信號與系統(tǒng)課件 信號實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)習(xí)資料

信號與系統(tǒng)試驗(yàn)報(bào)告季峰電信卓越1201U201213461實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜atlab的基本操作，掌握對基本信號（音頻信號）的處理，將信號與系統(tǒng)的基本知識運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用中。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)一：自由選題。實(shí)驗(yàn)二：利用matlab實(shí)現(xiàn)自主伴奏生成程序。實(shí)驗(yàn)三：利用matlab實(shí)現(xiàn)時(shí)域與頻域上的、實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)的均衡器處理。實(shí)驗(yàn)四：綜合前幾次實(shí)驗(yàn)，利用matlab制作音樂類應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)環(huán)境Windows7 X64 matlab2012b實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)一：秉承著“知識改變命運(yùn)”的信念，我們第一次的實(shí)驗(yàn)選擇了制作游戲“彈彈堂”的簡易外掛。剛接觸matlab的我們當(dāng)知道是自由選題的時(shí)候心中十分茫然。首先，我們完全不知道m(xù)atlab的功能有多強(qiáng)大，其次，我們也不知道我們將要確定的題目是否難以實(shí)現(xiàn)。在幾天的資料查找以及討論之后，我們確定了簡易外掛的題目。“彈彈糖”是一款益智游戲，玩家需要通過在心中估算敵人的距離和之間的障礙物，根據(jù)風(fēng)速和角度來確定發(fā)射導(dǎo)彈的力度。目的就是將導(dǎo)彈投擲到敵人身上。而許多新手因?yàn)闆]有力度的概念，經(jīng)常用錯力度。我們在網(wǎng)上查閱資料，收集數(shù)據(jù)，在matlab上制作了二維拋物模型。從而完成簡易外掛的制作。具體步驟如下：網(wǎng)上收集常用角度的力度對應(yīng)距離。通過matlab的cftool進(jìn)行多項(xiàng)式的曲線擬合，得到擬合后的曲線。設(shè)計(jì)簡單方便的GUI，在控制臺顯示最終結(jié)果。至此，建議外掛制作完成。步驟簡單，功能簡單，但是凝結(jié)了我們一組人的心血。通過這次試驗(yàn)，我們對matlab有了初步的了解。實(shí)驗(yàn)二： 經(jīng)過老師的提示與要求的補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容十分明確，即通過導(dǎo)入一個(gè)記錄著音調(diào)和音長的txt文檔，通過matlab生成一個(gè)相應(yīng)的wav音頻文件。實(shí)驗(yàn)步驟具體如下：通過各種途徑尋找小提琴，長笛，吉他的單音節(jié)音頻。因?yàn)椴煌脑买T擁有不同的音色，其原理是因?yàn)楦鳂菲鞯幕l與高頻諧波的幅值不相同。所以我們通過了解樂音的頻譜構(gòu)成來模擬樂器的聲音。我們運(yùn)用matlab對單個(gè)的音節(jié)進(jìn)行快速傅里葉變換，使信號從時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域，得到頻譜，然后用一維矩陣存儲所得到的各個(gè)頻率復(fù)讀的值，最后對各個(gè)諧波進(jìn)行疊加，形成初步的、不同樂器的樂音。第二步我們對樂音添加包絡(luò)。包絡(luò)的作用是使得樂音的連接變得平緩，消除噪音，并對樂音進(jìn)行一定程度上的修飾，使其更貼合原樂器的聲音。我們針對不同的樂器聲音進(jìn)行不同的包絡(luò)處理，以小提琴為例，我們進(jìn)行線性包絡(luò)來模擬弦樂的悠長的感覺。通過采樣的學(xué)習(xí)，我們將連續(xù)的信號變成離散的點(diǎn)，矩陣存儲的數(shù)據(jù)即對應(yīng)不同采樣點(diǎn)的幅值。在程序中我們統(tǒng)一采用44100Hz的采樣率，即一秒鐘采樣44100個(gè)數(shù)據(jù)。通過對不同區(qū)域添加不同的函數(shù)方程，即可為采樣后的信號添加包絡(luò)線。