數(shù)字信號(hào)處理-綜合實(shí)驗(yàn).doc

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一、 語(yǔ)音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 原理 實(shí)驗(yàn)中所需理論包括采樣定理、時(shí)域信號(hào)的FFT分析及數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理和方法 采樣定理：在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣頻率大于等于信號(hào)最高截止頻率的2倍時(shí)，即：，則采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高截止頻率的5～10倍；采樣定理又稱(chēng)奈奎斯特定理。 2. 任務(wù) 試編制一MATLAB或LabVIEW程序，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)字濾波系統(tǒng)的用戶界面設(shè)計(jì)，在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面上完成的功能包括： （1）對(duì)于任意的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣并對(duì)加入加性噪聲的信號(hào)作頻譜分析； （2）通過(guò)頻譜分析選擇合適的濾波器性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)合適的數(shù)字濾波器，并對(duì)含噪音的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，得出濾波器的時(shí)域波形和頻譜； （3）對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化；回放語(yǔ)音信號(hào)，對(duì)濾波前后的聲音進(jìn)行比較。 3. 思考題 （1）試分析各種不同類(lèi)型濾波器的性能。 （2）試分析語(yǔ)音信號(hào)中的低頻、中頻和高頻成分的特點(diǎn)及適合采用的濾波器類(lèi)型。 二、 音頻信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 原理 實(shí)驗(yàn)中所需理論包括采樣定理（可參照語(yǔ)音數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)）、時(shí)域信號(hào)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(jì)原理和方法。 調(diào)制，就是用一個(gè)信號(hào)（原信號(hào)也稱(chēng)調(diào)制信號(hào)）去控制另一個(gè)信號(hào)（載波信號(hào)）的某個(gè)參量，從而產(chǎn)生已調(diào)制信號(hào)；解調(diào)則是相反的過(guò)程，即從已調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出原信號(hào)。 幅度調(diào)制（AM）是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的振幅，使其按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化，其它參數(shù)不變。 假設(shè)調(diào)制信號(hào)的平均值為0，將其疊加一個(gè)直流偏量后與載波相乘即可形成調(diào)幅信號(hào)。其時(shí)域表示式為 式中：為載波信號(hào)；為外加的直流分量；可以是確知信號(hào)，也可以是隨機(jī)信號(hào)。 2. 任務(wù) 試編制MATLAB或LabVIEW程序，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的GUI用戶界面設(shè)計(jì)，在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面上完成的功能包括以下各個(gè)實(shí)驗(yàn)的輸出波形和頻譜： （1）利用Windows下的錄音機(jī)設(shè)備錄制一段音樂(lè)信號(hào)或采用其它軟件截取一段音樂(lè)信號(hào)，觀察音樂(lè)信號(hào)的音譜和頻譜（要求時(shí)間不超過(guò)5s，文件格式為wav格式）； （2）觀察音樂(lè)信號(hào)頻率上限，選擇適當(dāng)?shù)某槿￠g隔對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，給出采樣后音樂(lè)信號(hào)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(lè)信號(hào)頻率上限，選擇適當(dāng)兩種高、低頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制（AM）； （4）設(shè)計(jì)IIR巴特沃斯濾波器和窗函數(shù)法的FIR濾波器，并實(shí)現(xiàn)同步解調(diào)，并給出輸出波形和解釋現(xiàn)象； （5）對(duì)音樂(lè)信號(hào)疊加噪聲，觀察噪聲信號(hào)的頻譜及加噪后音樂(lè)信號(hào)的音譜及頻譜，并設(shè)計(jì)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(lè)信號(hào)的幅度與相位特征對(duì)信號(hào)有哪些影響？ 三、數(shù)字音效處理器的設(shè)計(jì) 1. 目標(biāo) 1．掌握Matlab的基本編程語(yǔ)句； 2. 掌握在Windows環(huán)境下音頻信號(hào)的采集方法； 3. 掌握數(shù)字信號(hào)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(hào)、進(jìn)行頻譜分析、設(shè)計(jì)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(jī),錄制一段自己的話音,時(shí)間在5s內(nèi)，存為*.WAV的文件。然后在Matlab軟件平臺(tái)下,利用函數(shù)wavread對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣,記住采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。 2. 對(duì)語(yǔ)音號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到信號(hào)的頻譜特性，分析基頻。 3. 