1、武漢大學教學實驗報告電子信息學院 通信工程 專業 2015 年 10月 7 日 實驗名稱 Wav信號的波形分析與合成 指導教師 姓名 年級 學號 成績 一、 預習部分1. 實驗目的2. 實驗基本原理3. 主要儀器設備（含必要的元器件、工具）1.實驗目的.鞏固傅里葉變換及其反變換的知識，學習從時域和頻域兩個角度來觀察信號。.嘗試利用短時傅里葉變換分析非平穩信號的頻譜變化。.熟悉MATLAB 環境中wavread、wavrecord、wavplay、fft和ifft等函數的應用。2.實驗基本原理 音頻信號（Audio）是通過麥克風、A/D 等數據采集設備將聲音轉換而成的電信號，是聲波頻率、幅度變化

2、的信息載體。聲音的三個主觀特性是音調、音強和音色。而聲波的三個重要參數為頻率0、幅度A n 和相位n ，這也就決定了音頻信號的特征定義如下：.基頻與音調基頻指一個復雜聲波中最低的一個頻率（其他頻率叫諧波）。音調主要由聲音的頻率決定，同時也與聲音強度有關。對一定強度的純音，音調隨頻率的升降而升降；對一定頻率的純音、低頻純音的音調隨聲強增加而下降，高頻純音的音調卻隨強度增加而上升。.諧波與音色諧波是指周期函數或周期性的波形中不能用常數與原函數基頻的正弦函數和余弦函數的線性組合表達的部分。nO 稱為O 的n 次諧波分量，也稱為(n-1)次泛音。音色是由混入基音的泛音所決定的，高次諧波越豐富，音色就越

3、有明亮感和穿透力。不同的諧波具有不同的幅值An 和相位偏移n ，由此產生各種音色效果。.幅度與音強人耳對于聲音細節的分辨只有在強度適中時才最靈敏。人的聽覺響應與強度成對數關系。常用音量來描述音強，以分貝（dB=20log）為單位。.音寬與頻帶音頻信號的頻帶寬度簡稱為音寬，它是描述組成復合信號的頻率范圍。借助傅里葉變換，信號可以時間函數或頻率函數兩種形式描述，特別是周期信號和準周期信號（前者由一個基頻成分和若干諧波成分，后者雖可分解為幾個正弦分量，但它們的周期沒有公倍數），從頻率域可以很清楚地了解它們由哪些正弦分量組成。而對于非平穩信號，最典型的例子就是語音信號，它是非周期的，頻譜隨時間連續變化

4、，因此由傅里葉變換得到的頻譜無法獲知其在各個時刻的頻譜特性。最直觀的想法就是用中心在某一時刻的時間窗截取一段信號，對其做傅里葉變換，得到這一時刻的頻譜；然后將窗在時間軸上移動，從而得到不同時刻的頻譜，這就是短時頻譜的原理。最簡單的窗就是矩形窗，即直接從原信號中截取一段。3. 涉及的MATLAB 函數 .wavread功能：讀取Microsoft 的WAVE 文件?；菊{用格式：y, Fs, nbits = wavread(filename) 載入以filename 命名的WAVE 文件。y 為采樣數據，Fs為WAVE 文件被采樣時所用的采樣頻率，nbits為用于描述每個采樣點的編碼數據位數（常

5、用的有8bits 和16bits）。其中filename以單引號括起的字符串方式輸入。.wavrecord功能：應用PC 機上音頻輸入設備錄制聲音。基本調用格式：y = wavrecord(n,Fs)對某音頻信號以Fs Hz 采樣率連續錄入n 個采樣點的數據。其中Fs默認值為11025Hz。.wavplay功能：應用PC 機上音頻輸出設備播放已錄制的聲音?；菊{用格式：Wavplay(y,Fs)以Fs播放存入矢量y 中的音頻信號。Fs默認值為11025Hz。注：亦可參看sound 函數。.fft功能：離散傅立葉變換函數?；菊{用格式：Y = fft(X,n)對矢量X 進行n 點離散傅立葉變換，

6、結果存入矢量Y。計算時所用算法為快速傅立葉變換（FFT）。如果X 為普通矩陣，那么返回為對此矩陣進行逐列的FFT 的結果。. ifft功能：離散傅立葉反變換。基本調用格式：y = ifft(X,n)返回對矢量X 進行n 點離散傅立葉反變換的結果。同樣利用FFT算法進行具體計算，若X 為矩陣，返回結果為逐列離散傅立葉反變換的Y矩陣。4主要儀器設備 計算機，Matlab軟件 二、 實驗操作部分1.實驗數據、表格及數據處理2.實驗操作過程（可用圖表示）3.實驗結論1聲音的采集Matlab提供了讀入、錄制和播放聲音以及快速傅里葉變換的函數，分別是wavread、wavrecord、wavplay和ff

7、t，熟練使用幾個函數。2. 持續音的頻譜分析將 Windows 的系統目錄下的ding.wav 文件讀入，這是一個雙聲道的聲音，選擇任一聲道的信號，使用fft求取其頻譜，并用plot 顯示它的幅度譜，觀察主要的正弦分量；參考代碼： y,fs=wavread('ding.wav')leng=length(y)%取其中的一個聲道，譬如說，右聲道yr=y(:,2);%截取前1024個點yr=yr(1:1024);%求取幅度普并顯示，首先是fs=2048YR2048=fft(yr,2048);figure('numbertitle','off','