我們將步驟一、二的功能根據(jù)音色的不同封裝成3個(gè)function，分別對應(yīng)3個(gè)音色。實(shí)現(xiàn)txt讀取數(shù)據(jù)的功能。我們利用matlab自帶的對txt文檔的處理函數(shù)，對txt進(jìn)行讀取，第一行的音調(diào)和第二行的音長分別存儲在兩個(gè)矩陣?yán)?。根?jù)步驟一、二的function，輸入音調(diào)和音長，返回一個(gè)記錄音頻數(shù)據(jù)的矩陣。最后將所有音頻數(shù)據(jù)矩陣和在一起。通過wavwrite函數(shù)，將生成的音樂寫成wav文件。至此，第二次實(shí)驗(yàn)，即擁有三種音色的伴奏生成程序完成。 實(shí)驗(yàn)三： 第三次實(shí)驗(yàn)增加了難度。第三次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于濾波，難點(diǎn)在于實(shí)時(shí)變換。 實(shí)驗(yàn)步驟如下：1．確定均衡器的頻域上基本實(shí)現(xiàn)流程：對現(xiàn)有的音頻進(jìn)行快速傅里葉變換，在頻域?qū)Ω黝l段增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，再進(jìn)行傅里葉反變換，最后取實(shí)部作為音樂信號。使用fft函數(shù)進(jìn)行快速傅里葉變換。fft函數(shù)是Z變換和離散序列傅立葉變換上的單位圓上等間隔取點(diǎn)，而傅立葉變換和Z變換均包含周期為2π的特性。在單位圓上取點(diǎn)，根據(jù)三角函數(shù)的特性他們相位相差π只需要在前面加一個(gè)負(fù)號（sinx）或者直接不用加（cosx），而我們得到的頻譜圖為幅頻特性曲線，高低只代表幅度大小，在單位原上取的點(diǎn)是一個(gè)復(fù)數(shù)，復(fù)數(shù)的模是實(shí)部的平方加虛部的平方再開根號，根據(jù)剛剛我們推得的三角函數(shù)特性，如果相位差為π，他們之間的幅度應(yīng)該完全一樣。因此，頻譜是對稱的。同時(shí)，我們注意到被采樣信號最高頻率約為8KHz，采樣率為44100Hz而奈奎斯特頻率為Fs/2。這是因?yàn)槿绻荒軡M足上述采樣條件，采樣后信號的頻率就會重疊，即高于采樣頻率一半的頻率成分將被重建成低于采樣頻率一半的信號。這種頻譜的重疊導(dǎo)致的失真稱為混疊。2.確定均衡器的時(shí)域上基本實(shí)現(xiàn)流程：根據(jù)音色的不同我們選用了IIR與FIR濾波器，分別為無限沖擊響應(yīng)濾波器與有限長沖擊響應(yīng)濾波器。同時(shí)我們選用了切比雪夫?yàn)V波器（I型與II型）與巴特沃斯濾波器來濾過特定頻率的波。IIR濾波器是用較低的階數(shù)獲得高的選擇性，所用的存儲單元少，計(jì)算量小，效率高。但是這個(gè)高效率是以相位的非線性為代價(jià)的。而FIR濾波器卻可以得到嚴(yán)格的線性相位。在對相位要求不敏感的場合，如語音通信等，選取IIR較為合適；對于圖像信號處理，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫圆ㄐ螖y帶信息的系統(tǒng)，則對線性相位要求較高，采用FIR濾波器較好。關(guān)于切比雪夫?yàn)V波器和巴特沃斯濾波器的比較，我們了解到切比雪夫?yàn)V波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動。時(shí)域?yàn)V波過程如下：首先設(shè)定通帶截止頻率跟阻帶截止頻率，得到歸一化之后的通帶截至頻率跟阻帶截止頻率，然后用ellipord函數(shù)得出濾波器的最小階數(shù)，用ellop函數(shù)得出濾波器的系數(shù)b，a，最后實(shí)現(xiàn)濾波并用freqz函數(shù)得出濾波器的頻率響應(yīng)。3.實(shí)時(shí)均衡器變換的實(shí)現(xiàn)。搜索大量資料之后，我們確定了基本的實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)了均衡器的偽實(shí)時(shí)變換。我們通過循環(huán)函數(shù)，將原音頻每隔3秒分成一小段，每當(dāng)均衡器變動之后，音頻將會被濾波器濾一遍，然后通過指針讀取變換之后當(dāng)前的地方，從而基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)變換。由于機(jī)器進(jìn)行分段播放，所以會在段與段之間有卡頓現(xiàn)象產(chǎn)生。