余華_數(shù)字信號處理_實驗二

1、數(shù)字信號處理實驗二學(xué) 院 ：電子與信息學(xué)院專業(yè)班級：通信工程4班學(xué) 號：201130301443姓 名：李騰輝實驗名稱：實驗二 實驗日期：2013.11.21第二次實驗一.實驗?zāi)康?理解采樣率和量化級數(shù)對語音信號的影響*設(shè)計濾波器解決實際問題二.實驗內(nèi)容語音及音樂信號的采樣、濾波音樂信號處理三.實驗細(xì)節(jié) 語音及音樂信號的采樣、濾波1題目要求實驗要求：利用電腦的聲卡錄一段語音信號及音樂信號，觀察使用不同采樣率及量化級數(shù)所得到的信號的聽覺效果，從而確定對不同信號的最佳的采樣率；分析音樂信號的采樣率為什么要比語音的采樣率高才能得到較好的聽覺效果。注意觀察信號中的噪聲（特別是50hz交流電信號對錄音的

2、干擾），設(shè)計一個濾波器去除該噪聲。2解答過程我分別使用了8k,16k,32k三種采樣率錄制了三段語音信號，量化級數(shù)均采用16位，通過反復(fù)的回放對比，發(fā)現(xiàn)雖然高于8k的采樣率的聲音更加飽滿，音質(zhì)更佳，但是對于語音信號來說，8k采樣率用于通話交流系統(tǒng)已經(jīng)足夠了，采樣率的提高對于音質(zhì)的提升不大，反而需要更大的信道帶寬，得不償失。同樣的，我又分別錄制了8k，16k以及32k三種采樣率的音樂信號，通過反復(fù)對比，可以明顯感覺到8k采樣率的音樂明顯少了許多頻率成分，失真嚴(yán)重，高音部分基本聽不到了，總之對于音樂信號，8k采樣率太低，不適合音樂的欣賞，16k采樣率較8k來說頻率成分豐富了很多，音樂更加優(yōu)美動聽，

3、32k采樣率在此基礎(chǔ)上音質(zhì)有所提升，但個人感覺提升不是很大。我又對比了16k音樂信號的三種不同量化電平(8bit,16bit,32bit)的效果，顯然地8bit對應(yīng)只有256個量化電平，音樂聽起來相當(dāng)粗糙，明顯不合適，16bit已經(jīng)達(dá)到了65536個量化電平，是當(dāng)前音樂主流的量化數(shù)，32bit占用了大量了存儲空間，音質(zhì)提升也不大。綜上分析，對于語音信號，采用8kHz的采樣率，8位量化電平數(shù)已經(jīng)足以進行語音交流；而對于音樂信號，最好能達(dá)到16kHz以上的采樣率，16位的量化電平足以。附錄制的語音音樂信號圖下面是我針對voice_8k.wav這個語音信號，對其50Hz噪聲進行消除的程序。我首先分析

4、了這個信號的時域和頻域的譜圖，如下圖所示。這段語音信號的內(nèi)容是“我愛祖國天安門”，從時域圖來看，這段信號大約長4秒，全程即使在沒有語音的部分也可以看出有小的上下波動，這即是50Hz噪聲信號加進去產(chǎn)生的。再看它的頻譜圖，我用了40960點的DFT變換，由于實信號的對稱性，我截取了前20480點作出上圖，可以明顯看到，在50Hz處有一個明顯的沖激，這就是噪聲信號，下面我將設(shè)計一個50Hz的陷波器來消除這個濾除這個噪聲。陷波器的傳輸函數(shù)為其中f為陷波器要濾除信號的頻率，a為與陷波器深度相關(guān)的參數(shù)，a越大，深度越深。由此設(shè)計一個f=50的陷波器如下經(jīng)過此陷波器后的語音信號如下所示：可以看出時域圖中原來

