SHOW多通道波形分析软件的使用方法分析.docx
《SHOW多通道波形分析软件的使用方法分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《SHOW多通道波形分析软件的使用方法分析.docx（41页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
SHOW多通道波形分析软件的使用方法分析
多通道多功能波形分析软件
（SHOW）
使用说明书
西北工业大学航海学院
水下信息和通信技术研究团队
2016.12
目录
1.支持文件格式1
2.配置文件说明2
2.1配置文件show.ini2
2.2配置文件showPSD.ini3
2.3文件备注信息descript.ion3
3.软件使用说明及应用样例4
3.1软件启动方法4
3.2内置功能键4
（1）光标读数功能（A）6
（2）波束扫描功能（B）7
（3）连续滚动显示波形（C）9
（4）当前图形网格打开/关闭（D）10
（5）MATLAB图形切换功能（F）11
（6）指定起点及数据长度显示波形（J）12
（7）播放数据（L）16
（8）功率谱分析（P）17
（9）互功率谱分析（R）17
（10）互相关分析（r）18
3.3用户自定义功能键19
（1）脉冲半高宽底宽计算（E）19
（2）波形全局信息显示功能（G）20
（3）计算当前数据的声源级或标准差（S）21
（4）搜索同步头、估计多径信息（N）22
4.典型应用24
4.1噪声级的读取24
（1）现场配置参数计算噪声级24
（2）利用配置文件show.ini快速计算噪声级26
（3）功率谱分析方法读取噪声级27
5.版本说明28
（1）Ver1.0028
（2）Ver1.01，2013.7.13于抚仙湖28
（3）Ver1.02，2013.7.3029
（4）Ver1.03，2016.7.2429
多通道多功能波形分析软件（以下简称show软件）用于观察各种数采系统采集的数据，并将波形显示、光标读数、功率谱分析、波束形成等功能整合为一体，首次为广大信号处理研究人员提供了MATLAB环境中方便实用的波形分析工具。
1.支持文件格式
show软件支持多种采集系统的数据格式，软件通过文件扩展名来确定格式。
目前支持的数据格式见表1：
表1show软件支持的数据文件格式
扩展名
对应的采集系统
可导出
BIN
SonySIR-1000磁带机导出的二进制数据文件，采样配置保存在同名的.LOG文件中
√
INT
Presys4000采集系统生成的、课题组自定义的二进制格式文件
√
R32
715所采集系统
MEM
日置Hioki采集系统的数据记录文件
FFT
日置Hioki采集系统的FFT分析文件
WAV
Windows操作系统中标准的声音波形（wave）文件
√
mp3，wma，m4a，mp4
MP3、m4a、.mp4等有损音频压缩文件
oog，flac
oog，flac等无损音频压缩文件
ISF
Tek示波器保存的MathCAD格式数据文件
CSV
Tek3000系列示波器、Agilent示波器、普源示波器、鼎阳示波器生成的CSV波形文件
LVM
NI公司采集软件保存的LVM二进制格式数据文件。
（未充分测试，只在文件长度为40056时使用，采样频率fs为强制设定）
TDM
TDMS
NI公司采集软件保存的TDM系列数据文件，采样频率手工设定为50kHz。
SDY
秦皇岛应用电子技术研究所的SDY2400数据采集系统保存的数据文件（原无扩展名，手工改为.sdy）
ARB
读取Agilent33500任意信号发生器保存、导入的.arb波形文件
MAT
Matlab保存的数据文件，要求文件包含两个变量：
采样频率fs、数据矩阵x；
也支持LTT数据采集仪软件转存的.mat文件。
WFM
北京普源Rigol示波器保存的.wfm文件
CON
LTT数据采集仪保存的文件，参数文件扩展名为CON，数据文件扩展名可以为.IO或.I16
RAF
北京普源Rigol信号源的.RAF任意波形文件
