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音频信号采集与传输


《信号与系统》 信号与系统》
——综合性设计性实验报告

标题:

音频信号采集与传输

组长: 成员:

学号 学号 学号 学号

实验时间:2011 年 6 月 20 日 2011 年 6 月 27 日 实验地点:电子信息楼 617 实验课室:

星期一 第 1、2 节 星期一 第 1、2 节

机械与电气工程 学院 电子信息工程 系 信息工程 专业 教师:胡晓

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目录
1、课题设计流程 ................................................................................................................................................... 3 2、课题设计理论基础 ........................................................................................................................................... 3 2.1 信号的采集 .............................................................................................................................................. 3 2.2 频谱分析 .................................................................................................................................................. 3 2.3 调制与解调 ............................................................................................................................................. 3 2.4 高斯白噪声 ............................................................................................................................................. 4 2.5 滤波 ......................................................................................................................................................... 4 3、课题设计(程序) ........................................................................................................................................... 4 4、课题设计效果(效果图) ............................................................................................................................... 6 5、课题设计总结 ................................................................................................................................................... 7 6、心得体会 ........................................................................................................................................................... 7

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1、课题设计流程
(t ) ?f?→ 频谱分析 ? 调制 ? 加入高斯白噪声 ? → ?→ ?? ?

用 matlab 录制音频文件 波? ?→ 扬声器

解调 ? ?→ 滤

2、课题设计理论基础 课题设计理论基础 理论
2.1 信号的采集
用 matlab 录制 5 秒 mic 声音,y = wavrecord(5*fs,fs,'int16'),其中采样率为 44100,时长为 5*fs,然后 用 wavplay(y,fs);语句播放出来,再写成以 xinhao_test01 命名的 wav 文件。Y 也可以直接用 windows 自带 的 录 音 工 具 进 行 录 音 , 并 直 接 读 取 [y,fs,bits]=wavread('xinhao_test01.wav') , 然 后 对 声 音 进 行 回 放 sound(y,fs),感觉效果。

2.2 频谱分析
快速傅里叶变换原理:

在 matlab 的信号处理工具箱中函数 FFT 用于快速傅里叶变换,此次实验调用 FFT 函数的一种格式 y=fft(x,N),其中 x 是序列,y 是序列的 FFT,N 为正整数,函数执行 N 点的 FFT,由于实验中 fs=44100, 所以取 N=2^16,由于经过 fft 求得的 y 一般是复序列,所以用其幅值进行分析,可以用函数 abs(y)进行计 算复向量 y 的幅值。由于用 matlab 自带的 FFT 快速傅里叶变换得到的幅频图的横坐标是从 1 到 1/2fs,是 从低频到高频,再由 1/2fs 到 1,是从高频到低频,实验中用语句 Y0(2^N/2+1:2^N)=Y(1:2^N/2), Y0(1:2^N/2)=Y(2^N/2+1:2^N)(其中 N=16) 。这样就可以将幅频图变成横坐标原点是低频,向坐标的 正负端频率逐渐递增的形式,这是平常傅里叶变换得到的幅频图横坐标。
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2.3 调制与解调
调制与解调原理:

y (t ) = x(t ) * cos(ωc * t )
1 Y ( jω ) = { X [ j (ω + ωc )] + X [ j (ω ? ωc )]} 2

X 0 (t ) = y (t ) * cos(ω c * t )
用 9000Hz 的载波频率对原信号进行调制,用 y_mod=modulate(y,fc,fs,'am'),其中 am 是调频。同样, 最后还需将幅频图的横坐标转化成平常的傅里叶变换的横坐标,方法跟频谱分析一样。在加入高斯白噪 声后对信号进行解调,y1 = demod(y_mod1,fc,fs,'am'),其中信号 y_mod1 是原信号调制并加入高斯白噪声 后的信号,同样,也要对幅频图进行调整,方法同上。

2.4 高斯白噪声
本次实验加入 20db 的高斯白噪声,用语句 y_mod1 = awgn(y_mod,20,'measured')。其中 y_mod 是调制 后的信号。同样,也要对幅频图进行调整,方法同上。

2.5 滤波
设计低通滤波器, [B,A]=butter(n,Wn,'ftype'), 其中 B, 分别是系统函数分子和分母表达式系数向量, A n 为滤波器阶数,Wn 为滤波器的截止频率,ftype 指定滤波器的类型,这次实验用到低通滤波器,所以用 “low”.

