典型信号的频谱分析实验指导书

X ( f ) = + x (t )e j 2 ft dt

实验九 典型信号的频谱分析

一.

二.

实验目的

1. 在理论学习的基础上，通过本实验熟悉典型信号的频谱特征，并能够从信号频谱中读取

所需的信息。

2. 了解信号频谱分析的基本原理和方法，掌握用频谱分析提取测量信号特征的方法。

实验原理

信号频谱分析是采用傅里叶变换将时域信号 x(t)变换为频域信号 X(f)，从而帮助人们从另一

个角度来了解信号的特征。

图 1、时域分析与频域分析的关系

信号频谱 X(f)代表了信号在不同频率分量成分的大小，能够提供比时域信号波形更直观，丰 富的信息。时域信号 x(t)的傅氏变换为：

+

式中 X(f)为信号的频域表示，x(t)为信号的时域表示，f 为频率。

工程上习惯将计算结果用图形方式表示， 以频率f 为横坐标，X(f)的实部

a ( f ) 和虚部

b ( f ) 为纵坐标画图，称为时频－虚频谱图； 以频率f 为横坐标，X(f)的幅值 A ( f ) 和相位 ∏ ( f ) 为纵坐标画图，则称为幅值－相位谱；

以f 为横坐标，A(f) 2为纵坐标画图，则称为功 率谱，如图所示。

频谱是构成信号的各频率分量的集合，它 完整地表示了信号的频率结构，即信号由哪些

(1)

谐波组成，各谐波分量的幅值大小及初始相 位，揭示了信号的频率信息。

图 2、信号的频谱表示方法

三.

四.

实验内容

1.白噪声信号幅值谱特性

2.正弦波信号幅值谱特性

3.方波信号幅值谱特性

4.三角波信号幅值谱特性

5.正弦波信号＋白噪声信号幅值谱特性

实验仪器和设备

1.计算机

2. DRVI快速可重组虚拟仪器平台

3.打印机

1台

1套

1台

五. 实验步骤

1.运行DRVI主程序，点击DRVI快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的“DRVI

采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。

2.在DRVI软件平台的地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，在实验目录中选择“典

型信号频谱分析”，建立实验环境。

图5典型信号的频谱分析实验环境

下面是该实验的装配图和信号流图，图中的线上的数字为连接软件芯片的软件总线数据线号，6017、6018为两个被驱动的信号发生器的名字。

图6典型信号的频谱分析实验装配图

3.从信号图观察典型信号波形与频谱的关系，从谱图中解读信号中携带的频率信息。

六.

七.

实验报告要求

1.简述实验目的和原理。

2.拷贝实验系统运行界面，插入到Word格式的实验报告中，用Winzip压缩后通过Email

上交实验报告。

工程案例模拟应用实验

频谱分析可用于识别信号中的周期分量，是信号分析中最常用的一种手段。例如，在机床

齿轮箱故障诊断中，可以通过测量齿轮箱上的振动信号，进行频谱分析，确定最大频率分量，然

后根据机床转速和传动链，找出故障齿轮。

图7是DRVI中集成的一个大型空气压缩机传动装置故障诊断案例示意图。在DRVI软件平台的地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地址，在实验目录中选择“减速箱仿真实验”，建

立仿真实验环境。

图7大型空气压缩机传动装置故障诊断

对实验进行修改，添加频谱分析功能，然后对减速箱上测得的振动信号波形进行频谱分析，

并从其频谱判断出电机转速和那一根传动轴是主要的振动源。

八. 趣味应用实验

1、音乐信号频谱分析

在DRVI中集成了一个MP3播放器芯片，可以播放音乐，同时将音乐的波形数

据导入到DRVI中。在DRVI软件平台的地址信息栏中输入WEB版实验指导书的地

址，在实验目录中选择“MP3播放器音乐信号分析实验”，建立仿真实验环境。

从网上下载小提琴、小号等不同乐器演奏的音乐，以及歌曲等MP3格式的音频

文件，用DRVI内嵌的MP3播放器播放，观察不同音乐的频谱差异，加深对信号频谱

的理解。

调整MP3播放器上的均衡器的位置，聆听音乐的变化，并同时注意观察信号波形、频谱的

变化。

图8音乐信号频谱分析

2、简易电子琴设计

用 DRVI 中的信号发生器芯片产生不同频率的正弦波，然后从声卡输出，设计一个简单的模

拟电子琴(各音阶对应的频率分别为:131, 147, 165, 175, 196, 220, 247, 262, 294, 330, 349, 392, 440, 494, 523Hz)，观察信号波形和频谱的关系。如下图所示。

图9模拟电子琴设计参考图

九. 思考题

1.与波形分析相比，频谱分析的主要优点是？

2.为何白噪声信号对信号的波形干扰很大，但对信号的频谱影响很小。

3.在DRVI快速可重组平台上面搭建一个“频谱分析仪”需要采用那些软件芯片，它们相

互之间的关系怎样？