《数字信号处理》课程设计基于某MATLAB地音乐信号处理和分析报告解析汇报.docx
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《数字信号处理》课程设计基于某MATLAB地音乐信号处理和分析报告解析汇报
《数字信号处理》课程设计
设计题目：
基于MATLAB的音乐信号处理和分析
院系：
物理工程学院
专业：
电子信息科学与技术
学号：
某某：
一、课程设计的目的
本课程设计通过对音乐信号的采样、抽取、调制解调、滤波、去噪等多种处理过程的理论分析和MATLAB实现，使学生进一步巩固数字信号处理的根本概念、理论以与频谱分析方法和数字滤波器设计方法；使学生掌握的根本理论和分析方法只是得到进一步扩展；使学生能有效地将理论和实际严密结合；增强学生软件编程实现能力和解决实际问题的能力。
二、课程设计的根本要求
1学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的根本编程语句。
2掌握在Windows环境下音乐信号采集的方法。
3掌握数字信号处理的根本概念、根本理论和根本方法。
4掌握MATLAB设计FIR和IIR数字滤波器的方法。
5掌握使用MATLAB处理数字信号、进展频谱分析、涉与数字滤波器的编程方法。
三、课程设计内容
实验1音乐信号的音谱和频谱观察
使用windows下的录音机录制一段音乐信号或采用其它软件截取一段音乐信号〔要求：
时间不超过5s、文件格式为wav文件〕
1 使用wavread语句读取音乐信号，获取抽样率；〔注意：
读取的信号时双声道信号，即为双列向量，需要分列处理〕；
2 输出音乐信号的波形和频谱，观察现象；
使用sound语句播放音乐信号，注意不同抽样率下的音调变化，解释现象。
程序如下：
[Y,FS,NBITS]=WAVREAD（'怒放的生命-汪峰5s'）;%读取音乐信号
plot（Y）;%显示音乐信号的波形和频谱
sound（Y,FS）;%听音乐〔按照原来的抽样率〕
Y1=Y（:
1）;%由双声道信号变为单声道信号
size（Y1）
figure
subplot（2,1,1）;
plot（Y）;%显示原信号波形
N=length（Y1）;
f1=fft（Y1）;%傅立叶变换
w=2/N*[0:
N/2-1];
subplot（2,1,2）;
plot（w,abs（f1（1:
N/2）））;%显示波形
原信号的波形和频谱图
实验2音乐信号的抽取〔减抽样〕
1 观察音乐信号频率上限，选择适当的抽取间隔对信号进展减抽样〔给出两种抽取间隔，代表混叠与非混叠〕；
2 输出减抽样音乐信号的波形和频谱，观察现象，给出理论解释；
播放减抽样音乐信号，注意抽样率的变化，比拟不同抽取间隔下的声音，解释现象
程序如下
[Y,FS,NBITS]=WAVREAD（'怒放的生命-汪峰5s'）;
Y1=Y（:
1）;
D=;j=0;%减抽样，D表示抽样间隔〔10倍和100倍〕
fori=1:
D:
length（Y1）%I表示开始减抽样的起始点
j=j+1;
Y2（j）=Y1（i）;%Y2减抽样后的信号
end
N=length（Y1）;
N1=length（Y2）;
F1=fft（Y1）;
F2=fft（Y2）;
w1=2/N*[0:
N-1];
w2=2/N1*[0:
N1-1];
figure
subplot（4,1,1）;plot（Y1）;%显示原单声道信号波形和频谱
subplot（4,1,2）;plot（Y2）;%图显示抽样信号波形和频谱
subplot（4,1,3）;plot（w1,abs（F1））;%显示原单声道信号fft变换后的波形和频谱
subplot（4,1,4）;plot（w2,abs（F2））;%显示抽样信号快速fft变换后的波形和频谱
sound（Y2,FS）%声音低沉，而且不是很清晰。
有一些声音信号丢失，%抽样率越高，声音越听不清晰，
