信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報告模板.doc

武漢大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)報告電子信息學(xué)院 專業(yè) 2012 年 12 月 30 日 實(shí)驗(yàn)名稱 指導(dǎo)教師 盧昕 姓名 年級 學(xué)號 成績 一、 預(yù)習(xí)部分1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 實(shí)驗(yàn)基本原理3. 主要儀器設(shè)備（含必要的元器件、工具）一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 鞏固傅里葉變換及其反變換的知識，學(xué)習(xí)從時域和頻域兩個角度來觀察信號。 2. 嘗試?yán)枚虝r傅里葉變換分析非平穩(wěn)信號的頻譜變化。 3熟悉 MATLAB 環(huán)境中 wavread、wavrecord、wavplay、fft 和 ifft 等函數(shù)的應(yīng)用。二實(shí)驗(yàn)原理 音頻信號（Audio）是通過麥克風(fēng)、A/D 等數(shù)據(jù)采集設(shè)備將聲音轉(zhuǎn)換而成的電信號，是聲波頻率、幅度變化的信息載體。聲音的三個主觀特性是音調(diào)、音強(qiáng)和音色。而聲波的三個重要參數(shù)為頻率 0、幅度 A n 和相 位n ，這也就決定了音頻信號的特征定義如下： 1. 基頻與音調(diào):基頻指一個復(fù)雜聲波中最低的一個頻率 （其他頻率叫諧波 ）。音調(diào)主要 由聲音的頻率決定，同時也與聲音強(qiáng)度有關(guān)。對一定強(qiáng)度的純音，音調(diào)隨頻率的升降而升降；對一定頻率的純音、低頻純音的音調(diào)隨聲強(qiáng)增加而下降，高頻純音的音調(diào)卻隨強(qiáng)度增加而上升。2. 諧波與音色:諧波 是指周 期函數(shù) 或周 期性的 波形中 不能用 常數(shù)與 原函數(shù) 基頻的 正弦函 數(shù)和余弦函數(shù)的線性組合表達(dá)的部分。nO 稱為O 的 n 次諧波分量，也稱為(n-1)次泛音。音色是由混入基音的泛音所決定的，高次諧波越豐富，音色就越有明亮感和穿透力。不同的諧波具有不同的幅值 An 和相位偏移n ，由此產(chǎn)生各種音色效果。3. 幅度與音強(qiáng):人耳對于聲音細(xì)節(jié)的分辨只有在強(qiáng)度適中時才最靈敏。人的聽覺響應(yīng)與強(qiáng)度成對數(shù)關(guān)系。常用音量來描述音強(qiáng)，以分貝（dB=20log）為單位。4. 音寬與頻帶:音頻信號的頻帶寬度簡稱為音寬，它是描述組成復(fù)合信號的頻率范圍。借助傅里葉變換，信號可以時間函數(shù)或頻率函數(shù)兩種形式描述，特別是周期信號和準(zhǔn)周期信號（前者由一個基頻成分和若干諧波成分，后者雖可分解為幾個正弦分量，但它們的周期沒有公倍數(shù)），從頻率域可以很清 楚地了解它們由哪些正弦分量 組成。而對于非平穩(wěn)信號，最典型的例子就是語音信號，它是非周期的。三涉及的MATLAB 相關(guān)內(nèi)容 1. wavread 功能 ：讀取 Microsoft 的 WAVE 文件。 基本 調(diào)用格式： y, Fs, nbits = wavread(filename) 載入以 filename 命名的 WAVE 文件。y 為 采樣數(shù)據(jù)，F(xiàn)s 為 WAVE 文件被采樣時所用的采樣頻率，nbits 為用于描述每個 采樣點(diǎn)的編碼數(shù)據(jù)位（常用的有 8bits 和 16bits）。其中 filename以單 引號括起的字符串方式輸入。 2. wavrecord 功能 ：應(yīng)用 PC 機(jī)上音頻輸入設(shè)備錄制聲音。 基本 調(diào)用格式： y = wavrecord(n,Fs)對某音頻信號以 Fs Hz 采樣率連續(xù)錄入 n 個采樣的數(shù)據(jù) 。其中 Fs 默認(rèn)值為 11025Hz。 3. wavplay 功能 ：應(yīng)用 PC 機(jī)上音頻輸出設(shè)備播放已錄制的聲音。 基本 調(diào)用格式： W avplay(y,Fs)以 Fs 播放存入矢量 y 中的音頻信號。Fs 默認(rèn)值11025Hz。4. fft功能：離散傅立葉變換函數(shù)。 基本調(diào)用格式： Y = fft(X,n)對矢量 X 進(jìn)行 n 點(diǎn)離散傅立葉變換，結(jié)果存入矢量 Y。計(jì)算時所用算法為快速傅立葉變換（FFT）。如果 X 為普通矩陣，那么返回為對此矩陣進(jìn)行逐列的 FFT 的結(jié)果。 5. ifft 功能：離散傅立葉反變換。 基本調(diào)用格式： y = ifft(X,n)返回對矢量 X 進(jìn)行 n 點(diǎn)離散傅立葉反變換的結(jié)果。同樣利用FFT 算法進(jìn)行具體計(jì)算，若 X 為矩陣，返回結(jié)果為逐列離散傅立葉反變換的Y 矩陣。二、 實(shí)驗(yàn)操作部分1. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、表格及數(shù)據(jù)處理2. 實(shí)驗(yàn)操作過程（可用圖表示）3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)論四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法 本實(shí)驗(yàn)利用matlab工具采集和分析聲音信號的頻譜由以下幾個部分組成：1 聲音的采集Matlab提供了 讀入、錄制 和播放聲音以 及快速傅里葉 變換的函數(shù)， 分別是wavread、wavrecord、wavplay 和 fft。