数字信号处理综合报告--数字音频信号的分析与处理..doc

数字信号处理实验 题 目 数字音频信号的分析与处理 班 级 姓 名 学 号 日 期 2013.06.10-2013.06.24 一、实验目的 1．复习巩固数字信号处理的基本理论； 2．利用所学知识研究并设计工程应用方案。 二、实验原理 数字信号处理技术在音频信号处理中的应用日益增多，其灵活方便的优点得到体现。分频器即为其中一种音频工程中常用的设备。 人耳能听到的声音频率范围为20Hz~20000Hz，但由于技术所限，扬声器难以做到在此频率范围内都有很好的特性，因此一般采用两个以上的扬声器来组成一个系统，不同的扬声器播放不同频带的声音，将声音分成不同频带的设备就是分频器。下图是一个二分频的示例。 图8.1 二分频示意图 高通滤波器和低通滤波器可以是FIR或IIR类型，其中FIR易做到线性相位，但阶数太高, 不仅需要耗费较多资源，且会带来较长的延时；IIR阶数低，但易出现相位失真及稳定性问题。 对分频器的特性，考虑最多的还是两个滤波器合成的幅度特性，希望其是平坦的，如图8.2所示： 图8.2 分频器幅度特性 由于IIR的延时短，因此目前工程中大量应用的还是Butterworth、Bessel、Linkwitz-Riley三种IIR滤波器。其幅频特性如图8.3所示： 图8.3 三种常用IIR分频器的幅度特性 巴特沃斯、切比雪夫、椭圆等类型的数字滤波器系数可通过调用MATLAB函数很方便的计算得到，但Bessel、Linkwitz-Riley数字滤波器均无现成的Matlab函数。 并联系统的系统函数为 级联系统的系统函数为 宁可瑞滤波器（Linkwitz-Riley），由两个巴特沃斯滤波器级联而成。 N阶巴特沃夫滤波器等效宁可瑞滤波器的设计 为了使设计的IIR滤波器方便在DSP上实现，常将滤波器转换为二阶节级联的形式。 设计好分频器后，为验证分频后的信号是否正确，可用白噪声信号作为输入信号，然后对分频后的信号进行频谱分析。 三、仪器设备 1.硬件：计算机一台，耳机。 2.软件：MATLAB R2010b 四、实验步骤 任意选择两种类型的IIR数字滤波器，设计一个二分频的数字分频器，已知系统的采样率为48000Hz。 （1）分频点为2000Hz； （2）要求给出类似图8.3的幅频特性图，分频器的幅频响应平坦，在分频点处最多不能超过3dB的偏差； （3）滤波器必须是二阶节形式； （4）给出相位特性图； （5）用频谱分析的方法验证设计好的分频器； （6）对选用的两种类型的滤波器效果进行对比。 滤波器设计的基本步骤： 五、数据记录 我选择要设计的合成滤波器为ButterWorth IIR滤波器和Linkwitz-Riley IIR滤波器。 1.设计程序 设计程序如下：（以4阶巴特沃斯滤波器、宁可瑞滤波器设计的分频器程序为例（分频器阶数为8阶）） %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%设计分频器 clear;clc; fs = 48000;%采样频率为48000Hz fc = 2000;%分频点为2000Hz wc = 2 * fc / fs; N = 4; %滤波器阶数，分频器阶数为2*N [BL,AL] = butter(N,wc); %计算巴特沃思低通滤波器系统函数B,A系数 [BH,AH] = butter(N,wc,high); %计算巴特沃思高通滤波器系统函数B,A系数 [magHH,w]=freqz(BH,AH);%计算巴特沃思高通滤波器幅频特性 magHH=20*log10(abs(magHH)); f=w*fs/(2*pi);%把数字频率w转换为模拟频率f [BL1,AL1] = butter(N/2,wc); [BH1,AH1] = butter(N/2,wc,high); BL1=conv(BL1,BL1); %计算宁可瑞低通滤波器系统函数B,A系数 AL1 = conv(AL1,AL1); BH1=conv(BH1,BH1);%计算宁可瑞高通滤波器系统函数B,A系数 AH1 = conv(AH1,AH1); [magHH1,w1]=freqz(BH1,AH1);%计算宁可瑞高通滤波器幅频特性 magHH1