數(shù)字信號處理-綜合實驗.doc

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一、 語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計 1. 原理 實驗中所需理論包括采樣定理、時域信號的FFT分析及數(shù)字濾波器設(shè)計原理和方法 采樣定理：在進行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率大于等于信號最高截止頻率的2倍時，即：，則采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高截止頻率的5～10倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理。 2. 任務(wù) 試編制一MATLAB或LabVIEW程序，實現(xiàn)語音數(shù)字濾波系統(tǒng)的用戶界面設(shè)計，在所設(shè)計的系統(tǒng)界面上完成的功能包括： （1）對于任意的語音信號進行采樣并對加入加性噪聲的信號作頻譜分析； （2）通過頻譜分析選擇合適的濾波器性能指標(biāo)，設(shè)計合適的數(shù)字濾波器，并對含噪音的語音信號進行數(shù)字濾波，得出濾波器的時域波形和頻譜； （3）對濾波前后的信號進行對比，分析信號的變化；回放語音信號，對濾波前后的聲音進行比較。 3. 思考題 （1）試分析各種不同類型濾波器的性能。 （2）試分析語音信號中的低頻、中頻和高頻成分的特點及適合采用的濾波器類型。 二、 音頻信號處理系統(tǒng)設(shè)計 1. 原理 實驗中所需理論包括采樣定理（可參照語音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計）、時域信號的FFT分析、AM調(diào)制解調(diào)原理及IIR巴特沃斯濾波器和FIR窗函數(shù)法濾波器設(shè)計原理和方法。 調(diào)制，就是用一個信號（原信號也稱調(diào)制信號）去控制另一個信號（載波信號）的某個參量，從而產(chǎn)生已調(diào)制信號；解調(diào)則是相反的過程，即從已調(diào)制信號中恢復(fù)出原信號。 幅度調(diào)制（AM）是用調(diào)制信號去控制高頻載波的振幅，使其按調(diào)制信號的規(guī)律變化，其它參數(shù)不變。 假設(shè)調(diào)制信號的平均值為0，將其疊加一個直流偏量后與載波相乘即可形成調(diào)幅信號。其時域表示式為 式中：為載波信號；為外加的直流分量；可以是確知信號，也可以是隨機信號。 2. 任務(wù) 試編制MATLAB或LabVIEW程序，實現(xiàn)音頻信號處理系統(tǒng)的GUI用戶界面設(shè)計，在所設(shè)計的系統(tǒng)界面上完成的功能包括以下各個實驗的輸出波形和頻譜： （1）利用Windows下的錄音機設(shè)備錄制一段音樂信號或采用其它軟件截取一段音樂信號，觀察音樂信號的音譜和頻譜（要求時間不超過5s，文件格式為wav格式）； （2）觀察音樂信號頻率上限，選擇適當(dāng)?shù)某槿￠g隔對信號進行采樣，給出采樣后音樂信號的波形和頻譜，并解釋現(xiàn)象（要求是代表混疊和非混疊的兩種采樣間隔）； （3）觀察音樂信號頻率上限，選擇適當(dāng)兩種高、低頻率對信號進行幅度調(diào)制（AM）； （4）設(shè)計IIR巴特沃斯濾波器和窗函數(shù)法的FIR濾波器，并實現(xiàn)同步解調(diào)，并給出輸出波形和解釋現(xiàn)象； （5）對音樂信號疊加噪聲，觀察噪聲信號的頻譜及加噪后音樂信號的音譜及頻譜，并設(shè)計合適的濾波器去噪，觀察去噪后的音譜和頻譜； 3. 思考題 1. 試分析IIR數(shù)字濾波器與FIR數(shù)字濾波器的性能比較。 2. 試分析音樂信號的幅度與相位特征對信號有哪些影響？ 三、數(shù)字音效處理器的設(shè)計 1. 目標(biāo) 1．掌握Matlab的基本編程語句； 2. 掌握在Windows環(huán)境下音頻信號的采集方法； 3. 掌握數(shù)字信號處理的基本概念、基本理論和基本方法； 4. 掌握Matlab處理數(shù)字信號、進行頻譜分析、設(shè)計數(shù)字濾波器的編程方法。 2. 任務(wù) 1. 要求利用Windows下的錄音機,錄制一段自己的話音,時間在5s內(nèi)，存為*.WAV的文件。然后在Matlab軟件平臺下,利用函數(shù)wavread對語音信號進行采樣,記住采樣頻率和采樣點數(shù)。 2. 對語音號進行快速傅里葉變換，得到信號的頻譜特性，分析基頻。 3. 