閱讀這幾個函數(shù)的幫助文檔，熟練使用。2. 持續(xù)音的頻譜分析 （1）將 Windows 的系統(tǒng)目錄下的 ding.wav 文件讀入，這是一個雙聲道的聲音，選擇任一聲道的信號，使用 fft 求取其頻譜，并用 plot 顯示它的幅度譜，觀察主要的正弦分量，其代碼如下所示：y,fs=wavread(ding.wav); yr=y(:,1); yr=yr(1:1024); YR2048=fft(yr,2048); figure(numbertitle,off,name,2048點(diǎn)FFT); plot(linspace(-pi,pi,2048),fftshift(abs(YR2048); YR1024=fft(yr,1024); figure(numbertitle,off,name,1024點(diǎn)FFT); plot(linspace(-pi,pi,1024),fftshift(abs(YR1024);而程序運(yùn)行結(jié)果為： 圖1. 2048 點(diǎn) FFT，其頻譜圖如上所示 圖2. 1024 點(diǎn) FFT，其頻譜圖如上所示（2）用 ifft 函數(shù)求取頻譜的反傅里葉反變換，比較反變換后的信號波形與原始信號的波形，其代碼如下所示：yr1024=real(ifft(YR1024); figure(numbertitle,off,name, 1024點(diǎn)fft的反變換); subplot(2,1,1); plot(yr1024) title( 1024點(diǎn)FFt的反變換) subplot(2,1,2); plot(yr); title(原信號); 圖3. 反變換后的信號波形與原始信號的波形（3）從頻譜中找到幅度 最大的正弦分量，構(gòu)造一個同樣幅度的 正弦信號，將其波形與原始信號比較，并且試聽一下。maxpeak,peaki=max(abs(YR1024(1:512); MAXSIN=zeros(1,1024); MAXSIN(peaki)=maxpeak; MAXSIN(1026-peaki)=maxpeak; maxsin=ifft(MAXSIN); figure(numbertitle,off,name,用最大正弦分量重構(gòu)信號); subplot(2,1,1) plot(maxsin); title(重構(gòu)的信號); subplot(2,1,2); plot(yr1024); title(原始信號); wavplay(yr1024); wavplay(maxsin);程序運(yùn)行后得到下圖4所示圖以及“嘟”的聲音： 圖4.重構(gòu)波形與原始信號對比圖3.時變音的短時頻譜分析使用”load chirp”載入 matlab 自帶的一個時變音，其代碼如下所示：load chirp len=length(y); for i=1:floor(len/1024) seg=y(i-1)*1024+1:i*1024); figure(numbertitle,off,name,Frame,num2str(i); plot(linspace(-pi,pi,1024),fftshift(abs(fft(seg); end 運(yùn)行程序后得到如下所示短時頻譜圖： Frame1 Frame2 Frame3 Frame4 Frame5 Frame6 Frame7 Frame8 Frame9 Frame10 Frame11 Frame124.思考題部分：分 別錄制男生和女 生發(fā)元音“a”的 聲音，通過對音 頻文件的頻譜分析 對比兩者的差異，并進(jìn)行合理的解釋。（1） 編寫程序如下所示：y = wavrecord(20480,Fs);%錄音對音頻信號以 Fs =11025Hz 采樣率連續(xù)錄入 20480個采樣點(diǎn)pause(5);%等待5秒鐘yr=y(:,1);YR=fft(yr(1:1024),1024);%做1024點(diǎn)的傅里葉變換figure(numbertitle,off,name,錄入音的頻譜);plot(linspace(-pi,pi,1024),fftshift(abs(YR);%顯示錄入音的頻譜wavplay(yr);（2）顯示男女生的頻譜圖如下所示：女生a的聲音1024點(diǎn)fft顯示頻譜 男生a的聲音1024點(diǎn)fft顯示頻譜（3）分析頻譜圖顯示結(jié)果：（i）男女生聲音的本質(zhì)區(qū)別是男生聲音低沉，而女生聲音尖銳，在頻譜圖上也可以有明顯的體現(xiàn)，觀察以上兩圖可以發(fā)現(xiàn)男生聲音集中在低頻區(qū)，而女生的聲音頻率集中在相對較高的頻率部分； （ii）在幅度上的體現(xiàn)是女生聲音時響度比男生的聲響大，除了在錄制時的偶然因素以外，一般情況下男聲的聲音音強(qiáng)（幅度）明顯比女聲的低，所以女聲聽起來尖一些，而男聲低沉一些。三 實(shí)驗(yàn)效果分析（包括儀器設(shè)備等使用效果）五實(shí)驗(yàn)效果分析與總結(jié)1. 持續(xù)音和是變音的頻譜分析（1）實(shí)驗(yàn)剛開始要先找到ding.wav文件，在它的上一個文件夾sound中要先選擇selected folders,這樣才可以用waveread讀入此文件；（2）實(shí)驗(yàn)過程中若用yr=y(:,2)取右聲道程序報錯，用yr=y(:,1)時程序正常執(zhí)行，分析可能是因?yàn)橹挥幸粋€聲道；（3）在時變音的短時頻譜分析中時，用”load chirp”載入 matlab 自帶的一個時變音后得到的12幅圖是每段時間的1024個點(diǎn)做fft的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)波形各有差異，這是時變音的特性。2.思考題部分（1）利用waverecord和waveplay時一定要保證Fs的一致，否則沒有辦法聽到聲