音频信号分析与处理

实验三音频信号的分析与处理1

一、实验目的

1.掌握音频信号的采集以及运用Matlab软件实现音频回放的方

法；

2.掌握运用Matlab实现对音频信号的时域、频谱分析方法；

3.掌握运用Matlab设计RC滤波系统的方法；

4.掌握运用Matlab实现对加干扰后的音频信号的进行滤波处理

的方法；

5.锻炼学生运用所学知识独立分析问题解决问题的能力，培养学

生创新能力。

二、实验性质

设计性实验

三、实验任务

1.音频信号的采集

音频信号的采集可以通过Windows自带的录音机也可以用专用的录制软件录制一段音频信号（尽量保证无噪音、干扰小），也可以直接复制一段音频信号，但必须保证音频信号保存为.wav的文件。

2.音频信号的时域、频域分析

运用Matlab软件实现对音频信号的打开操作、时域分析和频域分析，并画出相应的图形（要求图形有标题），并打印在实验报告中（注意：把打印好的图形剪裁下来，粘贴到实验报告纸上）。

3.引入干扰信号

在原有的音频信号上，叠加一个频率为100KHz的正弦波干扰信号（幅度自定，可根据音频信号的情况而定）。

4.滤波系统的设计

运用Matlab实现RC滤波系统，要求加入干扰的音频信号经过RC滤波系统后，能够滤除100KHz的干扰信号，同时保留原有的音频信号，要求绘制出RC滤波系统的冲激响应波形，并分析其频谱。

% 音频信号分析与处理

%% 打开和读取音频文件

clear all; % 清除工作区缓存

[y, Fs] = audioread('jyly.wav'); % 读取音频文件

VoiceWav = y(300000 : 400000, 1); % 截取音频中的一段波形

clear y; % 清除缓存

hAudio = audioplayer(VoiceWav, Fs); % 将音频文件载入audioplayer SampleRate = get(hAudio, 'SampleRate'); % 获取音频文件的采样率KHz

T = 1/SampleRate; % 计算每个点的时间，即采样周期SampLen = size(VoiceWav,1); % 单声道采样长度

%% 绘制时域分析图

hFig1 = figure('Units', 'normalized', 'Position', [0 0.05 0.49 0.85]);

t = T: T: (SampLen* T);

subplot(2, 1, 1); % 绘制音频波形

plot(t, VoiceWav); % 绘制波形

title('音频时域波形图'); axis([0, 2.3, -0.5, 0.5]);

xlabel('时间(s)'); ylabel('幅值(V)'); % 显示标题

%% 傅里叶变换

subplot(2, 1, 2); % 绘制波形

myfft(VoiceWav, SampleRate, 'plot'); % 傅里叶变换

title('单声道频谱振幅'); % 显示标题

xlabel('Frequency (Hz)');

ylabel('|Y(f)|');

play(hAudio); % 播放添加噪声前的声音

pause(3);

%% 引入100KHz的噪声干扰

t = (0: SampLen-1)* T;

noise = sin(2 * pi * 10000 * t); % 噪声频率100Khz，幅值-1V到+1V

hFig2 = figure('Units', 'normalized', 'Position', [0.5 0.05 0.5 0.85]);

subplot(2, 1, 1); % 绘制波形

plot(t(1: 1000), noise(1: 1000));

title('100KHz噪声信号'); % 显示标题

noiseVoice = VoiceWav+ noise'; % 将噪声加到声音里面

hAudio = audioplayer(noiseVoice, Fs); % 将音频文件载入audioplayer

subplot(2, 1, 2); % 绘制波形

[fftNoiseVoice, f] = myfft(noiseVoice, SampleRate, 'plot');

title('音乐和噪声频谱'); % 显示标题

play(hAudio); % 播放添加噪声后的声音

pause(3);

%% 设计RC滤波系统（二阶有源低通滤波器）

w = f;

Wc = 3000; % wc = 1/(RC)，特征角频率

A0 = 1; % A0 = AVF < 3

Q = 1/(3 - A0); % 品质因素

H = A0* Wc^2 ./ ((j*w).^2 + Wc/Q * (j*w) + Wc^2); %二阶有源低通滤波器公式

hFig3 = figure('Units', 'normalized', 'Position', [0 0.05 0.49 0.85]);

subplot(2, 1, 1); % 绘制波形

plot(w, H); % 显示标题

title('二阶有源低通滤波器');xlabel('频率');ylabel('w/Wc');