DAT
BK公司的数据采集系统保存的数据文件；
无文件头的二进制格式数据文件（浮点或整形），如CCS开发环境保存的.dat
PRN
FPGA调试平台Chipscope保存的PRN格式数据文件
HEX
中科院声学所自容式水听器保存的.HEX格式数据文件
还有一些文件的格式不适合show软件进行快速读取和分析，应通过格式转换软件将其转换为上述格式，方可被show软件读取。
有时候为了把每通道一个独立文件的多通道数据合并成一个文件，也可通过转换程序来实现。
目前支持的可转换数据格式见表2：
表2不规则数据转换软件
原始文件
扩展名
转换软件
输出文件
扩展名
说明
ISF
ISF2INT
INT
INT文件每一点数据用2字节的有符号整数表示，取值在-2047~2047），文件大小可缩减到40%以下，并可把多个ISF文件合并成一个INT文件。
*
DAT2INT
INT
将普通的二进制16bit整型数据文件，转换为INT文件，需要指定通道数、采样频率等信息。
SCT
SCT2INT
INT
把DSP内记数据sct文件转换为INT文件，自动去除FLASH内存中的坏块。
2.配置文件说明
show软件可以通过配置文件设置分析数据时的条件参数，配置文件包括show.ini与showPSD.ini两个，前者是通用配置文件，后者是在特殊情况下配合前者在标定声源的声源级或谱级时使用的。
2.1配置文件show.ini
show软件可以从配置文件show.ini读取波束形成、功率谱分析所需的一些参数，该配置文件的格式如下：
第1行是阵元坐标，单位为米，空格或逗号分割；
第2行是阵元数据在数据文件中存放的通道序号；
第3行是分析信号所用的频段范围，给出最低频率和最高频率。
如果最低频率<=0则频率范围等同于功率谱分析的频率范围。
这个参数会影响功率谱分析的显示频段范围和宽带波束形成所用的频率范围；
第4行指出在哪些方向形成波束。
第5行是功率谱分析时FFT的长度，如果小于16，则默认FFT长度与当前波形显示长度相同；如果FFT长度被强制设定得比波形长度大，系统会自动补零，相当于在功率谱上内插；如果FFT长度被强制设定得比波形长度小，系统会对数据进行分段平均，功率谱的稳定性会增强。
第6行以后是各通道物理量及转换系数的配置，每行格式如下：
XXX转换系数（YYY）=ZZZ
其中，XXX是该通道采集信号的物理量名称，如声压；YYY是该量的单位，如MPa，“=”后面的是采集到的电压值转换为该物理量时的转换系数，单位是YYY/V,不必在文件中写出。
以-205dB的标准水听器为例，其输出量的单位应该是uPa，这样才能在功率谱中显示绝对的谱级，假设标准水听器所接放大器的放大倍数是1000，则该标听的转换系数为：
10^（205/20）/1000=1.778e7。
如果要连续标定声源的声源级或谱级，还需要考虑收发距离，例如：
离声源10米处放置标准水听器时，其灵敏度应为1.778e8。
为了进一步方便用户，新版本允许ZZZ为一个matlab的表达式，例如：
10^（205/20）/1000*10。
注意：
如果传感器灵敏度在通带内不平坦，应该通过配置showPSD.ini来实现。
两种配置文件一般不要同时使用，如果要同时使用，需要相互配合，如show.ini中的转换系数单位是MPa/V，则showPSD.ini的灵敏度应为dB@uPa/MPa，是一固定常数240。
下面是一个show.ini文件的例子。
阵元坐标（米）=0.0000.0670.1340.2010.2680.5580.6250.6920.7590.826
数据通道=1:
10
分析频带（Hz）=3000,10000
波束形成角度范围（°）=-60:
0.5:
60
功率谱分析长度（0表示当前波形长度）=2048
压力转换系数（MPa）PCB=6.95
标准水听器转换系数（uPa）=1.778e7
电流转换系数（KA）分压电阻=50
放电电压转换系数（KV）分压电阻=1
电容电压转换系数（KV）分压电阻=1
