數(shù)字信號(hào)處理試驗(yàn)二

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試驗(yàn)二

信號(hào)的分析與處理綜合試驗(yàn)

一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

目的：綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)進(jìn)行信號(hào)的采樣，重構(gòu)，頻譜分析和濾波器的設(shè)計(jì)，通過(guò)理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，再利用Matlab作為編程工具進(jìn)行計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，建立概念。

二、基本要求

1．把握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本理論和基本方法；2．學(xué)會(huì)MATLAB的使用，把握MATLAB的程序設(shè)計(jì)方法；3．把握用MATLAB設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單試驗(yàn)驗(yàn)證采樣定理的方法；4．把握在Windows環(huán)境下語(yǔ)音信號(hào)采集的方法；5．學(xué)會(huì)用MATLAB對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析；

6．把握MATLAB設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法；

三、試驗(yàn)內(nèi)容

1．利用簡(jiǎn)單正弦信號(hào)設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證采樣定理：

（1）Matlab產(chǎn)生離散信號(hào)的方法，作圖的方法，以及基本運(yùn)算操作（2）對(duì)連續(xù)正弦信號(hào)以不同的采樣頻率作采樣（3）對(duì)采樣前后信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，并畫(huà)頻譜圖（4）分析采樣前后頻譜的有變化，驗(yàn)證采樣定理。

把握畫(huà)頻譜圖的方法，深刻理解采樣頻率，信號(hào)頻率，采樣點(diǎn)數(shù)，頻率分辯率等概念

2．真實(shí)語(yǔ)音信號(hào)的采樣重構(gòu)：錄制一段自己的語(yǔ)音信號(hào)，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣；畫(huà)出采樣前后語(yǔ)音

信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖；對(duì)降采樣后的信號(hào)進(jìn)行插值重構(gòu)，濾波，恢復(fù)原信號(hào)。（1）語(yǔ)音信號(hào)的采集

（2）降采樣的實(shí)現(xiàn)（改變了信號(hào)的采樣率）（3）以不同采樣率采樣后，語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析（4）采樣前后聲音的變化

（5）對(duì)降采樣后的信號(hào)進(jìn)行插值重構(gòu)，濾波，恢復(fù)原信號(hào)3．帶噪聲語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析

（1）設(shè)計(jì)一頻率已知的噪聲信號(hào)，與試驗(yàn)2中原始語(yǔ)音信號(hào)相加，構(gòu)造帶噪聲信號(hào)（2）畫(huà)出原始語(yǔ)音信號(hào)和加噪聲后信號(hào)，以及它們的頻譜圖（3）利用頻譜圖分析噪聲信號(hào)和原語(yǔ)音信號(hào)的不同特性

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4．對(duì)帶噪聲語(yǔ)音信號(hào)濾波去噪：給定濾波器性能指標(biāo)，采樣窗函數(shù)法或雙線性變換設(shè)計(jì)濾波器，并畫(huà)出

濾波器的頻率響應(yīng)；然后用自己設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)采樣的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，畫(huà)出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，并對(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)；（1）分析帶噪聲信號(hào)頻譜，找出噪聲所在的頻率段（2）利用matlab中已有的濾波器濾波（3）根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)特點(diǎn)，自己設(shè)計(jì)濾波器濾波

（4）比較各種濾波器性能（至少四種），選擇一種適合的濾波器將噪聲信號(hào)濾除（5）回放語(yǔ)音信號(hào)，比較濾波前后聲音的變化

四、試驗(yàn)原理

參考《數(shù)字信號(hào)處理》教材

《數(shù)字信號(hào)處理的MATLAB實(shí)現(xiàn)》萬(wàn)永革編著

五、主要試驗(yàn)儀器及材料

微型計(jì)算機(jī)、Matlab。

六、試驗(yàn)步驟

1．設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)單正弦信號(hào)，通過(guò)改變采樣率觀測(cè)采樣前后的信號(hào)變化。

