式中，N为样本容量，下同。 (3) 均方值估计
(4) 方差估计
2.2频谱分析原理
时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简单波形外，很难明确提示信号的频率组成和各频率分量大小，而频谱分析能很好的解决此问题。由于从频域能获得的主要是频率信息，所以本节主要介绍频率(周期)的估计与频谱图的生成。
2.2.1 DFT与FFT
对于给定的时域信号y，可以通过Fourier变换得到频域信息Y。Y可按下式计算
式中，N为样本容量，Δt = 1/Fs为采样间隔。
采样信号的频谱是一个连续的频谱，不可能计算出所有的点的值，故采用离散Fourier变换(DFT)，即
式中，Δf = Fs/N。但上式的计算效率很低，因为有大量的指数(等价于三角函数)运算，故实际中多采用快速Fourier变换(FFT)。其原理即是将重复的三角函数算计的中间结果保存起来，以减少重复三角函数计算带来的时间浪费。由于三角函数计算的重复量相当大，故FFT能极大地提高运算效率。 2.2.2 频率、周期的估计
对于Y(kΔf)，如果当kΔf =
时，Y(kΔf)取最大值，则
为频率的估计值，
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由于采样间隔的误差，也存在误差，其误差最大为Δf / 2。周期T=1/f。
从原理上可以看出，如果在标准信号中混有噪声，用上述方法仍能够精确地估计出原标准信号的频率和周期，这个将在下一章做出验证
2.2.3 频谱图
为了直观地表示信号的频率特性，工程上常常将Fourier变换的结果用图形的方式表示，即频谱图。
以频率f为横坐标，|Y(f)|为纵坐标，可以得到幅值谱； 以频率f为横坐标，arg Y(f)为纵坐标，可以得到相位谱； 以频率f为横坐标，Re Y(f)为纵坐标，可以得到实频谱； 以频率f为横坐标，Im Y(f)为纵坐标，可以得到虚频谱。
根据采样定理，只有频率不超过Fs/2的信号才能被正确采集，即Fourier变换的结果中频率大于Fs/2的部分是不正确的部分，故不在频谱图中显示。即横坐标f ∈[0, Fs/2]
2.3. 模块划分
模块化就是把程序划分成独立命名且可独立访问的模块，每个模块完成一个子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，可以完成指定的功能满足用户需求。根据人类解决一般问题的经验，如果一个问题由两个问题组合而成，那么它的复杂程度大于分别考虑每个问题时的复杂程度之和，也就是说把复杂的问题分解成许多容易解决的小问题，原来的问题也就容易解决了。这就是模块化的根据。
在模块划分时应遵循如下规则[4] 张海藩. 软件工程. 北京：人民邮电出版社, 2002：改进软件结构提高模块独立性；模块规模应该适中；深度、宽度、扇出和扇入都应适当；模块的作用域应该在控制域之内；力争降低模块接口的复杂程度；设计单入口单出口的模块；模块功能应该可以预测。
本着上述的启发式规则，对软件进行如图 2所示的模块划分。
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图 2频谱分析仪的模块划分
3．软件实现
3.1界面设计
MATLAB是Mathworks公司推出的数学软件，它将数值分析、矩阵计算、信号处理和图形显示结合在一起，为众多学科领域提供了一种简洁、高效的编程工具。它提供的GUIDE工具为可视化编程工具，使得软件的界面设计像VB一样方便。故本文采用MATLAB作为编程语言实现声音信号频谱分析仪，以下所讲的都是在MATLAB7.0环境中。
为了实现预期的功能，设计如图 3所示的界面。
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图 3 频谱分析仪的界面设计
最上面的部分为标题区，用于显示软件标题等信息，不具人机交互功能。 再往下是信号输入区，包含3种输入方式，考虑到WAV文件可能是多声道，故提供了声道选择的界面，因为每次只能对单个声道进行分析。在信号发生器中加入了混迭选项，从而可以将产生的信号与原有的信号进行混迭。界面应该具有：只有当每个单选框被选中时才允许使用对应的输入框、按钮等；采样点数输入框在声卡与WAV文件的输入方式下作为输出，在信号发生器的输入方式下作为输入。
再往下是分析区。对于WAV文件及录音的信号，有时只对其中一部分信号进行分析，故提供了分析对象范围设定的界面。另外就是时域分析与频域分析的按钮，该软件的核心代码都在这两个按钮的回调函数中。
分析区下面是分析结果区，用于显示波形基本参数与统计量的计算结果。
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分析结果区的下面是波形显示区，用于显示时域波形，在录音结束、打开WAV文件成功或者信号发生器生成波形时会更新显示。
右边为频谱图显示区，用于显示各种频谱的谱线，在点击频域分析后会更新显示。
3.2输入模块的实现
采样频率Fs与采样点数N是声音信号输入时共同需要作用的参数，故将其独立出来。下面为别介绍三种输入方式的实现。
3.2.1 声卡输入
这里声卡输入是指由麦克风录音得到的声音信号的输入，MATLAB提供了wavrecord函数，该函数能够实现读取麦克风录音信号。以下是“开始录音”按钮的回调函数内容。
%首先获得设定的Fs值
Fs=str2double(get(findobj('Tag','samplerate'),'String')); %根据设定的录音时长进行录音，将其存入handles.y中
handles.y=wavrecord(str2double(get(handles.recordtime,'String'))*Fs, Fs,'int16');
%保存handles结构体，使得handles.y在别的函数中也能使用 guidata(hObject,handles); %在波形显示区绘出波形 plot(handles.time,handles.y); title('WAVE');
%将所采到的点的数量输出在“采样点数”中 ysize=size(handles.y)
set(handles.samplenum,'String',num2str(ysize(1)));
3.2.2 WAV文件输入
MATLAB提供了wavread函数，该函数能够方便的打开并读取WAV文件中的声音信息，并且同时读取所有声道。下面是“打开文件”按钮回调函数的部分代码。其它代码与声卡输入的类似。
%从WAV文件中读取的声音信息并临时存放到temp变量中
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