2.2配置文件showPSD.ini
配置文件showPSD.ini用于给出各传感器的幅频响应起伏情况，以便修正功率谱。
需要指出的是，如果传感器在所关心的频段内幅频响应比较平坦，就不需要修正，只需要在show.ini中指定“转换系数”即可。
标准水听器就是这种情况。
如果传感器在所关心的频段内幅频响应起伏较大，则需要在MATLAB当前的工作目录编制一个showPSD.ini文件。
文件中每类传感器用三行数据来表示，第一行指明这类传感器所在的通道号（多个通道用逗号分割）和功率谱的单位（放在行尾，用小括号分隔）；第二行是幅频特性标定的频点，单位Hz；第三行是各频点对应的幅频响应，单位dB。
显然第二、第三行的数目应该相等。
修正功率谱时程序会根据标定频点自动线性内插出所需频点的幅度响应。
下面是一个showPSD.ini文件的例子：
1:
6,9（A/m）
1,2,5,10,20,50,100,200,500
61.4,57.3,48.5,43.1,37.2,28.8,23.4,17.5,10.4
7,8,10（dBV/m）
10000,20000,30000,40000,50000
95.9,89.8,86.3,83.8,81.9
2.3文件备注信息descript.ion
文件夹中的隐含文件descript.ion是许多常用软件用来保存该文件夹下其它文件的备注信息的，如ACDSee、XnView、TotalCommander等。
在TotalCMD中选中某文件，按Ctrl-Z快捷键可以写入文件备注信息，这样在鼠标移动到该文件上方时就会显示这些备注信息。
SHOW软件也可以读取这些文件备注信息，在首次读入一个数据文件时把备注信息显示在曲线的图题中。
因此建议把实验条件等信息添加到文件备注中，便于分析。
3.软件使用说明及应用样例
3.1软件启动方法
show软件有多种启动方法，可以在MATLAB的命令行窗口中输入下列命令之一，从而以不同的方式启动show软件，其启动方法总结于表3。
表3show软件启动方法
启动方式
启动命令
补充说明
从对话框中选择数据文件
show
指定数据文件，默认显示1秒钟的数据
show（‘x.mem’）
指定数据文件，并指定显示长度和起点（默认显示所有通道）
show（‘x.mem’,3）
长度不大于50时默认单位为秒，这里表示一次显示3秒钟的数据
show（‘x.mem’,300）
长度大于50时默认单位为点，这里表示一次显示300点的数据
show（‘x.mem’,[3,23.567]）
第二个参数可以给作一个向量，其第一个值表示每次显示的长度；第二个值表示显示的起点，大于50且为整数则认为单位是数据点，否则认为单位是秒。
本例的含义：
从23.567秒开始显示3秒钟的数据。
指定数据文件和显示长度，并指定两个同时显示的通道，用于比较这两个通道
show（‘x.mem’,1000,[2,5]）
同时显示第2、第5通道的1000点数据
指定各通道的显示顺序，用于比较相邻两个通道
show（‘x.mem’,1000,[5,2,4,3]）
第5、第2通道分别显示在同一窗口的第1、2子窗口，按“2”键切换到第4、第3通道。
显示长度为1000点数据
指定多通道同时显示在一个子窗口，以便波形叠加比较
show（‘x.mem’,1000,’5,2,4;3’）
第5、2、4通道叠加显示在第一子窗口，第3通道显示在另一子窗口。
显示长度为1000点数据
3.2内置功能键
为了操作方便、减少频繁的菜单点击，本软件主要采用快捷键来实现各功能，各内置功能健总结于表4。
需要注意的是必须将鼠标移到当前数据显示窗口才能使用以下功能键，功能对字母大小写不敏感。
表4show软件的内置功能键
功能键
实现的功能
↑（或8）、↓（或2）
观察前两个通道、后两个通道
←（或4）、→（或6）
波形左移/右移
3、9
波形缩小/放大
-、+
前/后一个文件,按当前文件夹相同扩展名的文件名排序来确定前后
/、*
跳到数据的起点、终点
5
时间坐标在“点”和“秒/ms”两者之间切换
.