4.設(shè)計(jì)GUI界面，讓用戶選擇時(shí)域或頻域?yàn)V波，以及實(shí)時(shí)非實(shí)時(shí)的均衡器模式，同時(shí)根據(jù)均衡器8個(gè)條讀出每個(gè)頻段的幅值進(jìn)行均衡器變換。至此，實(shí)驗(yàn)完成。 實(shí)驗(yàn)四：最后一次實(shí)驗(yàn)整合之前幾次實(shí)驗(yàn)，制作一個(gè)音樂類的程序。我們小組以一個(gè)非常熱門的音樂類應(yīng)用“唱吧”為原型，制作了一個(gè)名為“adoubesinger”的軟件。為了突出其重要性，特此粘貼大圖一張。實(shí)驗(yàn)步驟如下：確定功能。綜合前幾次的實(shí)驗(yàn)的成果，以及參考“唱吧”的各種功能，我們確定了產(chǎn)品的基本功能：打開伴奏，錄制人聲，合成音樂，打開音樂，去掉人聲，導(dǎo)入txt文件生成不同音色的伴奏，人聲變換（娃娃音，怪獸音，普通混響），均衡器調(diào)整聲音，顯示時(shí)域波形，單獨(dú)播放伴奏以及人聲。將之前的均衡器以及多樂器伴奏生成的代碼封裝成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的function。對于一段給定的序列，對其播放的時(shí)候是以fs發(fā)送給speaker的，改變此時(shí)的fs值，若是其增大，即就是采樣頻率加快，采樣點(diǎn)數(shù)增多，相鄰節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔變小，播放速度就加快，但是同時(shí)使得播放的頻率加快，所以出現(xiàn)既變調(diào)又變速。根據(jù)這個(gè)原理，進(jìn)行變速上的調(diào)整，使人生變成娃娃音或者老人音的功能。將原音頻延后小段時(shí)間后和原來聲音取平均值，則實(shí)現(xiàn)了混響功能。最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)GUI。這次的重點(diǎn)由技術(shù)層面成功過度到技術(shù)和美工層面。我們學(xué)習(xí)了AdobeAudition的色彩風(fēng)格確定了綠灰風(fēng)格的界面。同時(shí)考慮到用戶的體驗(yàn)，我們的按鈕會根據(jù)用戶的選擇進(jìn)行隱藏和顯示。至此，產(chǎn)品完成。實(shí)驗(yàn)感想我終于活到寫感想了。Matlab真的是太全能了。接觸matlab之前，我認(rèn)為matlab是一個(gè)注重于數(shù)值計(jì)算的工具。經(jīng)過這幾次實(shí)驗(yàn)之后我發(fā)現(xiàn)，matlab除了不能生孩子，其他的都能。這幾次實(shí)驗(yàn)非常的艱辛。這幾次實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)不是matlab入門的問題了，其中更多的困難來自于算法，以及算法的實(shí)現(xiàn)上。有時(shí)候，有好的想法卻沒有matlab足夠的知識來實(shí)現(xiàn)，而更多時(shí)候，是面對一個(gè)新的要求毫無頭緒。我現(xiàn)在仍然記得6個(gè)人擠在小小的寢室里對著電腦茫然，偶爾討論幾句，然后又陷入沉默。但是我們在這種寒冷的絕望里尋找到了生機(jī)。我們沒有思路，就廣閱資料，詢問師友。不知道怎么實(shí)現(xiàn)，就搜索功能原理圖matlab函數(shù)api。最終把實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成。我們從不論結(jié)果，因?yàn)槲覀兣α?，我們收獲了最后的成功，我們是快樂的。作為組長，我深切的體會到了，組長不好當(dāng)。首先，分工是技術(shù)活，要考慮到成員的能力，以及每個(gè)組員擅長的地方。其次，每個(gè)成員努力后的成果需要融合在一起，這個(gè)過程是快樂的，因?yàn)榭煲玫匠晒?，但是也是痛苦的，因?yàn)榭偸浅霈F(xiàn)奇奇怪怪的錯誤。但是當(dāng)組長鍛煉了我組織能力，提高了我的責(zé)任心，就算“三天中午沒吃飯”已經(jīng)成了一個(gè)老梗，我也認(rèn)為只要最終成果做出來了，一切都是值得的。最后，我對“工程”這個(gè)詞匯有了新的認(rèn)識。首先，工程一定不是一個(gè)人的事。就算有的工程一個(gè)人能完成，那也是他一個(gè)人完成了本該好幾個(gè)人完成的事。工程需要的是將項(xiàng)目分塊，對每個(gè)部分進(jìn)行科學(xué)的