 堑娜⊙ 德时匦胂嗤 7裨蛩淙灰材芄凰 ㄆ灯浊 撸 杂Φ钠德时瓿呓 ⑸ 浠 ザ员鹊淖夹摹M?0是包含声卡本底噪声、频率响应、互调失真、总谐波失真四个频谱曲线对比的图例。
图20
6. RMAA测试信号分析在此前RMAA测试软件的介绍中，笔者曾提到RMAA的测试信号特征，其实就是根据Adobe Audition的频谱分析结果得出的结论（当然包括软件作者在帮助文件中的说明），现在就让我们一起看个究竟。将RMAA测试信号保存为WAV文件，用Adobe Audition打开，波形如图21：
图21
第一段为校准/同步信号，为一段1000 Hz纯音。第二段为频响测试信号，从波形看像白噪声，其实并不是。频谱分析结果如图22：
图22
可以看到频谱是不连续的，各频率间幅度关系也不平衡，这是为了接近实际的音乐平均频谱而专门设计的。正因为如此，RMAA的频响分析才需要用录制信号的频谱与原始频谱比较而得出频响曲线。而如果用标准的白噪声信号测试，只需直接显示录制信号的频谱，因为白噪声信号的频谱本身是一条水平直线，比较不比较没有什么差别。第三段为静音，用来测试本底噪声。第四段为-60dB的1000 Hz纯音信号，用来测试动态范围。该段电平低，需要大幅放大才能看清，如图中圆角方框内所示。第五段为0dB的1000 Hz纯音信号，用来测试总谐波失真。第六段为互调失真测试信号，它和总谐波失真测试信号都是可以自由设定的。图23是软件默认的测试信号频谱：
图23
第七段为通道分离度测试信号。看起来与频响测试信号一样，实际上有区别，如图24所示，这里各频率成分的幅度是一样的。
图24
参考资料：http://hi.baidu.com/eaglewan/blog/item/49c732e9f7fde03cb90e2dbc.html, 维基百科
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时间：2023-09-23 14:46
后期的频谱成像技术发展出了更加多的应用...不多说