控制幅度坐标归一化显示方式：
当前数据窗口自动归一化；全时域各通道独立归一化；全时域各通道统一归一化。
在三者间切换
鼠标左键
①在左键后再次点左键，在波形图中确定显示的起始、终止点；在功率谱图中确定显示频段的上下限频率；在波束图中确定波束扫描范围。
如果两次点击的位置很近，显示长度恢复到原始值，波形起点在点击处。
②在左键后点右键则取出这两次点击之间的数据另存为单个文件。
目前支持mat、BIN、INT三种格式。
鼠标右键
读取光标所在位置波形的时间和幅度，显示在波形图上方。
A
用光标指定A、B两点，显示XB-XA、YA-YB、dY/dX、YB/YA等信息。
B
波束扫描开启/关闭。
阵列参数由show.ini配置。
C
连续滚动显示波形，每次更新显示长度的1/4；再按其它键停止
D
当前图形网格打开/关闭
F
进入MATLAB正常的图形显示状态，可进行matlab提供的缩放曲线、光标读数等操作。
J
直接指定起始点，输入小数值表示以秒为单位，否则以点数为单位，带符号表示以当前波形起点为参考的相对值。
L
从当前两通道取5秒钟数据输出到喇叭，供用户听辨。
P/p
功率谱（开启/关闭）。
分析长度、初始分析频段由show.ini配置。
r
通道时延估计（开启/关闭），主要用于求两通道间较大的时延。
R
互功率谱分析（开启/关闭），主要用于求两通道间较小的时延或相位差
0
退出。
下面介绍各功能使用方法及结果，样例运行的硬件环境为：
Intel®Core™2DuoCPUE7500，主频2.93GHz，内存容量2GB，硬盘容量500GB；软件环境为：
Windows7旗舰版SP1（32位）操作系统，MatlabR2011b。
运行show软件后，等待用户操作的状态如图1所示，默认状态下在MATLAB窗口中显示1s的时间波形数据，窗口标题显示当前处理数据方式为时间波形显示方式，同时显示数据文件名以及数据文件的生成时间，光标随着鼠标的移动处于捕获状态。
本使用说明中的样例数据文件为2012年6月23日千岛湖湖试中使用日置Hioki采集系统采集到的强声时间波形，数据文件名为“06-23-QDH-YCMB-126.MEM”。
图1show软件数据处理主界面
（1）光标读数功能（A）
按A键进入光标读数功能。
先用鼠标在波形图中点击一点作为A点，画面中会在这个位置标记一个“+”，再点击另一点作为B点，同样会标记一个“+”。
然后软件会自动计算A、B两点的时间差XB-XA、幅度差YA-YB、两点连线的斜率dY/dX、两点的幅度比YB/YA等参数，显示在图的上方。
以图2为例，分别点击两个通道的脉冲峰值位置，可以获得脉冲到达两个传感器的时间延迟为0.106ms，两个脉冲的高度差是-1.19MPa。
图2用光标读数获取两个通道脉冲的时延
图3是分别点击同一个脉冲的起点和峰值位置，可以获得脉冲的上升沿持续时间为6.42us，脉冲上升沿的陡度为223MPa/ms。
图3用光标读数获取脉冲的起点和峰值
（2）波束扫描功能（B）
按B键进入光标读数功能，首先弹出空间谱估计方法选择对话框，如图4所示，在对话框中选择MVDR作为空间谱估计算法，点击确认按钮后，根据show.ini配置文件提供的阵列参数，波束扫描过程及其结果如图5中各子图所示。
试验中强声干扰脉冲相对于接收基阵的方位角为-10°，目标辐射噪声相对于接收基阵的方位角为-20°，波束扫描过程中可以看出强声干扰脉冲对目标方位估计结果的影响及恢复过程。
图4空间谱估计算法选择对话框
（a1）波束扫描第一快拍时间波形
