長春理工大學國家級電工電子實驗教學示范中心學生實驗報告——學年第學期實驗課程實驗地點學院專業(yè)學號姓名

實驗項目實驗時間實驗臺號預習成績報告成績一、實驗目的掌握音頻信號的采集方法掌握運用Matlab實現(xiàn)對音頻信號的頻譜分析掌握運用Matlab設計RC濾波系統(tǒng)掌握運用Matlab實現(xiàn)對加噪聲后的音頻信號的進行濾波處理的方法二、實驗性質設計性實驗三、實驗任務音頻信號的采集音頻信號的采集可以通過Windows自帶的錄音機也可以用專用的錄制軟件錄制一段音頻信號（盡量保證無噪音、干擾?。部梢灾苯訌椭埔欢我纛l信號，但必須保證音頻信號保存為.wav的文件。音頻信號的時域、頻域分析運用Matlab軟件實現(xiàn)對音頻信號的打開操作及信號的時域分析和信號的頻域分析，并畫出相應的圖形（要求圖形有標題），并打印在實驗報告中（注意：把打印好的圖形剪裁下來，粘貼到實驗報告紙上）。引入干擾信號在原有的音頻信號基礎上，疊加一個頻率為100KHz的正弦波干擾信號（幅度自定，可根據(jù)音頻信號的情況而定）。濾波系統(tǒng)的設計運用Matlab實現(xiàn)RC濾波系統(tǒng)，要求加入干擾信號的音頻信號經(jīng)過RC濾波系統(tǒng)后，能夠濾除100KHz的干擾信號，同時保留原有的音頻信號，繪制出RC濾波系統(tǒng)的沖激響應波形并分析其頻譜。四、實驗設計分析原信號分析：首先利用MATLAB中函數(shù)audioread即[y,Fs]=audioread('挪威的森林.wav');讀取音頻文件，其中Fs為采樣頻率且默認為44100hz，用SampleRate=get(hAudio,'SampleRate');%獲取音頻文件的采樣率KHz，利用myfft可實現(xiàn)傅里葉變變換求出原信號的頻譜，從頻譜圖可以看出原信號的頻譜分布主要在(0,7.5*10^3)Hz并用plot函數(shù)輸出用play函數(shù)播放原音頻。引入噪聲：根據(jù)疊加原理可引入100khz的噪聲并用sin（2π*10^5）表示，同樣可以myfft可實現(xiàn)傅里葉變變換求出加入噪聲后信號的頻譜,可知加入噪聲后其頻譜中引入了頻率約為12kHz的頻率分量，是需要濾除的部分。RC濾波：根據(jù)以上分析需濾掉的頻率分量高于原信號的頻率分量故此處采用二階有源低通濾波器，二階有源低通濾波器公式H=A0*Wc^2./((j*w).^2+Wc/Q*(j*w)+Wc^2);由于原信號的頻譜分布主要在(0,7.5*10^3)Hz，而引入噪聲的頻譜頻率約為12kHz根據(jù)二階有源低通濾波器的原理及幅頻響應曲線當?shù)刃焚|因數(shù)Q較小濾波效果更好故Q選為0.5，經(jīng)試驗當選取特征角頻率為4000時其濾波效果較好且原信號頻譜失真較小，則根據(jù)Q=1/(3-A0)得放大倍數(shù)A0=1;開始（二）流程圖開始添加文件讀取音頻信號添加文件讀取音頻信號原信號時域及頻域分析時域圖原信號時域及頻域分析時域圖播放原信號播放原信號頻域圖頻域圖100kHz噪聲100kHz噪聲加入噪聲后信號的頻譜分析加入噪聲后信號的頻譜分析播放加入噪聲后的文件頻域圖播放加入噪聲后的文件頻域圖濾波器的幅頻響應曲線濾波器的幅頻響應曲線通過RC濾波器后的頻譜分析通過RC濾波器后的頻譜分析濾波后的頻譜圖濾波后的頻譜圖播放濾波后的音頻濾除噪聲后傅里葉變換得原信號播放濾波后的音頻濾除噪聲后傅里葉變換得原信號時域圖時域圖結束結束（三）結果及分析從原音頻的時域及頻域圖可以看出原信號的頻譜分布主要在(0,7.5*10^3)Hz引入噪聲后其頻譜中引入了頻率約為12kHz的頻率分量，是需要濾除的部分。由設計的二階有源低通濾波器的幅頻響應曲線可知其對5khz以上的頻率有較好的濾除作用。由濾波以后的頻譜可以看出其較好的濾除了噪聲而保留了原信號。濾波后的頻譜的傅里葉變換得到的時域波形與原信號的時域波形幾乎一致，說明濾波效果較好。實驗程序%音頻信號分析與處理%%打開和讀取音頻文件clearall;%清除工作區(qū)緩存[y,Fs]=audioread('sh.wav');%讀取音頻文件VoiceWav=y(300000:400000,1);%截取音頻中的一段波形cleary;%清除緩存hAudio=audioplayer(VoiceWav,Fs);%將音頻文件載入audioplayerSampleRate=get(hAudio,'SampleRate');%獲取音頻文件的采樣率KHzT=1/SampleRate;%計算每個點的時間，即采樣周期SampLen=size(VoiceWav,1);%單聲道采樣長度%%繪制時域分析圖hFig1=figure('Units','normalized','Position',[00.050.490.85]);t=T:T:(SampLen*T);subplot(2,1,1);%繪制音頻波形plot(t,VoiceWav);%繪制波形title('音頻時域波形圖');axis([0,2.3,-0.5,0.5]);xlabel('時間(s)');ylabel('幅值(V)');%顯示標題%%傅里葉變換subplot(2,1,2);%繪制波形myfft(VoiceWav,SampleRate,'plot');%傅里葉變換title('單聲道頻譜振幅');%顯示標題xlabel('Frequency(Hz)');1ylabel('|Y(f)|');play(hAudio);%播放添加噪聲前的聲音pause(3);%%引入100KHz的噪聲干擾t=(0:SampLen-1)*T;noise=0.06*sin(2*pi*100000*t);%噪聲頻率100Khz，幅值-0.06V到+0.06VhFig2=figure('Units','normalized','Position',[0.50.050.50.85]);subplot(2,1,1);%繪制波形plot(t(1:1000),noise(1:1000));title('100KHz噪聲信號');%顯示標題noiseVoice=VoiceWav+noise';%將噪聲加到聲音里面hAudio=audioplayer(noiseVoice,Fs);%將音頻文件載入audioplayersubplot(2,1,2);%繪制波形[fftNoiseVoice,f]=myfft(noiseVoice,SampleRate,'plot');title('音樂和噪聲頻譜');%顯示標題play(hAudio);%播放添加噪聲后的聲音pause(3);%%設計RC濾波系統(tǒng)（二階有源低通濾波器）w=f;Wc=3000;%wc=1/(RC)，特征角頻率A0=1;%A0=AVF<3Q=1/(3-A0);%品質因素H=A0*Wc^2./((j*w).^2+Wc/Q*(j*w)+Wc^2);%二階有源低通濾波器公式hFig3=figure('Units','normalized','Position',[00.050.490.85]);subplot(2,1,1);%繪制波形plot(w,H);%顯示標題title('二階有源低通濾波器');xlabel('頻率');ylabel('w/Wc');AfterFilter=fftNoiseVoice.*H';%濾波%AfterFilter=fftNoiseVoice;%%傅里葉逆變換subplot(2,1,2);%繪制波形NFFT=2^nextpow2(SampLen);%根據(jù)采樣求傅里葉變換的點f=SampleRate/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);%計算頻率顯示范圍plot(f,2*abs(AfterFilter(1:NFFT/2+1)));%繪制頻域分析圖title('濾波以后的頻譜');xlabel('頻率');ylabel('w/Wc');clearYH;FilterVoice=fftshift(ifft(AfterFilter));%傅里葉逆變換FilterVoice=fftshift(FilterVoice);FilterVoice=((FilterVoice-max(max(FilterVoice)))/(max(max(FilterVoice))...-min(min(FilterVoice))))+0.5;%歸一化clearAfterFilterw;%清除緩存hFig4=figure('Units','normalized','Position',[0.50.050.50.85]);subplot(2,1,1);%繪制右聲道波形plot(t,FilterVoice(1:size(t,2),1));title('傅里葉逆變換圖');xlabel('時間(ms)');ylabel('幅值(V)');%顯示標題hAudio=audioplayer(FilterVoice,Fs);%將音頻文件載入audioplayerplay(hAudio);%播放濾掉噪聲后的聲音%%結束傅里葉變換子函數(shù)function[outFFT,Freq]=myfft(varargin)%輸入?yún)?shù)格式：%1.需要FFT變換的向量%2.采樣率SampleRate%3.是否繪圖，繪圖‘plot‘，不繪圖則不傳遞該參數(shù)%4.單邊顯示：'half'，全部顯示：'full'%輸出參數(shù)格式：%1.轉換完成的向量%2.FFT頻率范圍%%輸出參數(shù)判斷switchnargincase0|1,error('Lessargumentin!');case2,FFTVector=varargin{1};SampleRate=varargin{2};isplot=0;case3,FFTVector=varargin{1};SampleRate=varargin{2};isplot=varargin{3};plotmode='half';case4,FFTVector=varargin{1};SampleRate=varargin{2};isplot=varargin{3};plotmode=varargin{4};otherwiseerror('Somanyargumentsin!');end%%FFT變換SampLen=size(FFTVector,1);NFFT=2^nextpow2(SampLen);Y=fft(FFTVector,NFFT)/SampLen;f=SampleRate*linspace(0,1,NFFT);%%判斷輸出參數(shù)if(nargout==1)outFFT=Y;elseif(nargout==2)outFFT=Y;Freq=f;end%獲取采樣點%根據(jù)采樣求傅里葉變換的點%傅里葉變換%計算頻率顯示范圍%%判斷繪圖if(strcmp(isp