图2〔〔10倍〕图中由上而下依次为原单声道波形、抽样后波形、原单快速fft变换波形、抽样信号快速fft变换波形
图2〔〔100倍〕图中由上而下依次为原单声道波形、抽样后波形、原单声道
快速fft变换波形、抽样信号快速fft变换波形〕
实验3音乐信号的AM调制
1 观察音乐信号的频率上限，选择适当调制频率对信号进展调制〔给出高、低两种调制频率〕；
2 输出调制信号的波形和频谱，观察现象，给出理论解释；
播放调制音乐信号，注意不同调制频率下的声音，解释现象。
程序如下：
[Y,FS,NBITS]=WAVREAD（'怒放的生命-汪峰5s'）;
Y1=Y（:
1）;
N=length（Y1）;
F1=fft（Y1）;%傅立叶变换
w1=2/N*[0:
N/2-1];
figure
subplot（2,2,1）;
plot（w1,abs（F1（1:
N/2）））;
N1=0:
N-1;
Y2=cos（N1*pi/8）;%设置高频调制信号
N2=length（Y2）
F2=fft（Y2）;
w2=2/N2*[0:
N2/2-1];
subplot（2,2,2）;plot（w2,abs（F2（1:
N2/2）））;
subplot（2,2,3）;stem（（0:
64）,Y2（1:
65））;
F=Y1.*Y2';%利用高频调制信号调制单列音乐信号
N3=length（F）;
F3=fft（F）;%傅立叶变换
w3=2/N3*[0:
N3-1];
subplot（2,2,4）;plot（w3,abs（F3））;
sound（F,FS）%未混叠时，声音锋利，不清晰，刺耳
%混叠时，声音轻，只有淡淡的音调，根本没有起伏，不清晰。
〔未混叠〕图中由左到右依次为原音乐的傅立叶变换COS函数的频谱图
COS函数离散信号AM调制的后的波形
（混叠）图中由左到右依次为原音乐的傅立叶变换COS函数的频谱图
COS函数离散信号AM调制的后的波形
实验4AM调制音乐信号同步解调
1 设计巴特沃斯IIR滤波器完成同步解调；观察滤波器频率响应曲线
2 用窗函数法设计FIR滤波器完成同步解调，观察滤波器频率响应曲线；〔分别使用矩形窗和布莱克曼窗，进展比拟〕；
3 输出解调信号的波形和频谱图，观察现象，给出理论解释；
播放解调音乐信号，比拟不同滤波器下的声音，解释现象。
巴特沃斯IIR滤波器
程序如下
clearall;closeall;clc
[Y,FS,NBITS]=WAVREAD（'怒放的生命-汪峰5s'）;
Y1=Y（:
1）;
N=length（Y1）;
N1=0:
N-1;
Y2=cos（N1*pi/8）;
F=Y1.*Y2';
F2=F.*Y2';%音乐信号调制
wp=0.18;ws=0.25;rp=1;rs=50;%设计巴特沃斯IIR滤波器
[N4,Wc]=buttord（wp,ws,rp,rs）;
[B,A]=butter（N4,Wc）;
[Hd,w]=freqz（B,A）;
figure
subplot（2,1,1）;plot（w/pi,abs（Hd））;
F3=filter（B,A,F2）;%解调音乐信号
N4=length（F3）;
F4=fft（F3）;
w4=2/N4*[0:
N4/2-1];
subplot（2,1,2）;plot（w4,abs（F4（1:
N4/2）））;
sound（F3,FS）%声音清晰，根本和原来的音乐差不多，但是音乐开始有一点点杂音。
巴特沃斯IIR滤波器频率响应曲线与解调后的波形
矩形窗和布莱克曼窗
functionhd=ideal（N,wc）
forn=0:
N-1
ifn==（N-1）/2
hd（n+1）=wc/pi;
elsehd（n+1）=sin（wc*（n-（N-1）/2））/（pi*（n-（N-1）/2））;
end
end
〔将上述程序保存为ideal.m,但是不能运行。
然后在打开新窗口编写如下主程序〕
clearall;closeall;clc
[Y,FS,NBITS]=WAVREAD（'怒放的生命-汪峰5s'）;
Y1=Y（:
1）;