（a2）波束扫描第一快拍估计结果
（b1）波束扫描第二快拍时间波形
（b2）波束扫描第二快拍估计结果
（c1）波束扫描第三快拍时间波形
（c2）波束扫描第三快拍估计结果
（d1）波束扫描第四快拍时间波形
（d2）波束扫描第四快拍估计结果
图5波束扫描结果
（3）连续滚动显示波形（C）
按C键开启连续滚动显示波形功能。
在运行show函数读取采样数据后，按C键则开始连续自动以滚动方式显示波形，每次更新当前显示长度的1/4；再按其它键停止滚动显示。
以图6、图7和图8为例，分别为按下C键后连续滚动显示波形的示意图，其中图6显示第0s-1s的信号时域波形，图7显示图6波形滚动1/4后第0.25s-1.25s的信号时域波形，图8显示图7滚动1/4后第0.5s-1.5s的信号时域波形。
图6滚动显示功能起始波形0s-1s
图7滚动显示功能滚动波形0.25s-1.25s
图8滚动显示功能滚动波形0.5s-1.5s
（4）当前图形网格打开/关闭（D）
按D键切换显示和关闭当前图形中的网格。
如图9、图10所示，按D键则可以在两者间来回切换，从而观察波形的具体数值大小。
图9无网格时显示数据波形
图10有网格时显示数据波形
（5）MATLAB图形切换功能（F）
按F键切换至MATLAB正常的图形显示状态。
从show软件捕获状态进入MATLAB正常的图形显示状态后，便可以使用MATLAB提供的各种功能，切换到正常的MATLAB图形显示界面如图11所示。
图11切换至MATLAB正常显示界面
（6）指定起点及数据长度显示波形（J）
按J键进入指定起点显示指定长度波形的功能。
指定数据起点及数据长度有两种方式，分别为指定绝对时刻（单位：
秒）、指定采样点序号，show软件根据用户输入是否带小数点来自动区分这两种方式。
当输入数据起点及数据长度为小数值时认为该值是以秒为单位的绝对时刻；当输入数据起点及数据长度为整数时认为该值是采样点序号。
指定数据起点及数据长度的子窗口如图12所示，此时显示3s-4.5s的数据波形，本功能以下说明中均以此波形为比对基准。
图12指定起点及数据长度显示功能基准波形
当输入数据起点及数据长度均为小数值时，如图13所示，输入起始点为3.1，输入显示长度为0.9，则show软件自动以绝对时刻方式更新显示数据；当输入数据起点及数据长度均为整数时，如图14所示，输入起始点为633000，输入显示长度为100000，则show软件自动以指定采样点序号方式更新显示数据。
（a）绝对时刻方式的显示起始点及显示长度
（b）绝对时刻方式的显示结果
图13绝对时刻方式显示功能
（a）指定采样点序号方式的显示起始点及显示长度
（b）指定采样点序号方式的显示结果
图14指定采样点序号方式显示功能
另外，在两种显示方式下，若起始点数据为带符号数，则表示以当前波形的起点为参考的相对值，即正值表示时间增大方向上的相对值，负值表示时间减小方向上的相对值。
同样以图12所示基准波形为例，在绝对时刻方式时，数据起始点分别输入-0.1、+0.1，相应的数据长度分别输入1.1、0.9，则带符号数显示结果应为2.9s-4s的数据和3.1s-4s的数据，分别如图15、图16所示；在指定数据点方式时，数据起始点分别输入-20000、+20000，相应的数据长度分别输入220000、180000，则带符号数显示结果应为2.9s-4s的数据和3.1s-4s的数据，分别如图17、图18所示。
图15绝对时刻方式带符号数显示功能1
图16绝对时刻方式带符号数显示功能2