設(shè)計(jì)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(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，觀察比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜。 5. 實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)放大和衰減及對(duì)錄音內(nèi)容倒播放功能，觀察語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜。 6. 實(shí)現(xiàn)混音和回音的音效效果，觀察語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜。 7. 實(shí)現(xiàn)男女變聲音效效果，觀察語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜。 8. 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用戶界面（GUI）。 3. 思考題 1. 試用MATLAB編寫(xiě)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(hào)的幅度與相位特征對(duì)信號(hào)有哪些影響？ 四、頻譜分析儀設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)要求:設(shè)計(jì)一種基于MATLAB GUI的頻譜分析儀，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)頻譜分析的功能。通過(guò)其GUI界面操作，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理。通過(guò)時(shí)域分析可以看到輸入信號(hào)的波形以及該信號(hào)的某些特征值，如頻率、幅值、相位、周期等，通過(guò)頻域分析可以得到一維和二維信號(hào)的頻譜特性。 參考： 五、數(shù)字電子琴設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)要求: 設(shè)計(jì)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(duì)不同的MIDI碼對(duì)應(yīng)不同頻率的音符，實(shí)現(xiàn)琴鍵的發(fā)聲；同時(shí)設(shè)計(jì)了數(shù)字濾波器，并利用快速傅里葉變換對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析；對(duì)電子琴設(shè)計(jì)添加輔助功能，如選擇音長(zhǎng)、選擇包絡(luò)、演奏樂(lè)譜、升降調(diào)處理、播放音頻等。 數(shù)字電子琴功能說(shuō)明： 1、單音鍵盤(pán)發(fā)聲：鼠標(biāo)點(diǎn)擊每個(gè)琴鍵，都會(huì)發(fā)出聲音。同時(shí)在提示框處顯示當(dāng)前音調(diào)。 2、鍵盤(pán)代替鼠標(biāo)輸入：該設(shè)計(jì)中每個(gè)琴鍵上標(biāo)寫(xiě)的字母或數(shù)字均與電腦鍵盤(pán)一一對(duì)應(yīng)。按下電腦鍵盤(pán)（大寫(xiě)鎖定狀態(tài)下），對(duì)應(yīng)的琴鍵發(fā)出聲音。實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)代替鼠標(biāo)輸入。同時(shí)在提示框處顯示當(dāng)前音調(diào)。 3、鍵盤(pán)播放后存儲(chǔ)并統(tǒng)一播放：點(diǎn)擊“錄音”按鈕，然后通過(guò)電腦鍵盤(pán)或鼠標(biāo)點(diǎn)擊琴鍵，再點(diǎn)擊“停止”按鈕，完成鍵盤(pán)存儲(chǔ)。最后點(diǎn)擊“回放”按鈕，完成對(duì)存儲(chǔ)的鍵盤(pán)操作統(tǒng)一播放。各步驟的信息均會(huì)在提示框處顯示。 4、琴鍵效果：該設(shè)計(jì)中的琴鍵被按下后，顏色都會(huì)發(fā)生改變。抬起時(shí)琴鍵顏色也會(huì)發(fā)生改變。使得琴鍵按下和抬起的效果更明顯。 5、音長(zhǎng)的選擇：在該設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)音效長(zhǎng)短的選擇模塊，通過(guò)選擇長(zhǎng)音、中音或短音，可以改變音的長(zhǎng)短。同時(shí)在提示框處顯示當(dāng)前音長(zhǎng)。 6、包絡(luò)的選擇：在該設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了包絡(luò)的選擇模塊，通過(guò)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(huà)圖模塊里。同時(shí)在提示框處顯示當(dāng)前包絡(luò)。 7、演奏樂(lè)譜：點(diǎn)擊“選擇”按鈕，選擇編寫(xiě)好的樂(lè)譜文件（如該文件夾中的test.txt），點(diǎn)擊“開(kāi)始”，可以播放該樂(lè)譜文件；也可以點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，對(duì)樂(lè)譜文件進(jìn)行暫停和停止操作。同時(shí)在提示框處會(huì)顯示相關(guān)信息，若沒(méi)有選擇文件，則會(huì)提示“請(qǐng)先載入樂(lè)譜”。 8、播放音頻：點(diǎn)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(diǎn)擊“開(kāi)始”，可以播放該音頻文件；也可以點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，對(duì)音頻文件進(jìn)行暫停、停止和復(fù)位等操作。同時(shí)在提示框處顯示相關(guān)信息，若沒(méi)有選擇文件，則會(huì)提示“請(qǐng)先載入wav文件”。 9、升降調(diào)功能：點(diǎn)擊“+”按鈕之后再點(diǎn)擊琴鍵，可以完成音的升調(diào)功能；點(diǎn)擊“—”之后再點(diǎn)擊琴鍵，可以完成音的降調(diào)功能。點(diǎn)擊“O”則恢復(fù)原音調(diào)（C調(diào)）。同時(shí)提示框內(nèi)會(huì)顯示處理后的音調(diào)。 10、提示信息：在畫(huà)圖模塊左側(cè)是各類(lèi)提示信息框。分別提示當(dāng)前音長(zhǎng)、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(chǔ)統(tǒng)一播放的相關(guān)信息、演奏樂(lè)譜的相關(guān)信息以及播放音頻的相關(guān)信息。 11、畫(huà)圖模塊：顯示每個(gè)音符的波形，方便觀察音型。 12、關(guān)機(jī)鍵：在界面的左上角是關(guān)機(jī)鍵，點(diǎn)擊該按鈕即可關(guān)閉頁(yè)面。