N=length（Y1）;
N1=0:
N-1;
Y2=cos（N1*pi/8）;
F=Y1.*Y2';
F2=F.*Y2';%调制音乐信号
N=89;wc=pi/0.22;%矩形和布莱克曼窗
hd=ideal（N,wc）;
w1=boxcar（N）;
w2=blackman（N）;
h1=hd.*w1';
h2=hd.*w2';
N1=length（h1）;
N2=length（h2）;
fh1=fft（h1）;
fh2=fft（h2）;
ww1=2/N1*（0:
（N1-1）/2）;
ww2=2/N2*（0:
（N2-1）/2）;
figure
subplot（2,1,1）;plot（ww1,abs（fh1（1:
（N1-1）/2+1）））;
subplot（2,1,2）;plot（ww2,abs（fh2（1:
（N1-1）/2+1）））;
F3=conv（F2,h1）;
F4=conv（F2,h2）;
M1=length（F3）;
M2=length（F4）;
fy1=fft（F3）;
fy2=fft（F4）;
w3=2/M1*[0:
M1/2-1];
w4=2/M2*[0:
M2/2-1];
figure
subplot（2,1,1）;plot（w3,abs（fy1（1:
M1/2）））;
subplot（2,1,2）;plot（w4,abs（fy2（1:
M2/2）））;
sound（F3,FS）%音乐信号清晰，有杂音，低沉.
滤波器频率响应曲线
解调后波形
5、音乐信号的滤波去噪
1 给出原始音乐信号叠加幅度为0.05，频率为3kHz，5kHz、8kHz的三余弦混合噪声，观察噪声频谱以与加噪后音乐信号的音谱和频谱，并播放音乐，感受噪声对音乐信号的影响；
2 给原始音乐信号叠加幅度为0.5的随机白噪声〔可用rand语句产生〕，观察噪声频谱以与加噪后音乐信号的音谱和频谱，并播放音乐，感受噪声对音乐信号的影响；
根据步骤①、②观察到的频谱，选择适宜指标设计滤波器进展滤波去噪，观察去噪后信号音谱和频谱，并播放音乐，解释现象。
程序如下：
三余弦混合噪声：
[x,fs,nbits]=wavread（'怒放的生命-汪峰5s'）;
x1=x（:
1）;%获取单列音乐信号并对其做FFT变换
N1=length（x1）;
fx1=fft（x1）;
w1=2/N1*[0:
N1/2-1];
n=0:
N1-1;y=0.05*（cos（2*pi*n*3000/fs）+cos（2*pi*n*5000/fs）+cos（2*pi*n*8000/fs））;
%设计三余弦混合噪声信号
N2=length（y）;%对三余弦混合噪声信号做FFT变换
fy=fft（y）;
w2=2/N2*（0:
N2/2-1）*fs/2;
hdx=x1+y';%产生加噪后的音乐信号并对其做FFT变换
M=length（hdx）;
fhdx=fft（hdx）;
w3=2/M*（0:
M/2-1）;
figure%画出单列信号音乐信号的频谱图、三余弦混合噪声信号的离散信号图
%与其频谱图和加噪后音乐信号的频谱图
subplot（2,2,1）;plot（w1,abs（fx1（1:
N1/2）））;
subplot（2,2,2）;stem（（0:
127）,y（1:
128））;
subplot（2,2,3）;plot（w2,abs（fy（1:
N2/2）））;
subplot（2,2,4）;plot（w3,abs（fhdx（1:
M/2）））;
sound（hdx,fs）;%音乐信号有电流声，而且噪声比拟明显。
wp=0.1;ws=0.15;rp=1;rs=50;%设计巴特沃斯滤波器
[N4,Wc]=buttord（wp,ws,rp,rs）;
[B,A]=butter（N4,Wc）;
[Hd,w]=freqz（B,A）;
lohdx=filter（B,A,hdx）;%利用巴特沃斯滤波器对加噪后音乐信号进展滤波并对其做%FFT变换
M1=length（lohdx）;