3、课题设计(程序) 课题设计(程序)
clear all; close all; clc ; %录制语音信号 % fs = 44100; % bits=16;

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% y = wavrecord(5*fs,fs,'int16'); % wavplay(y,fs);

%录制5秒mic声音 %播放出来

% wavwrite(y,fs,bits,'xinghao_test');

%直接读取wav文件 [y,fs,bits]=wavread('xinhao_test01.wav');

%数据分析 N=16; figure(1) subplot(221),plot(y);xlabel('t'),title('信号原始波形'); Y=fft(y,2^N); Y0(2^N/2+1:2^N)=Y(1:2^N/2); Y0(1:2^N/2)=Y(2^N/2+1:2^N); ff=fs*(-(2^N/2-1):2^N/2)/2^N; subplot(223),plot(ff,abs(Y0));xlabel('Hz'),title('信号原始频率');

%信号调制 fc=9000; y_mod=modulate(y,fc,fs,'am'); %载波频率 %对原语音信号调制

subplot(222);plot(y_mod),xlabel('t'),title('调制后信号波形') YY0=fft(y_mod,2^N); Y1(2^N/2+1:2^N)=YY0(1:2^N/2); Y1(1:2^N/2)=YY0(2^N/2+1:2^N); subplot(224),plot(ff,abs(Y1));xlabel('Hz'),title('信号调制后频率');

%加高斯白噪声 y_mod1 = awgn(y_mod,20,'measured'); figure(2); subplot(221);plot(y_mod1),xlabel('t'),title('加入高斯白噪声后波形') YY1=fft(y_mod1,2^N); Y2(2^N/2+1:2^N)=YY1(1:2^N/2); Y2(1:2^N/2)=YY1(2^N/2+1:2^N); subplot(223),plot(ff,abs(Y2));xlabel('Hz'),title('加入高斯白噪声后频率');

%信号解调 y1 = demod(y_mod1,fc,fs,'am'); subplot(222);plot(y1),xlabel('t'),title('信号解调后波形') YY2=fft(y1,2^N); Y3(2^N/2+1:2^N)=YY2(1:2^N/2); Y3(1:2^N/2)=YY2(2^N/2+1:2^N); subplot(224),plot(ff,abs(Y3));xlabel('Hz'),title('信号解调后频率'); sound(y1,fs,bits);

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fn=fs/2; %设计低通滤波器 [B,A]=butter(10,5200/fn,'low'); h1=dfilt.df2(B,A); h13=fvtool(h1,'FrequencyScale','Linear');

y1_fil=filter(B,A,y1); subplot(211); plot(y1_fil); title('低通滤波后信号波形'); sound(y1_fil,fs); Y1_fil=fft(y1_fil,2^N); Y_fil(2^N/2+1:2^N)=Y1_fil(1:2^N/2); Y_fil(1:2^N/2)=Y1_fil(2^N/2+1:2^N); subplot(212); plot(ff,abs(Y_fil)); title('低通滤波后信号频谱');

4、课题设计效果

调制分析: 分析上图,使用调幅调制,使得信号的主频率由原始信号的 0Hz,移动到载波频率 9000Hz,信号在各个频 率上的幅度减半,这就是调幅调制。

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加入噪音后的波形与原始波形有明显的分别,见开始部分;高斯白噪音的频谱是平均分布的,但在时域 上时正态分布的。

从 图 可 看 出 低 通 滤 波 器 。 用 fvtool 直 接 绘 制 幅 度 - 频 率 曲 线 和 延 时 - 频 率 曲 线 。

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处理得到的波形与原始信号的波形基本相同,声音听起来只是比原来的声音音量小一点,音调低一点。 总的来说,这次实验很成功!