AfterFilter = fftNoiseVoice .* H'; % 滤波

% AfterFilter = fftNoiseVoice;

%% 傅里叶逆变换

subplot(2, 1, 2); % 绘制波形

NFFT = 2^nextpow2(SampLen); % 根据采样求傅里叶变换的点

f = SampleRate/2 * linspace(0,1,NFFT/2+1); % 计算频率显示范围

plot(f, 2*abs(AfterFilter(1:NFFT/2+1))); % 绘制频域分析图

title('滤波以后的频谱');xlabel('频率');ylabel('w/Wc');

clear Y H;

FilterVoice = fftshift(ifft(AfterFilter)); % 傅里叶逆变换

FilterVoice = fftshift(FilterVoice);

FilterVoice = ((FilterVoice - max(max(FilterVoice)))/( max(max(FilterVoice)) ... - min(min(FilterVoice)) )) + 0.5; % 归一化

clear AfterFilter w; % 清除缓存

hFig4 = figure('Units', 'normalized', 'Position', [0.5 0.05 0.5 0.85]);

subplot(2, 1, 1); % 绘制右声道波形

plot(t, FilterVoice(1:size(t,2), 1));

title('傅里叶逆变换图');

xlabel('时间(ms)'); ylabel('幅值(V)'); % 显示标题

hAudio = audioplayer(FilterVoice, Fs); % 将音频文件载入audioplayer play(hAudio); % 播放添加噪声后的声音

%% 结束

% 我的快速傅里叶变换函数

function [outFFT, Freq] = myfft(varargin)

% 输入参数格式：

% 1. 需要FFT变换的向量

% 2. 采样率SampleRate

% 3. 是否绘图，绘图‘plot‘，不绘图则不传递该参数

% 4. 单边显示：'half'，全部显示：'full'

% 输出参数格式：

% 1. 转换完成的向量

% 2. FFT频率范围

%% 输出参数判断

switch nargin

case 0 | 1,

error('Less argument in!');

case 2,

FFTVector = varargin{1};

SampleRate = varargin{2};

isplot = 0;

case 3,

FFTVector = varargin{1};

SampleRate = varargin{2};

isplot = varargin{3};

plotmode = 'half';

case 4,

FFTVector = varargin{1};

SampleRate = varargin{2};

isplot = varargin{3};

plotmode = varargin{4};

otherwise

error('So many arguments in!');

end

%% FFT变换

SampLen = size(FFTVector,1); % 获取采样点

NFFT = 2^nextpow2(SampLen); % 根据采样求傅里叶变换的点

Y = fft(FFTVector, NFFT)/SampLen; % 傅里叶变换

f = SampleRate * linspace(0,1,NFFT); % 计算频率显示范围

%% 判断输出参数

if(nargout == 1)

outFFT = Y;

elseif(nargout ==2)

outFFT = Y;

Freq = f;

end

%% 判断绘图

if(strcmp(isplot, 'plot'))

if(strcmp(plotmode, 'full'))

plot(f, abs(Y(1:NFFT))); % 绘制频域分析图else

f = SampleRate/2 * linspace(0,1,NFFT/2+1); % 计算频率显示范围 plot(f, 2*abs(Y(1:NFFT/2+1))); % 绘制频域分析图end

title('FFT频谱'); % 显示标题

xlabel('Frequency (Hz)');

ylabel('|Y(f)|');

end

%% 结束

00.51

1.52

-0.5

0.5

音频时域波形图

时间(s)幅值(V )

00.51

1.52

2.5x 10

4

0.01

0.02

0.03

0.04

单声道频谱振幅

Frequency (Hz)

|Y (f )|

00.0050.010.0150.020.025

-1

-0.5

0.5

1

100KHz 噪声信号

00.51

1.52

2.5x 10

4

0.20.40.60.8

1音乐和噪声频谱

Frequency (Hz)

|Y (f )|

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5x 10

4

-0.2

00.20.40.60.81

1.2二阶有源低通滤波器

频率w /W c

00.51

1.52

2.5x 10

4

0.01

0.02

0.03

0.04

滤波以后的频谱

频率

w /W c

00.51

1.52

2.5

-1.5

-1

-0.5

0.5

傅里叶逆变换图

时间(ms)

幅值(V )