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)字濾波器設計原理和方法 采樣定理：在進行模擬/數(shù)字信號的轉換過程中，當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 試編制一MATLAB或LabVIEW程序，實現(xiàn)語音數(shù)字濾波系統(tǒng)的用戶界面設計，在所設計的系統(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，設計合適的數(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)設計）、時域信號的FFT分析、AM調制解調原理及IIR巴特沃斯濾波器和FIR窗函數(shù)法濾波器設計原理和方法。 調制，就是用一個信號（原信號也稱調制信號）去控制另一個信號（載波信號）的某個參量，從而產生已調制信號；解調則是相反的過程，即從已調制信號中恢復出原信號。 幅度調制（AM）是用調制信號去控制高頻載波的振幅，使其按調制信號的規(guī)律變化，其它參數(shù)不變。 假設調制信號的平均值為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 試編制MATLAB或LabVIEW程序，實現(xiàn)音頻信號處理系統(tǒng)的GUI用戶界面設計，在所設計的系統(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?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，選擇適當兩種高、低頻率對信號進行幅度調制（AM）； （4）設計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，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)字音效處理器的設計 1. 目標 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、設計數(shù)字濾波器的編程方法。 2. 任務 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，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. 設計數(shù)字濾波器，各濾波器的性能指標為： (1)低通濾波器性能指標fb＝1000Hz,fc＝1200Hz,As＝100dB,Ap＝1dB。 (2)高通濾波器性能指標fc＝4800Hz,fb＝5000Hz As＝100dB,Ap＝1dB。 (3)帶通濾波器性能指標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、頻譜分析儀設計 實驗要求:設計一種基于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)字電子琴設計 實驗要求: 設計一種基于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碼對應不同頻率的音符，實現(xiàn)琴鍵的發(fā)聲；同時設計了數(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；對電子琴設計添加輔助功能，如選擇音長、選擇包絡、演奏樂譜、升降調處理、播放音頻等。 數(shù)字電子琴功能說明： 1、單音鍵盤發(fā)聲：鼠標點擊每個琴鍵，都會發(fā)出聲音。同時在提示框處顯示當前音調。 2、鍵盤代替鼠標輸入：該設計中每個琴鍵上標寫的字母或數(shù)字均與電腦鍵盤一一對應。按下電腦鍵盤（大寫鎖定狀態(tài)下），對應的琴鍵發(fā)出聲音。實現(xiàn)鍵盤代替鼠標輸入。同時在提示框處顯示當前音調。 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：在該設計中，設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前音長。 6、包絡的選擇：在該設計中，設計了包絡的選擇模塊，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前包絡。 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；也可以點擊相應按鈕，對音頻文件進行暫停、停止和復位等操作。同時在提示框處顯示相關信息，若沒有選擇文件，則會提示“請先載入wav文件”。 9、升降調功能：點擊“+”按鈕之后再點擊琴鍵，可以完成音的升調功能；點擊“—”之后再點擊琴鍵，可以完成音的降調功能。點擊“O”則恢復原音調（C調）。同時提示框內會顯示處理后的音調。 10、提示信息：在畫圖模塊左側是各類提示信息框。分別提示當前音長、當前包絡、當前音調（高音、中音或低音）、升降調功能里處理后的音調、琴鍵存儲統(tǒng)一播放的相關信息、演奏樂譜的相關信息以及播放音頻的相關信息。 11、畫圖模塊：顯示每個音符的波形，方便觀察音型。 12、關機鍵：在界面的左上角是關機鍵，點擊該按鈕即可關閉頁面。