《數(shù)字信號處理》課程設(shè)計(jì)--基于MATLAB的音樂信號處理和分析

1、.數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：基于MATLAB的音樂信號處理和分析院系：物理工程學(xué)院專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué)號：姓名：1、 課程設(shè)計(jì)的目的 本課程設(shè)計(jì)通過對音樂信號的采樣、抽取、調(diào)制解調(diào)、濾波、去噪等多種處理過程的理論分析和MATLAB實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生進(jìn)一步鞏固數(shù)字信號處理的基本概念、理論以及頻譜分析方法和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法；使學(xué)生掌握的基本理論和分析方法只是得到進(jìn)一步擴(kuò)展；使學(xué)生能有效地將理論和實(shí)際緊密結(jié)合；增強(qiáng)學(xué)生軟件編程實(shí)現(xiàn)能力和解決實(shí)際問題的能力。2、 課程設(shè)計(jì)的基本要求 1 學(xué)會MATLAB的使用，掌握MATLAB的基本編程語句。 2 掌握在Windows環(huán)境下音樂信號采集的方法。

2、 3 掌握數(shù)字信號處理的基本概念、基本理論和基本方法。 4 掌握MATLAB設(shè)計(jì)FIR和IIR數(shù)字濾波器的方法。5 掌握使用MATLAB處理數(shù)字信號、進(jìn)行頻譜分析、涉及數(shù)字濾波器的編程方法。3、 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)1音樂信號的音譜和頻譜觀察 使用windows下的錄音機(jī)錄制一段音樂信號或采用其它軟件截取一段音樂信號（要求：時(shí)間不超過5s、文件格式為wav文件）1 使用wavread語句讀取音樂信號，獲取抽樣率；（注意：讀取的信號時(shí)雙聲道信號，即為雙列向量，需要分列處理）；2 輸出音樂信號的波形和頻譜，觀察現(xiàn)象；使用sound語句播放音樂信號，注意不同抽樣率下的音調(diào)變化，解釋現(xiàn)象。 程序如下：Y

3、,FS,NBITS=WAVREAD('怒放的生命 - 汪峰5s'); %讀取音樂信號plot(Y); %顯示音樂信號的波形和頻譜sound(Y,FS); %聽音樂（按照原來的抽樣率）Y1=Y(:,1); %由雙聲道信號變?yōu)閱温暤佬盘杝ize(Y1)figuresubplot(2,1,1);plot(Y); %顯示原信號波形N=length(Y1);f1=fft(Y1); %傅立葉變換w=2/N*0:N/2-1;subplot(2,1,2);plot(w,abs(f1(1:N/2); %顯示波形原信號的波形和頻譜圖 實(shí)驗(yàn)2音樂信號的抽?。p抽樣）1 觀察音樂信號頻率上限，選擇適當(dāng)

4、的抽取間隔對信號進(jìn)行減抽樣（給出兩種抽取間隔，代表混疊與非混疊）；2 輸出減抽樣音樂信號的波形和頻譜，觀察現(xiàn)象，給出理論解釋；播放減抽樣音樂信號，注意抽樣率的變化，比較不同抽取間隔下的聲音，解釋現(xiàn)象程序如下Y,FS,NBITS=WAVREAD('怒放的生命 - 汪峰5s');Y1=Y(:,1);D= ;j=0; %減抽樣，D表示抽樣間隔（10倍和100倍）for i=1:D:length(Y1) % I表示開始減抽樣的起始點(diǎn) j=j+1; Y2(j)=Y1(i); %Y2減抽樣后的信號endN=length(Y1);N1=length(Y2);F1=fft(Y1);F2=fft

5、(Y2);w1=2/N*0:N-1;w2=2/N1*0:N1-1;figuresubplot(4,1,1);plot(Y1); %顯示原單聲道信號波形和頻譜subplot(4,1,2);plot(Y2); %圖顯示抽樣信號波形和頻譜subplot(4,1,3);plot(w1,abs(F1); %顯示原單聲道信號fft變換后的波形和頻譜subplot(4,1,4);plot(w2,abs(F2); %顯示抽樣信號快速fft變換后的波形和頻譜sound(Y2,FS) %聲音低沉，而且不是很清晰。有一些聲音信號丟失，%抽樣率越高，聲音越聽不清晰， 圖2（10倍）圖中由上而下依次為原單聲道波形、抽樣

6、后波形、原單快速fft變換波形、抽樣信號快速fft變換波形圖2（100倍）圖中由上而下依次為原單聲道波形、抽樣后波形、原單聲道快速fft變換波形、抽樣信號快速fft變換波形）實(shí)驗(yàn)3 音樂信號的AM調(diào)制1 觀察音樂信號的頻率上限，選擇適當(dāng)調(diào)制頻率對信號進(jìn)行調(diào)制（給出高、低兩種調(diào)制頻率）；2 輸出調(diào)制信號的波形和頻譜，觀察現(xiàn)象，給出理論解釋；播放調(diào)制音樂信號，注意不同調(diào)制頻率下的聲音，解釋現(xiàn)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); %傅立葉變換w1=2/N*0:N/2-1