flohdx=fft（lohdx）;
w4=2/M1*（0:
M1/2-1）;
figure%画出加噪后音乐信号的音频图、巴特沃斯滤波器的频率响应曲线
%和滤波后音乐信号的频谱图
subplot（3,1,1）;plot（hdx）;
subplot（3,1,2）;plot（w/pi,abs（Hd））;
subplot（3,1,3）;plot（w4,abs（flohdx（1:
M1/2）））;
sound（lohdx,fs）;%滤波后音乐信号比拟低沉，较清晰。
单列信号音乐信号的频谱图、三余弦混合噪声信号的离散信号图
与其频谱图、加噪后音乐信号的频谱图
加噪后音乐信号的音频图、巴特沃斯滤波器的频率响应曲线
和滤波后音乐信号的频谱图
白噪声：
[x,fs,nbits]=wavread（'怒放的生命-汪峰5s'）;
x1=x（:
1）;%获取单列音乐信号并对其做FFT变换
N1=length（x1）;
fx1=fft（x1）;
w1=2/N1*[0:
N1/2-1];
ry=rand（size（x1））-0.5;%产生随机白噪声信号并对其做FFT变换
N=length（ry）;
fry=fft（ry）;
w=2/N*（0:
N-1）;
xry=x1+ry;%产生加噪后的音乐信号并对其做FFT变换
NN=length（xry）
fxry=fft（xry）;
ww=2/NN*（0:
NN/2-1）;
figure%画出单列信号音乐信号的频谱图、随机白噪声信号的音频图
%与其频谱图和加噪后音乐信号的频谱图
subplot（2,2,1）;plot（w1,abs（fx1（1:
N1/2）））;
subplot（2,2,2）;plot（ry）;
subplot（2,2,3）;plot（w,abs（fry））;
subplot（2,2,4）;plot（ww,abs（fxry（1:
NN/2）））;
sound（xry,fs）;%声音信号有沙沙声。
wp=0.1;ws=0.15;rp=1;rs=50;%设计巴特沃斯滤波器
[N4,Wc]=buttord（wp,ws,rp,rs）;
[B,A]=butter（N4,Wc）;
[Hd,w]=freqz（B,A）;
loxry=filter（B,A,xry）;%利用巴特沃斯滤波器对加噪后音乐信号进展滤波并对%其做FFT变换
NN1=length（loxry）;
floxry=fft（loxry）;
ww1=2/NN1*（0:
NN1/2-1）;
figure%画出加噪后音乐信号的音频图、巴特沃斯滤波器的频率响应曲线
%和滤波后音乐信号的频谱图
subplot（3,1,1）;plot（xry）
subplot（3,1,2）;plot（w/pi,abs（Hd））;
subplot（3,1,3）;plot（ww1,abs（floxry（1:
NN1/2）））;
%sound（loxry,fs）;%音乐信号低沉，但是沙沙声还是没有滤除。
但是较为减轻
单列信号音乐信号的频谱图、随机白噪声信号的音频图
与其频谱图和加噪后音乐信号的频谱图
画出加噪后音乐信号的音频图、巴特沃斯滤波器的频率响应曲线
和滤波后音乐信号的频谱图
6、音乐信号的幅频滤波与相频分析
1 设计低通滤波器〔可自行选取不同的截止频率〕，滤除原始音乐信号的高频信息，观察滤波前后的幅度频谱，并比拟滤波前后的音乐效果，感受高频信息对音乐信号的影响；
2 设计高通滤波器〔可自行选取不同的截止频率〕，滤除原始音乐信号的低频信息，观察滤波前后的幅度频谱，并比拟滤波前后的音乐效果，感受低频信息对音乐信号的影响；
3 选取两段不同的音乐信号，分别将其幅度谱与相位谱交叉组合构成新的音乐信号，播放比拟组合后的音乐与原始音乐，感受相频信息对音乐信号的影响。
程序如下;
滤除高频信息的程序：
clearall;closeall;clc
[x,fs,nbits]=wavread（'怒放的生命-汪峰5s'）;
x1=x（:
1）;%获取单列音乐信号并对其做FFT变换
N=length（x1）;