設(shè)計數(shù)字濾波器，各濾波器的性能指標(biāo)為： (1)低通濾波器性能指標(biāo)fb＝1000Hz,fc＝1200Hz,As＝100dB,Ap＝1dB。 (2)高通濾波器性能指標(biāo)fc＝4800Hz,fb＝5000Hz As＝100dB,Ap＝1dB。 (3)帶通濾波器性能指標(biāo)fb1＝1200Hz,fb2＝3000Hz,fc1＝1000Hz,fc2＝3200Hz,As＝100dB,Ap＝1dB 4. 用濾波器對信號進行濾波，觀察比較濾波前后語音信號的波形及頻譜。 5. 實現(xiàn)對聲音信號放大和衰減及對錄音內(nèi)容倒播放功能，觀察語音信號的波形及頻譜。 6. 實現(xiàn)混音和回音的音效效果，觀察語音信號的波形及頻譜。 7. 實現(xiàn)男女變聲音效效果，觀察語音信號的波形及頻譜。 8. 設(shè)計系統(tǒng)的用戶界面（GUI）。 3. 思考題 1. 試用MATLAB編寫男人、女人、老人和小孩的之間相互變聲程序？ 2. 試分析音頻信號的幅度與相位特征對信號有哪些影響？ 四、頻譜分析儀設(shè)計 實驗要求:設(shè)計一種基于MATLAB GUI的頻譜分析儀，實現(xiàn)輸入信號頻譜分析的功能。通過其GUI界面操作，對信號進行分析處理。通過時域分析可以看到輸入信號的波形以及該信號的某些特征值，如頻率、幅值、相位、周期等，通過頻域分析可以得到一維和二維信號的頻譜特性。 參考： 五、數(shù)字電子琴設(shè)計 實驗要求: 設(shè)計一種基于MATLAB GUI或是Labview是數(shù)字電子琴。利用琴鍵的發(fā)聲原理，針對不同的MIDI碼對應(yīng)不同頻率的音符，實現(xiàn)琴鍵的發(fā)聲；同時設(shè)計了數(shù)字濾波器，并利用快速傅里葉變換對聲音信號進行了頻譜分析；對電子琴設(shè)計添加輔助功能，如選擇音長、選擇包絡(luò)、演奏樂譜、升降調(diào)處理、播放音頻等。 數(shù)字電子琴功能說明： 1、單音鍵盤發(fā)聲：鼠標(biāo)點擊每個琴鍵，都會發(fā)出聲音。同時在提示框處顯示當(dāng)前音調(diào)。 2、鍵盤代替鼠標(biāo)輸入：該設(shè)計中每個琴鍵上標(biāo)寫的字母或數(shù)字均與電腦鍵盤一一對應(yīng)。按下電腦鍵盤（大寫鎖定狀態(tài)下），對應(yīng)的琴鍵發(fā)出聲音。實現(xiàn)鍵盤代替鼠標(biāo)輸入。同時在提示框處顯示當(dāng)前音調(diào)。 3、鍵盤播放后存儲并統(tǒng)一播放：點擊“錄音”按鈕，然后通過電腦鍵盤或鼠標(biāo)點擊琴鍵，再點擊“停止”按鈕，完成鍵盤存儲。最后點擊“回放”按鈕，完成對存儲的鍵盤操作統(tǒng)一播放。各步驟的信息均會在提示框處顯示。 4、琴鍵效果：該設(shè)計中的琴鍵被按下后，顏色都會發(fā)生改變。抬起時琴鍵顏色也會發(fā)生改變。使得琴鍵按下和抬起的效果更明顯。 5、音長的選擇：在該設(shè)計中，設(shè)計了一個音效長短的選擇模塊，通過選擇長音、中音或短音，可以改變音的長短。同時在提示框處顯示當(dāng)前音長。 6、包絡(luò)的選擇：在該設(shè)計中，設(shè)計了包絡(luò)的選擇模塊，通過選擇正弦波、三角波、指數(shù)波、方波，可以改變音型，并顯示在畫圖模塊里。同時在提示框處顯示當(dāng)前包絡(luò)。 7、演奏樂譜：點擊“選擇”按鈕，選擇編寫好的樂譜文件（如該文件夾中的test.txt），點擊“開始”，可以播放該樂譜文件；也可以點擊相應(yīng)按鈕，對樂譜文件進行暫停和停止操作。同時在提示框處會顯示相關(guān)信息，若沒有選擇文件，則會提示“請先載入樂譜”。 8、播放音頻：點擊“選擇”按鈕，選擇wav格式音頻文件（如該文件夾中的e-organ.wav），點擊“開始”，可以播放該音頻文件；也可以點擊相應(yīng)按鈕，對音頻文件進行暫停、停止和復(fù)位等操作。同時在提示框處顯示相關(guān)信息，若沒有選擇文件，則會提示“請先載入wav文件”。 9、升降調(diào)功能：點擊“+”按鈕之后再點擊琴鍵，可以完成音的升調(diào)功能；點擊“—”之后再點擊琴鍵，可以完成音的降調(diào)功能。點擊“O”則恢復(fù)原音調(diào)（C調(diào)）。同時提示框內(nèi)會顯示處理后的音調(diào)。 10、提示信息：在畫圖模塊左側(cè)是各類提示信息框。分別提示當(dāng)前音長、當(dāng)前包絡(luò)、當(dāng)前音調(diào)（高音、中音或低音）、升降調(diào)功能里處理后的音調(diào)、琴鍵存儲統(tǒng)一播放的相關(guān)信息、演奏樂譜的相關(guān)信息以及播放音頻的相關(guān)信息。 11、畫圖模塊：顯示每個音符的波形，方便觀察音型。 12、關(guān)機鍵：在界面的左上角是關(guān)機鍵，點擊該按鈕即可關(guān)閉頁面。