图17指定采样点序号方式带符号数显示功能1
图18指定采样点序号方式带符号数显示功能2
Ver1.02后的版本为了处理长达数小时的大数据文件，数据起点还可以“时:
分:
秒”的形式输入，如输入“1:
0:
0”表示跳转到1小时0分0秒处。
图19以“时:
分:
秒”方式指定起点
（7）播放数据（L）
对于音频信号，从当前两通道取出用户指定长度的数据（单位：
秒）通过计算机声卡输出到喇叭，供用户听辨。
为了避免matlab内存溢出，最好设定的数据长度不要太长，一般应小于30秒。
用户还可以指定通道号，输入0表示当前显示的两个通道。
图20用声卡播放信号
（8）功率谱分析（p/P）
按p键得出当前显示通道的功率谱图，功率谱分析长度由配置文件show.ini中对应字段“功率谱分析长度（0表示当前波形长度）”指定。
在捕获状态下，按P键给出当前通道的功率谱分析结果，并在功率谱分析窗口中显示频段内平均功率、最大功率谱级对应频点的信息（软件内部进行了抛物线内插以提高估计精度），再按P键回到时间波形窗口。
时间波形及功率谱分析结果如图21所示，在功率谱分析子窗口中，鼠标左、右键对应功能的实现在功率谱波形中进行，其他功能的实现在时间波形主窗口中进行，主窗口中响应时间波形变化后，功率谱波形子窗口随之自动变化。
图21功率谱分析功能
如果按大写的P键则给出当前显示通道的1/3倍频程平均功率谱图，其横轴以对数方式显示，便于观察每倍频程的下降dB数。
（9）互功率谱分析（R）
按R键给出图22所示两通道时间波形的互功率谱分析结果及两通道间的时延估计结果，如图23所示，上图显示了两通道互功率谱的幅频特性，下图显示了两通道互功率谱的相频特性，下图的标题处显示了两通道时延的估计结果。
这里给出的时延值是指第二通道相对于第一通道的滞后时间，正值表示第二通道比第一通道滞后，负值表示第二通道比第一通道超前。
如果两通道信号只有特定频段具有时延关系，其它频段会对时延估计造成影响，则建议使用“互谱分析”，当互谱的相频特性近似为一条直线时可以得到较为准确的时延估计。
但需注意，如果时延超过最低频率的半周期，则互谱法可能因为相位卷绕而产生错误的时延估计。
图22互功率谱功能时域波形
图23互功率谱分析及通道间的时延估计功能
（10）互相关分析（r）
按r键给出图24所示两通道时间波形的互相关分析结果及两通道间的时延估计结果。
这里给出的时延值是指第二通道相对于第一通道的滞后时间，正值表示第二通道比第一通道滞后，负值表示第二通道比第一通道超前。
如果两通道的整个波形全频段都有一定的时延关系，用“互相关分析”较为准确，尤其是互相关系数的峰值超过0.8时。
图24互相关分析及通道间的时延估计功能
3.3用户自定义功能键
除上述功能键外，用户还可以自定义功能键，例如自定义功能键E键的函数参见showUserFuncE.m。
show软件首先在当前目录搜索自定义函数，如果没有发现则按MATLAB的搜索路径进行搜索。
因此对于重复定义的自定义键，应把特定的自定义函数拷贝到相应数据所在目录，以实现重载。
下面列举几种具有一定普遍价值的自定义扩展功能函数，如表5所示。
表5show支持的扩展功能键
E
计算脉冲的半高宽、底宽
G
显示当前两通道的全局图（最大峰值包络和有效电压包络），可以点鼠标选择起始显示点。
S
计算当前数据的声源级或标准差std
N
利用LFM的互相关搜索同步头、估计多径信息
下面介绍各功能的使用方法及显示效果，样例的运行环境与内置功能键的运行环境一致，对图1所示主界面使用表5内所列
升级会员 