8、;name','2048點FFT');subplot(2,1,1)plot(linspace(-pi,pi,2048),abs(YR2048) %FFT的幅頻特性title('FFT的幅頻特性')subplot(2,1,2)plot(linspace(-pi,pi,2048),fftshift(abs(YR2048) %FFT的幅頻特性FFTSHIFTtitle('FFT后幅頻特性的fftshift')%fs=1024YR1024=fft(yr,1024);figure('numbertitle','off'

9、;,'name','1024點FFT');subplot(2,1,1)plot(linspace(-pi,pi,1024),abs(YR1024) %FFT的幅頻特性title('FFT的幅頻特性')subplot(2,1,2)plot(linspace(-pi,pi,1024),fftshift(abs(YR1024) %FFT的幅頻特性的FFTSHIFTtitle('FFT后幅頻特性的fftshift') 實驗結果圖如下： 3. 時變音的短時頻譜分析 代碼如下：load chirplen=length(y);fori=1:fl

10、oor(len/1024)seg=y(i1)*1024+1:i*1024);figure('numbertitle','off','name','frame',num2str(i);plot(linspace(-pi,pi,1024),fftshift(abs(fft(seg);end實驗結果如下： 4. 分別錄制男生和女生發元音“a”的聲音，通過對音頻文件的頻譜分析對比兩者的差異，并進行合理的解釋。 .通過以下程序錄制男生女生聲音%錄制聲音并播放duration = 2;fs = 8192;nbits = 16; format

11、= 'int16'waveFile='C:Documents andSettingsadmin桌面mansound' %錄制之后的文件路徑，文件名為mansound.wavy = wavrecord(duration*fs, fs, format);%錄制兩秒mic聲音wavwrite(y, fs, nbits, waveFile); %將聲音按fs頻率nbits寫mansoundwavplay(y,fs); %播放（或者使用sound（y,fs）錄制好的男生聲音文件名為“mansound.wav”,女聲聲音文件名為“womansound.wav”男生聲音的分析

12、代碼如下：y,fs=wavread('mansound.wav')fs%fs=11025leng=length(y)%leng=22050%聲音的默認聲道為左聲道yr=y(:,1); yr=yr(1:1024); %截取前1024個點YR2048=fft(yr,2048); %求取幅度普并顯示，首先是fs=2048figure('numbertitle','off','name','2048點FFT');subplot(2,1,1)plot(linspace(-pi,pi,2048),abs(YR2048) %FF

13、T的幅頻特性title('FFT的幅頻特性')subplot(2,1,2)plot(linspace(-pi,pi,2048),fftshift(abs(YR2048) %FFT的幅頻特性FFTSHIFTtitle('FFT后幅頻特性的fftshift')%fs=1024YR1024=fft(yr,1024);figure('numbertitle','off','name','1024點FFT');subplot(2,1,1)plot(linspace(-pi,pi,1024),abs(YR102

14、4) %FFT的幅頻特性title('FFT的幅頻特性')subplot(2,1,2)plot(linspace(-pi,pi,1024),fftshift(abs(YR1024) %FFT的幅頻特性的FFTSHIFTtitle('FFT后幅頻特性的fftshift')圖形如下：1024點FFT2048點FFT%反變換，結果應與原始信號相同yr1024=100*real(ifft(YR1024);figure('numbertitle','off','name',' 1024點fft的反變換');s

15、ubplot(2,1,1);plot(yr1024)title(' 1024點fft的反變換')subplot(2,1,2);plot(yr);title('原信號');%重構尋找幅度最大的正弦分量maxpeak,peaki=max(abs(YR1024(1:512);MAXSIN=zeros(1,1024);MAXSIN(peaki)=maxpeak;MAXSIN(1026-peaki)=maxpeak;maxsin=100*ifft(MAXSIN);figure('numbertitle','off','name

16、9;,用最大正弦分量重構信號);subplot(2,1,1)plot(maxsin);title('重構的信號');subplot(2,1,2);plot(yr1024);title('原始信號');%試聽wavplay(yr1024,fs);wavplay(maxsin,fs);圖形如下：.女生聲音分析代碼如下：y,fs=wavread('nv.wav')fs%22050leng=length(y)%84480%聲音的默認聲道為左聲道yr=y(:,1);%截取前1024個點yr=yr(40000:41024);%求取幅度普并顯示，首先是fs=2

17、048YR2048=fft(yr,2048);figure('numbertitle','off','name','2048點FFT');subplot(2,1,1)plot(linspace(-pi,pi,2048),abs(YR2048) %FFT的幅頻特性title('FFT的幅頻特性')subplot(2,1,2)plot(linspace(-pi,pi,2048),fftshift(abs(YR2048) %FFT的幅頻特性FFTSHIFTtitle('FFT后幅頻特性的fftshift'

18、)%fs=1024YR1024=fft(yr,1024);figure('numbertitle','off','name','1024點FFT');subplot(2,1,1)plot(linspace(-pi,pi,1024),abs(YR1024) %FFT的幅頻特性title('FFT的幅頻特性')subplot(2,1,2)plot(linspace(-pi,pi,1024),fftshift(abs(YR1024) %FFT的幅頻特性的FFTSHIFTtitle('FFT后幅頻特性的fftshi

19、ft')圖形如下：1024點FFT.2048點FFT%反變換，結果應與原始信號相同yr1024=100*real(ifft(YR1024);figure('numbertitle','off','name',' 1024點fft的反變換');subplot(2,1,1);plot(yr1024)title(' 1024點fft的反變換')subplot(2,1,2);plot(yr);title('原信號');%重構尋找幅度最大的正弦分量maxpeak,peaki=max(abs(YR1024(1:51