fx1=fft（x1）;
w1=2/N*（0:
N/2-1）;
wp=0.01;ws=0.06;rp=1;rs=50;%设计巴特沃斯滤波器
[N4,Wc]=buttord（wp,ws,rp,rs）;
[B,A]=butter（N4,Wc）;
[Hd,w]=freqz（B,A）;
lox1=filter（B,A,x1）;%使用巴特沃斯滤波器滤除音乐信号的高频局部并对所得
%音乐信号做FFT变换
N1=length（lox1）;
flox1=fft（lox1）;
w2=2/N1*（0:
N1/2-1）;
figure%画出单列音乐信号的频谱图、巴特沃斯滤波器的频率响应曲线和滤除
%高频后的音乐信号的频谱图
subplot（3,1,1）;plot（w1,abs（fx1（1:
N/2）））;
subplot（3,1,2）;plot（w/pi,abs（Hd））;
subplot（3,1,3）;plot（w2,abs（flox1（1:
N1/2）））;
sound（x1,fs）;%播放单列音乐信号和滤除高频后的音乐信号
sound（lox1,fs）；%声音清晰
单列音乐信号的频谱图、巴特沃斯滤波器的频率响应曲线、
滤除高频后的音乐信号的频谱图
滤除低频信息的程序：
clearall;closeall;clc
[x,fs,nbits]=wavread（'怒放的生命-汪峰5s'）;
x1=x（:
1）;%获取单列音乐信号并对其做FFT变换
N=length（x1）;
fx1=fft（x1）;
w1=2/N*（0:
N/2-1）;
wp=0.2;ws=0.05;rp=1;rs=50;%设计巴特沃斯高通滤波器
[N4,Wc]=buttord（wp,ws,rp,rs）;
[B,A]=butter（N4,Wc,'high'）;
[Hd,w]=freqz（B,A）;
lox1=filter（B,A,x1）;%使用巴特沃斯滤波器滤除音乐信号的低频局部并对所得音乐信号做FFT变换
N1=length（lox1）;
flox1=fft（lox1）;
w2=2/N1*（0:
N1/2-1）;
figure%画出单列音乐信号的频谱图、巴特沃斯滤波器的频率响应曲
%线和滤除低频后的音乐信号的频谱图
subplot（3,1,1）;plot（w1,abs（fx1（1:
N/2）））;
subplot（3,1,2）;plot（w/pi,abs（Hd））;
subplot（3,1,3）;plot（w2,abs（flox1（1:
N1/2）））;
sound（lox1,fs）;%声音低，不清晰。
交叉组合音乐
clearall;closeall;clc
clearall;closeall;clc
[x,fs,nbits]=wavread（'钢琴曲-雨的印记5s'）;
[y,fs,nbits]=wavread（'怒放的生命-汪峰5s'）;
x1=x（:
1）;
y1=y（:
1）;
x2=x1（1:
200000）%取音乐长度
Nx2=length（x2）;
y2=y1（1:
200000）;
Ny2=length（y2）;
x3=fft（x2）;
y3=fft（y2）;
w1=2/Nx2*[0:
Nx2-1];
w2=2/Ny2*[0:
Ny2-1];
Fx1=abs（x3）;%选取第一个音乐信号的幅度和第二个音乐信号%的相位
Ay1=angle（y3）;
F4=Fx1.*exp（j*Ay1）;
X4=ifft（F4）;
NF4=length（F4）;
F5=fft（F4）;
w3=2/NF4*[0:
NF4-1];
sound（real（X4）,fs）;
figure
subplot（3,1,1）;plot（w1,abs（x3））;
subplot（3,1,2）;plot（w2,abs（y3））;
subplot（3,1,3）;plot（w3,abs（F5））;
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