例如：假設(shè)有一振幅為1，頻率為10Hz，相位為0.3的模擬信號(hào)，即sin(2??10?t?0.3)，用0.01s的采樣間隔（采樣頻率為100Hz）來(lái)表示原始信號(hào)（注意：實(shí)際上模擬信號(hào)不能用離散值表示，此處為了在計(jì)算機(jī)上表示，用采樣率十分高的離散信號(hào)表示模擬信號(hào)）。

分別以5Hz，10Hz（每秒采樣10次，即采樣間隔為0.1s），20Hz，40Hz，80Hz，200Hz對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行采樣，畫(huà)出采樣前后的信號(hào)，并畫(huà)出其頻譜圖，對(duì)比前后的變化，驗(yàn)證采樣定理。

（1）可以用t=0:1/fs:9/f;取9個(gè)周期，通過(guò)改變采樣率，自動(dòng)改變采樣點(diǎn)數(shù)。（2）也可以通過(guò)設(shè)置dt1(采樣間隔)，已知采樣點(diǎn)數(shù)n1，t1=n1*dt1，

如下圖，采樣率為40Hz時(shí)的原始信號(hào)，采樣過(guò)程和采樣后的信號(hào)時(shí)域圖和頻譜圖，可見(jiàn)，當(dāng)采樣率大于原始信號(hào)頻率的兩倍時(shí)，采樣前后信號(hào)頻率基本不發(fā)生變化，信號(hào)不失真。

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圖2-1采樣的過(guò)程

圖2-2原始信號(hào)和采樣后信號(hào)的頻譜

2．語(yǔ)音信號(hào)的采集。

利用windows下的錄音機(jī)或其他軟件，錄制一段自己的話音，時(shí)間控制在1秒左右。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)。通過(guò)wavread函數(shù)的使

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用，要求理解采樣頻率、采樣位數(shù)等概念。

wavread函數(shù)調(diào)用格式：

y=wavread(file)，讀取file所規(guī)定的wav文件，返回采樣值放在向量y中。

[y,fs,nbits]=wavread(file)，采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率（Hz），nbits表示采樣位數(shù)。y=wavread(file,N)，讀取前N點(diǎn)的采樣值放在向量y中。

y=wavread(file,[N1,N2])，讀取從N1點(diǎn)到N2點(diǎn)的采樣值放在向量y中。

3．對(duì)真實(shí)語(yǔ)音信號(hào)的采樣、重構(gòu)。（1）降采樣：

利用windows下的錄音機(jī)錄制的音頻采樣率是固定的fs（=22050），可以選擇以下函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的降采樣。

y=x((1:N:length(x)));%對(duì)原始信號(hào)每隔N個(gè)點(diǎn)取一位，即采樣率變?yōu)樵瓉?lái)的1/Ny=resample(yn,L,M);%采樣率變?yōu)樵瓉?lái)的L/M倍y=downsample(yn,N);%%采樣率變?yōu)樵瓉?lái)的1/N倍

改變采樣率為原來(lái)的1/2倍，1/4倍，1/20倍，1/50倍，1/100倍等，分別畫(huà)出降采樣前后的信號(hào)波形和頻譜圖，分析采樣前后信號(hào)的變化。

圖2-3采樣率為原來(lái)的1/2時(shí)的信號(hào)波形頻譜圖

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圖2-4采樣率為原來(lái)的1/10時(shí)信號(hào)波形頻譜圖

在MATLAB中，函數(shù)sound可以對(duì)聲音進(jìn)行回放。其調(diào)用格式：sound(x,fs,bits)；通過(guò)調(diào)用此函數(shù)，感覺(jué)采樣前后聲音的變化。（2）重構(gòu)原信號(hào)：

降采樣后，信號(hào)的采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)同時(shí)變化。如采樣率變?yōu)樵瓉?lái)的1/2，即對(duì)原始信號(hào)每隔一個(gè)點(diǎn)采樣。假使要恢復(fù)原始信號(hào)，即信號(hào)長(zhǎng)度和采樣率須變?yōu)樵瓉?lái)同樣大小。所以，必需對(duì)降采樣后信號(hào)進(jìn)行插值重構(gòu)。具體過(guò)程參見(jiàn)附件1中例子。

對(duì)采樣后的真實(shí)語(yǔ)音信