数字信号处理--综合实验

一、 语音数字滤波系统设计

1. 原理

实验中所需理论包括采样定理、时域信号的FFT 分析及数字滤波器设计原理和方法 采样定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率s f 大于等于信号最高截止频率h f 的2倍时，即：2s h f f ，则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高截止频率的5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理。

2. 任务

试编制一MATLAB 或LabVIEW 程序，实现语音数字滤波系统的用户界面设计，在所设计的系统界面上完成的功能包括：

（1）对于任意的语音信号进行采样并对加入加性噪声的信号作频谱分析；

（2）通过频谱分析选择合适的滤波器性能指标，设计合适的数字滤波器，并对含噪音的语音信号进行数字滤波，得出滤波器的时域波形和频谱；

（3）对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化；回放语音信号，对滤波前后的声音进行比较。

3. 思考题

（1）试分析各种不同类型滤波器的性能。

（2）试分析语音信号中的低频、中频和高频成分的特点及适合采用的滤波器类型。

二、 音频信号处理系统设计

1. 原理

实验中所需理论包括采样定理（可参照语音数字滤波系统设计）、时域信号的FFT 分析、AM 调制解调原理及IIR 巴特沃斯滤波器和FIR 窗函数法滤波器设计原理和方法。

调制，就是用一个信号（原信号也称调制信号）去控制另一个信号（载波信号）的某个参量，从而产生已调制信号；解调则是相反的过程，即从已调制信号中恢复出原信号。 幅度调制（AM ）是用调制信号去控制高频载波的振幅，使其按调制信号的规律变化，其它参数不变。

