数字信号处理实验(一)

2023-05-16

实验目的

本次实验目的为:在matlab环境下产生几种基本的数字信号,并对这些基本的信号进行运算和变换,同时利用程序结果对采样定理进行验证,深刻理解采样定理。通过自己录制音频信号并对不同的音频信号进行不同处理,加深理解音频信号中声道的原理,以及混声、回声的形成原理。

实验内容

  1. 用matlab产生单位脉冲信号,单位阶跃信号,矩形信号,正弦信号,余弦信号,指数信号,产生并观察f(x)=sinc(x)函数的波形。
  2. 利用matlab实现离散时间信号的代数运算,移位运算,翻折运算,卷积运算,差分变换和比例变换。
  3. 采样定理的验证
    探究采样对信号重构的影响,截频对信号重构的影响。
  4. 音频实验

实验结果分析

1. 用matlab产生单位脉冲信号,单位阶跃信号,矩形信号,正弦信号,余弦信号,指数信号,产生并观察f(x)=sinc(x)函数的波形。

单位脉冲
单位阶跃
图(a)表示的是单位脉冲序列,图(b)表示的是单位阶跃序列,单位脉冲序列在0处的值为1,在其他点处的值都为0;单位阶跃序列在大于或等于0的点处值为1,其他点处的值都为0。
矩形序列
[正弦序列

图(c)表示矩形序列,矩形序列在20-30之间的取值为1,其他点取值为0;图(d)表示正弦序列,正弦序列是有明显的周期性。
实指数序列
复指数序列
图(e)表示的是实指数序列,其函数原型是 f(x)=(5/4)x 图(f)表示的是复指数序列,其中四个子图分别表示复指数序列的实部序列、虚部序列、模值序列和相角序列。其函数原型是 f(x)=(0.8eπi/4)x
sinc函数
图(g)表示的是sinc函数,sinc函数的原型是 f(x)=sin(x)/x ,数学分析中,经过对sin(x)在0处泰勒展开,可以得到sinc函数在0处的值为1。

2. 利用matlab实现离散时间信号的代数运算,移位运算,翻折运算,卷积运算,差分变换和比例变换。

移位操作
序列翻折
图(a)表示的是单位脉冲序列的移位,左子图是原始序列,右子图是向右移位5个单位的序列。图(b)是单位阶跃序列翻折后的序列。从负无穷到0的值是1,其他点的值都为0。
序列相加
序列卷积
图(c)表示序列1和序列2相加后的效果图,序列1是正弦序列,序列的函数原型是 f(x)=0.3sin(πx/6) ;序列2是余弦序列,序列的函数原型是 f(x)=0.2cos(πx/4) ,图(d)表示序列卷积。

3. 采样定理的验证

探究采样对信号重构的影响,截频对信号重构的影响。
首先对信号采取不同频率的采样,临界采样是奈奎斯特临界值,实验中分别对过采样,欠采样和临界采样三种情形进行了实验,实验结果如下图。
欠采样
临界采样
图(a)表示欠采样的情况,图(b)表示临界采样,绿色粗线表示原始信号,黑色细线表示采样后重构的信号,从欠采样和临界采样的实验结果中我们观察到:欠采样重构后的信号和原始信号有一定的差别,而临界采样重构后信号和原始信号近似相同。
过采样
临界采样
图(c)表示的是过采样情况,图(d)表示的是临界采样情况,绿色粗线表示原始信号,黑色细线表示采样后重构的信号。从两种采样实验结果中可以看出:两种采样后重构后的信号都和原始信号近似相同。
通过此次试验,我们对采样定理有了更深的认识。采样频率必须大于二倍信号谱的最高频率。
下面我们对解频对采样的影响进行分析。实验信号是 f(t)=1(1t1) 实验信号频谱是 F(w)=2sin(w)/w
原始采样
信号频谱
图(a)是原始信号,图(b)是信号的频谱。
这里写图片描述
重构后的信号
图(c)表示采样截频ws = 1000时的采样信号序列,图(d)是ws = 1000 时的重构后的信号,可以看出当ws的值取1000时,采样过程只能近似取到0附近的信号。
这里写图片描述
重构
图(e)和图(f) 是截止频率为 时的采样序列和重构信号,可以看出此时要比ws = 1000 时更接近原信号。

4. 音频实验

音频获取:使用matlab函数wavrecord()录制两端声音信号,设置录制频率FS=11025,并用wavplay()函数进行播放,使用wavwrite()函数将录制的音频文件存储为后缀名为wav的音频文件。
函数操作
音频信号处理:将获取的音频信号进行数字化处理
首先画出两端信号的时域频谱图:
两段信号的时域图
上面子图a music是a.wav文件的时域频谱图,下面子图b music是b.wav文件的时域频谱图。下面将两段声音信号进行合成,生成混音信号、和回声信号。

混声信号
回声信号
混声的产生是将两种声音信号线性变化得到的,此次实验中y1的系数为1,y2的系数为0.3。然后对产生的新信号进行归一化形成图5.1的混声。回声的产生原理是将不同时间段的声音信号进行线性变化。首先产生回声信息,然后将回声信息和原信息进行混合,就得到了回声信息。

总结

经过此次实验,学会使用matlab工具进行基本的信号处理。首先仿真出不同基本序列的图形,其次对奈奎斯特采样定理进行实验探究,进一步以实验的方式验证了奈奎斯特采样定理。同时又对截止频率对采样的影响进行了实验分析。最后实践操作录制音频信息,并进行混音、回声等操作。通过这次测试技术的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅。

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