5、的雜波干擾減少了?？梢钥闯?，原始信號中50Hz附近的沖激被抑制掉了。通過對比濾波前后的語音信號可以發(fā)現(xiàn)，濾波后的聲音清晰了些?？倛D對比：=下面貼出程序的代碼：f0=50; %50Hz陷波器fs=8000; %采樣率8000HzTs=1/fs;NLen=40960; % NLen點DFT變換apha=-2*cos(2*pi*f0*Ts);beta=0.96;b=1 apha 1;a=1 apha*beta beta2;figure(1);freqz(b,a,NLen,fs);%陷波器特性顯示x=wavread('voice2_8k_noise.wav');%原信號y=filter

6、(b,a,x);%陷波器濾波處理 n=1:length(x);m=1:NLen; xfft=fft(x,NLen); %對信號進行頻域變換xfft=xfft.*conj(xfft)/NLen;y1=fft(y,NLen);y2=y1.*conj(y1)/NLen;figure(2);%濾除前后的信號對比。subplot(2,2,1);plot(n,x);grid;xlabel('Time (s)');ylabel('Amplitude');title('Input signal');subplot(2,2,3);plot(n,y);grid;xl

7、abel('Time (s)');ylabel('Amplitude');title('Filter output');subplot(2,2,2);plot(m*fs/NLen,xfft);axis(0 4000 0 0.15);grid;xlabel('Frequency (Hz)');ylabel('Magnitude (dB)');title('Input signal');subplot(2,2,4);plot(m*fs/NLen,y2);axis(0 4000 0 0.15);grid;

8、xlabel('Frequency (Hz)');ylabel('Magnitude (dB)');title('Filter output');音樂信號處理1題目要求*設(shè)計函數(shù)實現(xiàn)一段語音或音樂的回聲產(chǎn)生*設(shè)計均衡器，使得得不同頻率的混合音頻信號，通過一個均衡器后，增強或削減某些頻率區(qū)域，以便修正低頻和高頻信號之間的關(guān)系2.1解答過程回音可以由簡單的延時單元產(chǎn)生。直達(dá)聲和在R抽樣周期后出現(xiàn)的一種單個回音，可以用梳狀濾波器產(chǎn)生，微分方程為：yn=xn+xn-R |<1傳輸函數(shù)為：H(z)=1+z-R梳狀濾波器時域和頻域波形圖如下所示時域上形

9、狀大致相同，幅度有微小變化。頻譜上濾波前后兩邊跳動變換較大，幅度變化較大。也可以使用全通濾波器，全通濾波器的傳遞函數(shù)公式為H(Z)=y(Z)/X(Z)=(-K+Z(-m)/(1-K*Z(-m)，其中m為回聲延時取樣，k為反饋系數(shù)。用直接1型表示這個傳遞函數(shù)則為：y(n)=k*x(n)+x(n-m)+k*y(n-m)可見其實際上是一個簡單的IIR濾波器，時間n的輸出有時間n的輸入和m點之前的輸入與輸出計算而得。由于這個IIR濾波器的頻率響應(yīng)為水平直線，所以被稱為全通濾波器。全通濾波器時域和頻域波形圖如下所示對比 梳狀濾波器 和 全通濾波器，發(fā)現(xiàn)全通濾波器產(chǎn)生的回聲效果更佳，可構(gòu)成一個混響系統(tǒng)，而

10、梳狀濾波器則只是單純的延時疊加。附程序：單回聲濾波器y,fs,bits=wavread('voice2_8k.wav');y=y(:,1);z=zeros(3000,1);y;y=y;zeros(3000,1);a=0.5;R=5000;%濾波器階數(shù)設(shè)置，其值越高，回聲越明顯Bz1=1,zeros(1,R-1),a;%單回聲濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子Az1=(1);%單回聲濾波器系統(tǒng)函數(shù)分母y2=filter(Bz1,Az1,y);%單回聲濾波器系統(tǒng)函數(shù) Y2=fft(y2,6001);h,w=freqz(Bz1,Az1);%求設(shè)計的濾波器頻譜subplot(3,2,1);plot(a