假设调制信号()m t 的平均值为0，将其叠加一个直流偏量0A 后与载波相乘即可形成调幅信号()AM S t 。其时域表示式为

0()[()]cos AM c S t A m t t ω=+

式中：cos c t ω为载波信号；0A 为外加的直流分量；()m t 可以是确知信号，也可以是随机信号。

2. 任务

试编制MATLAB 或LabVIEW 程序，实现音频信号处理系统的GUI 用户界面设计，在所设计的系统界面上完成的功能包括以下各个实验的输出波形和频谱：

（1）利用Windows 下的录音机设备录制一段音乐信号或采用其它软件截取一段音乐信

号，观察音乐信号的音谱和频谱（要求时间不超过5s ，文件格式为wav 格式）；

（2）观察音乐信号频率上限，选择适当的抽取间隔对信号进行采样，给出采样后音乐

信号的波形和频谱，并解释现象（要求是代表混叠和非混叠的两种采样间隔）；

（3）观察音乐信号频率上限，选择适当两种高、低频率对信号进行幅度调制（AM ）；

（4）设计IIR 巴特沃斯滤波器和窗函数法的FIR 滤波器，并实现同步解调，并给出输出

波形和解释现象；

（5）对音乐信号叠加噪声，观察噪声信号的频谱及加噪后音乐信号的音谱及频谱，并

设计合适的滤波器去噪，观察去噪后的音谱和频谱；

3. 思考题

1. 试分析IIR 数字滤波器与FIR 数字滤波器的性能比较。

2. 试分析音乐信号的幅度与相位特征对信号有哪些影响？

三、数字音效处理器的设计

1. 目标

1．掌握Matlab的基本编程语句；

2. 掌握在Windows环境下音频信号的采集方法；

3. 掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法；

4. 掌握Matlab处理数字信号、进行频谱分析、设计数字滤波器的编程方法。

2. 任务

1. 要求利用Windows下的录音机,录制一段自己的话音,时间在5s内，存为*.WAV的文件。

然后在Matlab软件平台下,利用函数wavread对语音信号进行采样,记住采样频率和

采样点数。

2. 对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性，分析基频。

3. 设计数字滤波器，各滤波器的性能指标为：

(1)低通滤波器性能指标fb＝1000Hz,fc＝1200Hz,As＝100dB,Ap＝1dB。

(2)高通滤波器性能指标fc＝4800Hz,fb＝5000Hz As＝100dB,Ap＝1dB。

(3)带通滤波器性能指标fb1＝1200Hz,fb2＝3000Hz,fc1＝1000Hz,fc2＝3200Hz,As＝

100dB,Ap＝1dB

4. 用滤波器对信号进行滤波，观察比较滤波前后语音信号的波形及频谱。

5. 实现对声音信号放大和衰减及对录音内容倒播放功能，观察语音信号的波形及频谱。

6. 实现混音和回音的音效效果，观察语音信号的波形及频谱。

7. 实现男女变声音效效果，观察语音信号的波形及频谱。

8. 设计系统的用户界面（GUI）。

3. 思考题

1. 试用MATLAB编写男人、女人、老人和小孩的之间相互变声程序？

2. 试分析音频信号的幅度与相位特征对信号有哪些影响？

四、频谱分析仪设计

实验要求:设计一种基于MATLAB GUI的频谱分析仪，实现输入信号频谱分析的功能。通过其GUI界面操作，对信号进行分析处理。通过时域分析可以看到输入信号的波形以及该信号的某些特征值，如频率、幅值、相位、周期等，通过频域分析可以得到一维和二维信号的频谱特性。

参考：

五、数字电子琴设计

实验要求: 设计一种基于MATLAB GUI或是Labview是数字电子琴。利用琴键的发声原理，针对不同的MIDI码对应不同频率的音符，实现琴键的发声；同时设计了数字滤波器，并利用快速傅里叶变换对声音信号进行了频谱分析；对电子琴设计添加辅助功能，如选择音长、选择包络、演奏乐谱、升降调处理、播放音频等。

数字电子琴功能说明：

1、单音键盘发声：鼠标点击每个琴键，都会发出声音。同时在提示框处显示当前音调。

2、键盘代替鼠标输入：该设计中每个琴键上标写的字母或数字均与电脑键盘一一对应。按下电脑键盘（大写锁定状态下），对应的琴键发出声音。实现键盘代替鼠标输入。同时在提示框处显示当前音调。

3、键盘播放后存储并统一播放：点击“录音”按钮，然后通过电脑键盘或鼠标点击琴键，再点击“停止”按钮，完成键盘存储。最后点击“回放”按钮，完成对存储的键盘操作统一播放。各步骤的信息均会在提示框处显示。

4、琴键效果：该设计中的琴键被按下后，颜色都会发生改变。抬起时琴键颜色也会发生改变。使得琴键按下和抬起的效果更明显。

5、音长的选择：在该设计中，设计了一个音效长短的选择模块，通过选择长音、中音或短音，可以改变音的长短。同时在提示框处显示当前音长。

6、包络的选择：在该设计中，设计了包络的选择模块，通过选择正弦波、三角波、指数波、方波，可以改变音型，并显示在画图模块里。同时在提示框处显示当前包络。

7、演奏乐谱：点击“选择”按钮，选择编写好的乐谱文件（如该文件夹中的test.txt），点击“开始”，可以播放该乐谱文件；也可以点击相应按钮，对乐谱文件进行暂停和停止操作。同时在提示框处会显示相关信息，若没有选择文件，则会提示“请先载入乐谱”。

8、播放音频：点击“选择”按钮，选择wav格式音频文件（如该文件夹中的e-organ.wav），点击“开始”，可以播放该音频文件；也可以点击相应按钮，对音频文件进行暂停、停止和复位等操作。同时在提示框处显示相关信息，若没有选择文件，则会提示“请先载入wav 文件”。

9、升降调功能：点击“+”按钮之后再点击琴键，可以完成音的升调功能；点击“—”之后再点击琴键，可以完成音的降调功能。点击“O”则恢复原音调（C调）。同时提示框内会显示处理后的音调。

10、提示信息：在画图模块左侧是各类提示信息框。分别提示当前音长、当前包络、当前音调（高音、中音或低音）、升降调功能里处理后的音调、琴键存储统一播放的相关信息、演奏乐谱的相关信息以及播放音频的相关信息。

11、画图模块：显示每个音符的波形，方便观察音型。

12、关机键：在界面的左上角是关机键，点击该按钮即可关闭页面。

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