5、课题设计总结
通过本次实验,明白以下:

(1)借助声卡等设备,采集一段声音; (2)对采样后的声音信号进行频谱分析; (3)对采样后的声音信号进行调制,模仿通过高斯白噪声信道传输; (4)对传输信号进行解调和重构,并进行频谱分析; (5)通过重构信号的重放,分析效果,并分析原因

6、心得体会
陈廷杰:负责信号的采集,频谱分析,编写实验报告 本次实验从着手到完成课题设计的要求,用了将近两周时间。实验过程中,经历了一些问题,所以的问 题不是一个人可以解决的。但是经过小组成员的合作,将这些问题都解决,并完成课题设计的要求。 在信号采集方面先用了 MATLAB 进行录制,但录制结果出现了相当大的噪声(具体不知什么原因) ,因 为会影响实验,所以最后用了 Windows 的录音工具进行录音,减少了噪声。实验顺利进行 本次实验是基于 MATLAB 设计的,在之前的学习以及完成课后的作业的过程中,已经使用过 MATLAB, 对其有了一些基础的了解和认识。通过这次练习是我进一步了解了信号的产生、采样及频谱分析的方法。 以及其中产生信号和绘制信号的基本命令和一些基础编程语言。让我感受到只有在了解课本知识的前提
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下,才能更好的应用这个工具;并且熟练的应用 MATLAB 也加深了我对课程的理解,开阔我的思维。这 次设计使我了解了 MATLAB 的使用方法,学会分析滤波器的优劣和性能,提高了分析和动手实践能力。 同时我相信,进一步加强对 MATLAB 的学习对我今后的专业学习将会起到很大的帮助。所以这次实验后 也使我们更进一步地了解和掌握 MATLAB 的使用

林慧镔:负责信号调制解调,高斯噪声。 在信号采集时,本来想使用 matlab 自带的函数 wavrecord 来录音,并且使用 wavplay 和 wavwrite 回放和 写在一个 wav 文件,但是听到的声音,有杂音,质量不好。因此还是使用 window 的自带录音机,并保 存为采样率 44100Hz,量化比特数为 16bit 的 wav 文件。在调制过程中,考虑到信号的最大效频率为 22050Hz,信号频率为 0Hz—2500Hz 左右,因此在邮箱的范围内事的调制后傅立叶分析的幅頻图像更好 观察,所以采用了 9000Hz 的载波频率。结合实际情况以及现在所学知识,调幅调制是有较高操作性和对 后面的滤波有较好的可操作性和分析性,因此采用 9000Hz 调幅调制。在接下来的傅立叶幅頻图中,明显 的看到信号的中心频率移到的 9000Hz 上面。加入高斯白噪声阶段,加入了 20dB 的高斯白噪声。解调后, 播放的声音有明显的电流声,这就是在模拟传输信道的过程中加入 20dB 的高斯白噪声,因此得知调制、 加入高斯白噪声、解调 3 个过程都能够顺利完成。

沈永盛:负责设计低通滤波器 本次实验负责最后的一部分,也是难度比较大的一部分:设计数字滤波器。这方面的知识以前根本没涉 猎过,所以弄起来比较迷茫,许多选项都不懂如何选择,是低通、还是带通;用巴特沃斯,还是用且切 比雪夫;截止频率如何定等等一系列问题。虽然问题很多,但我还是没放弃,坚持下来,跟组员讨论, 向老师请教,上网找资料,终于把滤波器设计出来,很辛苦也很开心,我成功了,我们组也完成实验任 务。通过这次实验,我觉得自己解决问题的能力提高了很多,团队合作的意识也增强不少,收获很大。 感谢组员同伴的支持,感谢胡晓老师孜孜不倦的教诲,thanks!

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