7、;figuresubplot(2,2,1);plot(w1,abs(F1(1:N/2);N1=0:N-1;Y2=cos(N1*pi/8); %設(shè)置高頻調(diào)制信號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' %利用高頻調(diào)制信號調(diào)制單列音樂信號N3=length(F); F3=fft(F); %傅立葉變換w3=2/N3*0:N3-1;subplot(2,2,4);plot(w3,abs(F3)

8、;sound(F,FS) % 未混疊時(shí)，聲音尖銳，不清晰，刺耳 % 混疊時(shí)，聲音輕，只有淡淡的音調(diào)，基本沒有起伏，不清晰。 （未混疊）圖中由左到右依次為 原音樂的傅立葉變換 COS函數(shù)的頻譜圖 COS函數(shù)離散信號 AM調(diào)制的后的波形(混疊)圖中由左到右依次為 原音樂的傅立葉變換 COS函數(shù)的頻譜圖 COS函數(shù)離散信號 AM調(diào)制的后的波形實(shí)驗(yàn)4 AM調(diào)制音樂信號同步解調(diào)1 設(shè)計(jì)巴特沃斯IIR濾波器完成同步解調(diào)；觀察濾波器頻率響應(yīng)曲線2 用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器完成同步解調(diào)，觀察濾波器頻率響應(yīng)曲線；（分別使用矩形窗和布萊克曼窗，進(jìn)行比較）；3 輸出解調(diào)信號的波形和頻譜圖，觀察現(xiàn)象，給出理論解釋；

9、播放解調(diào)音樂信號，比較不同濾波器下的聲音，解釋現(xiàn)象。巴特沃斯IIR 濾波器 程序如下clear all;close all;clcY,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' %音樂信號調(diào)制wp=0.18;ws=0.25;rp=1;rs=50; %設(shè)計(jì)巴特沃斯IIR 濾波器N4,Wc=buttord(wp,ws,rp,rs);B,A=butter(N4,Wc);Hd,w=freqz(B,A);figure

10、subplot(2,1,1);plot(w/pi,abs(Hd);F3=filter(B,A,F2); %解調(diào)音樂信號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) %聲音清晰，基本和原來的音樂差不多，但是音樂開始有一點(diǎn)點(diǎn)雜音。 巴特沃斯IIR 濾波器頻率響應(yīng)曲線及解調(diào)后的波形 矩形窗和布萊克曼窗function hd=ideal(N,wc)for n=0:N-1 if n=(N-1)/2 hd(n+1)=wc/pi; else hd(n+1)=sin(wc

11、*(n-(N-1)/2)/(pi*(n-(N-1)/2); endend（將上述程序保存為ideal.m,但是不能運(yùn)行。然后在打開新窗口編寫下列主程序）clear all;close all;clcY,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' %調(diào)制音樂信號N=89;wc=pi/0.22; % 矩形和布萊克曼窗 hd=ideal(N,wc);w1=boxcar(N);w2=blackman(N);h1=h

12、d.*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);figuresubplot(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)

13、;w3=2/M1*0:M1/2-1;w4=2/M2*0:M2/2-1;figuresubplot(2,1,1);plot(w3,abs(fy1(1:M1/2);subplot(2,1,2);plot(w4,abs(fy2(1:M2/2);sound(F3,FS) %音樂信號清晰，有雜音，低沉. 濾波器頻率響應(yīng)曲線 解調(diào)后波形5、音樂信號的濾波去噪1 給出原始音樂信號疊加幅度為0.05，頻率為3kHz，5kHz、8kHz的三余弦混合噪聲，觀察噪聲頻譜以及加噪后音樂信號的音譜和頻譜，并播放音樂，感受噪聲對音樂信號的影響；2 給原始音樂信號疊加幅度為0.5的隨機(jī)白噪聲（可用rand語句產(chǎn)生），觀察噪

14、聲頻譜以及加噪后音樂信號的音譜和頻譜，并播放音樂，感受噪聲對音樂信號的影響；根據(jù)步驟、觀察到的頻譜，選擇合適指標(biāo)設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行濾波去噪，觀察去噪后信號音譜和頻譜，并播放音樂，解釋現(xiàn)象。程序如下：三余弦混合噪聲：x,fs,nbits=wavread('怒放的生命 - 汪峰5s');x1=x(:,1); %獲取單列音樂信號并對其做FFT變換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); %

15、設(shè)計(jì)三余弦混合噪聲信號N2=length(y); %對三余弦混合噪聲信號做FFT變換fy=fft(y);w2=2/N2*(0:N2/2-1)*fs/2; hdx=x1+y' %產(chǎn)生加噪后的音樂信號并對其做FFT變換M=length(hdx); fhdx=fft(hdx);w3=2/M*(0:M/2-1); figure %畫出單列信號音樂信號的頻譜圖、三余弦混合噪聲信號的離散信號圖 %及其頻譜圖和加噪后音樂信號的頻譜圖subplot(2,2,1);plot(w1,abs(fx1(1:N1/2);subplot(2,2,2);stem(0:127),y(1:128);subplot(2,

