数字信号处理课程设计---基于 MATLAB 的音乐信号处理和分析

1《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基本概念、理论、分析方法和实现方法；使学生掌握的基本理论和分析方法知识得到进一步扩展；使学生能有效地将理论和实际紧密结合；增强学生软件编程实现能力和解决实际问题的能力。二、课程设计基本要求1 学会 MATLAB 的使用， 掌握 MATLAB 的基本编程语句。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基本概念、基本理论和基本方法。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、进行频谱分析、设计数字滤波器的编程方法。三、课程设计内容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：读取的信号是双声道信号，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；③ 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。Wavread 格式说明：[w,fs,b]=wavread(‘语音信号’)，采样值放在向量 w 中，fs 表示采样频率(hz) ，b 表示采样位数。上机程序：[y,fs,bit]=wavread( I do片段 ) %读取音乐片段，fs是采样率size(y)%求矩 阵的行数和列数y1=y( : ,1);%对信号进行分列处理n1=length(y1);%取y的长 度2t1=(0:n1-1)/fs;%设置波形 图横坐标figuresubplot(2,1,1);plot(t1,y1); %画出时域波形图ylabel( 幅值 );xlabel( 时间 (s) );title( 信号波形 );subplot(2,1,2);Y1=fft(y1);w1=2/n1*(0:n1-1);%设置角频率plot(w1,abs(Y1));%画频谱图title( 信号 频谱 );xlabel( 数字角 频率 );ylabel( 幅度 );grid on;sound(y,fs); 实验结果：0 1 2 3 4 5 6-1-0.500.51三三三三三s三三三三三0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20200040006000 三三三三三三三三三三三1、通过观察频谱知，选取音乐信号的频谱集中在 0~0.7*pi 之间，抽样点数 fs=44100;2、当采样频率问原来 0.5(0.5*fs )倍时：音乐片段音调变得非常低沉，无法辨认原声，播放时间变长；抽样频率减小，抽样点数不变时，其分辨力增大，记录长度变长，声音失真。3、当采样频率问原来 2(2*fs)倍时：音乐片段音调变得尖而细，语速变快，播放时间变短；抽样频率增加，抽样点数不变时，其分辨力下降，记录长度变短，声音失真。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行减抽样(给出两种抽取间3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； ③ 播放减抽样音乐信号，注意抽样率的改变，比较不同抽取间隔下的声音，解释现象。上机程序：[y,fs,bit]=wavread( I do片段 )y1=y( : ,1);n1=length(y1);tn1=(0:n1-1)/fs;figure subplot(2,1,1);plot(tn1,y1); ylabel( 幅度 );xlabel( 时间 (s) );title( 原信号波形 );wn1=2/n1*[0:n1-1];Y1=fft(y1); subplot(2,1,2);plot(wn1,abs(Y1));title( 原信号 频谱 );xlabel( 数字角 频率w );ylabel( 幅度 );grid on;D=2;%设 置抽样间 隔 y2=y1(1:D:n1);%减抽样n2=length(y2);%减抽样后信号长度t2=(0:n2-1)/fs;%设置横坐 标figure subplot(2,1,1);plot(t2,y2); %绘制减抽样信号波形图ylabel( 幅度 );xlabel( 时间 (s) );title( 2:1减抽 样信号波形 );Y2=fft(y2); %对y2进行n2点fft谱分析w2=2/n2*[0:n2-1];subplot(2,1,2);plot(w2,abs(Y2));%绘制减抽样信号频谱图title( 2:1减抽 样信号频谱 );xlabel( 数字角 频率w );ylabel( 幅度 );grid on;sound(y2,fs/D);实验结果与分析：1、程序中指标 D 表示抽样间隔，其值越大，相邻两抽样点之间的距离越远，抽样后漏掉4的信息越多，相应的时域信号长度越短；0 1 2 3 4 5 6-1-0.500.51三三三三三s三三三三三三0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20200040006000 三三三三三三三三三三w三三2、 抽样间隔 D=1.1 时的信号波形及频谱图，抽样频率 大于信号最高频率 的两倍，sfhf满足抽样定理，不会发生混叠。抽样间隔 D 越大，抽样率 fs 越小，抽样后时域信号长度越短0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-1-0.500.51三三三三三s三1.1:1三三三三三三三0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20200040006000 1.1:1三三三三三三三三三三三三w三三3 、抽样间隔 D=2 时的信号波形及频谱图 抽样间隔 D=2 的信号波形及频谱图，抽样频率 小于信号最高频率 的两倍，即sfhf5=fh。70 1 2 3 4 5 6-1-0.500.51三三三三三s三三三三三三0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20200040006000 三三三三三三三三三三w三三调制后信号波形及频谱(低频率调制)b1=cos(0.25*pi*n3);0 1 2 3 4 5 6-1-0.500.51三三(s)三三三三三三三0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20100020003000三三三三三w三三三三三三三三三三(三三三三三)调制后信号波形及频谱(高频率调制)b1=cos(0.75*pi*n3);80 1 2 3 4 5 6-1-0.500.51三三(s)三三三三三三三0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20100020003000三三三三三w三三三三三三三三三三(三三三三三)1、由频谱图知信号频率上限约在0.7*pi处，取高调制频率为0.75*pi，取高调制频率为0.25*pi；观察调制后的