11、bs(h);title('單回聲濾波器幅頻響應(yīng)');subplot(3,2,2); plot(angle(h);title('單回聲濾波器相頻響應(yīng)');subplot(3,2,3:4);plot(y2);title('單回聲濾波器時域圖 ');subplot(3,2,5);plot(abs(Y2);title('單回聲濾波器幅頻 ');subplot(3,2,6);plot(angle(Y2);title('單回聲濾波器相頻 ');sound(y2,fs,bits); 全通濾波器y,fs,bits=wavread(

12、'voice2_8k.wav');y=y(:,1);z=zeros(3000,1);y;y=y;zeros(3000,1);a=0.5;R=5000;%濾波器階數(shù)設(shè)置，其值越高，回聲越明顯Bz1=a,zeros(1,R-1),1;%全通濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子Az1=1,zeros(1,R-1),a;%全通濾波器系統(tǒng)函數(shù)分母h,w=freqz(Bz1,Az1);yy2=filter(Bz1,Az1,y);YY2=fft(yy2,6001);subplot(3,2,1);plot(abs(h);title('全通濾波器幅頻響應(yīng)');subplot(3,2,2); plo

13、t(angle(h);title('全通濾波器相頻響應(yīng)');subplot(3,2,3:4);plot(yy2);title('全通結(jié)構(gòu)時域圖 ');subplot(3,2,5);plot(abs(YY2);title('全通結(jié)構(gòu)幅頻 ');subplot(3,2,6);plot(angle(YY2);title('全通結(jié)構(gòu)相頻 ');sound(yy2,fs,bits); 2.2解答過程均衡器的基本功能是調(diào)節(jié)各頻段的信號強弱，為了滿足該功能，采用如下的方法：Step1：設(shè)計出對應(yīng)八個頻段的八個帶通濾波器；Step2：對原始信號分

14、八路用八個帶通濾波器進行濾波；Step3：將八個濾波器的濾波結(jié)果加權(quán)求和，權(quán)值的設(shè)計與均衡器的調(diào)節(jié)要求一致。這樣最終得到的結(jié)果便是所需要的均衡結(jié)果。其中第2步中各帶通濾波器的輸入信號均為原始信號，而不是“串聯(lián)”地濾波。設(shè)原始輸入信號為x(n)，第i路的輸出信號為，第i路的權(quán)值為，均衡器的輸出信號為y(n)，則有                        

15、                                                  

16、             (5)                         (6)式中，、為濾波器的參數(shù)，N為濾波器的階數(shù)。設(shè)計的均衡器如下：8個滾動條分別對8個頻率段進行處理，每個滾動條的值都是從0到1，初始值為0.5。這

17、一部分的原理是將采樣點N分成0()和N兩部分，兩部分之間對應(yīng)相等。然后對滾動條上的值進行對應(yīng)處理，實現(xiàn)程序如下：global cash; y=cash; 獲得全局變量值Fs=22000;t=str2double(get(handles.time,'String');N=2ceil(log2(Fs*t); 獲得采樣點的值P=fft(y,N);Pyy=2*sqrt(P.*conj(P)/N;f=Fs*(0:N/2-1)/N;f(N/2+1:N)=f(N/2:-1:1); 采樣點分段n=8;fmax=max(f); 在頻率值中尋找最大值if fmax>30s=get(handl

18、es.s1,'Value'); 從滾動條1獲得一個0-1之間的值，但只能縮小該頻段聲音信號 a=find(f>=30 & f<=100); 在30-100Hz的頻率段進行處理 b=(s*2)n; s*2可以實現(xiàn)對聲音信號的放大和縮小 Pyy(a)=Pyy(a)*b;P(a)=(P(a).*b).*b; 將系數(shù)疊加在原信號上endif fmax>100 對100-200Hz信號的處理 s=get(handles.s3,'Value'); a=find(f>=100 & f<=200); b=(s*2)n; Pyy(a)=Pyy(a)*b;P(a)=(P(a).*b).*b;endif fmax>200 對200-500Hz信號的處理