16、2,3);plot(w2,abs(fy(1:N2/2);subplot(2,2,4);plot(w3,abs(fhdx(1:M/2);sound(hdx,fs); % 音樂信號有電流聲，而且噪聲比較明顯。 wp=0.1;ws=0.15;rp=1;rs=50; %設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器N4,Wc=buttord(wp,ws,rp,rs);B,A=butter(N4,Wc);Hd,w=freqz(B,A); lohdx=filter(B,A,hdx); %利用巴特沃斯濾波器對加噪后音樂信號進(jìn)行濾波并對其做%FFT變換M1=length(lohdx);flohdx=fft(lohdx);w4=2/M1*

17、(0:M1/2-1); figure %畫出加噪后音樂信號的音頻圖、巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)曲線 %和濾波后音樂信號的頻譜圖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); %濾波后音樂信號比較低沉，較清晰。 單列信號音樂信號的頻譜圖、三余弦混合噪聲信號的離散信號圖 及其頻譜圖、加噪后音樂信號的頻譜圖加噪后音樂信號的音頻圖、巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)曲線 和濾波后音樂信號的頻譜圖白噪聲：x,fs,nbits=wav

18、read('怒放的生命 - 汪峰5s');x1=x(:,1); %獲取單列音樂信號并對其做FFT變換N1=length(x1);fx1=fft(x1);w1=2/N1*0:N1/2-1;ry=rand(size(x1)-0.5; %產(chǎn)生隨機(jī)白噪聲信號并對其做FFT變換N=length(ry); fry=fft(ry);w=2/N*(0:N-1); xry=x1+ry; %產(chǎn)生加噪后的音樂信號并對其做FFT變換 NN=length(xry)fxry=fft(xry);ww=2/NN*(0:NN/2-1);figure %畫出單列信號音樂信號的頻譜圖、隨機(jī)白噪聲信號的音頻圖 %及其

19、頻譜圖和加噪后音樂信號的頻譜圖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); %聲音信號有沙沙聲。 wp=0.1;ws=0.15;rp=1;rs=50; %設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器N4,Wc=buttord(wp,ws,rp,rs);B,A=butter(N4,Wc);Hd,w=freqz(B,A); loxry=filter(B,A,xry); %利用

20、巴特沃斯濾波器對加噪后音樂信號進(jìn)行濾波并對%其做FFT變換 NN1=length(loxry);floxry=fft(loxry);ww1=2/NN1*(0:NN1/2-1);figure %畫出加噪后音樂信號的音頻圖、巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)曲線 %和濾波后音樂信號的頻譜圖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); %音樂信號低沉，但是沙沙聲還是沒有濾除。但是較為減輕 單列信號音樂信號的頻譜圖、隨機(jī)白

21、噪聲信號的音頻圖 及其頻譜圖和加噪后音樂信號的頻譜圖畫出加噪后音樂信號的音頻圖、巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)曲線 和濾波后音樂信號的頻譜圖6、音樂信號的幅頻濾波及相頻分析1 設(shè)計(jì)低通濾波器（可自行選取不同的截止頻率），濾除原始音樂信號的高頻信息，觀察濾波前后的幅度頻譜，并比較濾波前后的音樂效果，感受高頻信息對音樂信號的影響；2 設(shè)計(jì)高通濾波器（可自行選取不同的截止頻率），濾除原始音樂信號的低頻信息，觀察濾波前后的幅度頻譜，并比較濾波前后的音樂效果，感受低頻信息對音樂信號的影響；3 選取兩段不同的音樂信號，分別將其幅度譜與相位譜交叉組合構(gòu)成新的音樂信號，播放比較組合后的音樂與原始音樂，感受相頻信息對

22、音樂信號的影響。程序如下;濾除高頻信息的程序： clear all;close all;clcx,fs,nbits=wavread('怒放的生命 - 汪峰5s');x1=x(:,1); %獲取單列音樂信號并對其做FFT變換N=length(x1);fx1=fft(x1);w1=2/N*(0:N/2-1); wp=0.01;ws=0.06;rp=1;rs=50; %設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器N4,Wc=buttord(wp,ws,rp,rs);B,A=butter(N4,Wc);Hd,w=freqz(B,A); lox1=filter(B,A,x1); %使用巴特沃斯濾波器濾除音樂信號的

23、高頻部分并對所得%音樂信號做FFT變換N1=length(lox1);flox1=fft(lox1);w2=2/N1*(0:N1/2-1);figure %畫出單列音樂信號的頻譜圖、巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)曲線和濾除 %高頻后的音樂信號的頻譜圖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); %播放單列音樂信號和濾除高頻后的音樂信號sound(lox1,fs)；%聲音清晰 單列音樂信號的頻譜圖、

24、巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)曲線、濾除高頻后的音樂信號的頻譜圖 濾除低頻信息的程序：clear all;close all;clcx,fs,nbits=wavread('怒放的生命 - 汪峰5s');x1=x(:,1); %獲取單列音樂信號并對其做FFT變換N=length(x1);fx1=fft(x1);w1=2/N*(0:N/2-1); wp=0.2;ws=0.05;rp=1;rs=50; %設(shè)計(jì)巴特沃斯高通濾波器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