基于matlab的音乐信号的处理终稿.doc

中北大学信息商务学院2012/2013学年课程设计 目 录1、课程设计的目的12、课程设计的基本要求13、课程设计内容1 3.1 基于USB总线或PCI总线A/D卡的报告1 3.1.1 USB总线介绍1 3.1.2 USB接口的数据采集系统的设计实现1 3.1.3 USB接口电路设计2 3.1.4 AD转换电路3 3.1.5 控制电路及数据缓冲电路3 3.2 基于MATLAB的音乐信号的处理5 3.2.1 音乐信号的音谱和频谱观察5 3.2.2音乐信号的采样74、学习matlab的心得体会与本次课程设计的心得体会105、参考文献111、课程设计的目的 本课程设计通过对音乐信号的采样、抽取、分析、等多种处理过程的理论分析和MATLAB实现，使学生进一步巩固数字信号处理的基本概念、理论以及频谱分析方法和数字滤波器设计方法；使学生掌握的基本理论和分析方法只是得到进一步扩展；使学生能有效地将理论和实际紧密结合；增强学生软件编程实现能力和解决实际问题的能力。2、课程设计的基本要求1 学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的基本编程语句。2掌握USB总线或PCI总线的基本结构，了解基于USB总线或PCI总线A/D卡的通用结构。3 掌握在Windows环境下音乐信号采集的方法。4掌握数字信号处理的基本概念、基本理论和基本方法。5 掌握使用MATLAB处理数字信号、进行频谱分析的编程方法。 3、课程设计内容 3.1.基于USB总线A/D卡的报告 3.1.1 USB总线介绍 USB总线是Intel，DEC，Microsoft，IBM等公司联合提出的一种新的串行总线接口规范，是为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。USB具有较高的传输速度： USB协议11支持低速（15 Mbs）和全速（12 Mbs）2种传输模式，而20协议支持的速度提高到480 Mbs。他的数据传输速度比标准串并口高，且具有使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点。USB接口采用4线电缆，其中2根信号线，1根电源线和1根地线，电源线可以向外设提供最大5 V，500 mA的电流。USB接口有4种传输方式：控制传输、批量传输、终端传输和同步传输，可以满足不同传输的需要。 3.1.2 USB接口的数据采集系统的设计实现整个系统主要由4部分组成：USB接口芯片及外围电路、控制电路、数据缓冲电路和AD转换电路。USB接口芯片选择了Cypress公司的EZ-USB 2131Q，该芯片内嵌8051控制器，因此整个系统以EZ-USB控制器为核心，由EZ-USB经控制电路实现对AD转换电路和数据缓冲电路的控制，模拟信号转换后的数据送入数据缓冲器，当数据缓冲器存满之后，通知EZ-USB控制器，由主机取出数据。整个系统框图如图1所示。 3.1.3 USB接口电路设计EZ-USB2131Q是CYPRESS公司生产的EZUSB系列芯片的一种，该芯片集成了USB外设接口所需的功能电路，其原理框图如图2所示。AN2131Q具有24个IO引脚，16 b地址总线和8 b数据总线，可以进行外部存贮器的扩展。图2中的微处理器是一个具有快速执行周期和加强特性的8051核，其性能是标准8051的5倍，指令系统与标准的8051兼容。他使用内部RAM存储固件和数据，上电后USB主机通过USB总线将固件和外设特性描述符下载到RAM中，然后重新连接，按照描述符中定义的外设特性完成重列举。这使得USB有一个“软”解决方案，即USB外设的设计者可以随时设置和升级固件，不受端口数、缓冲大小、传输速度及传输方式的限制。 本系统中EZ-USB的外围电路主要包括EZ-USB芯片和PC机的接口电路、电源模块及EZ-USB 供电电路、E2PROM枚举电路（I2C总线上连接 E2PROM存储设备的PID，VID），其主要功能是保证EZ-USB芯片的正常工作并实现和PC机的通讯；功能电路是利用他的IO引脚实现的，由于EZ-USB的 IO是可编程的，通过寄存器设置PA口的高4位和PB口为输入，用来传输数据缓冲器中的12 b数据，利用 C口接收中断和产生控制信号。 EZ-USB为块传输、控制传输和中断传输提供了16个端点，在数据采集系统设计中使用了块传输方式，使用终端2-in来传输数据，允许的最大数据包为64 B；终端1-out和终端3-out输出控制信号。 3.1.4 AD转换电路 系统中AD转换芯片采用了MAXIM公司的MAX122，该芯片是12 b的高速的AD转换器。在完全转换模式下，他的转换时间可以达到26μs，采样率为333 kSs。MAX122有5种工作模式，在数据采集系统中，采用了模式2即连续转换模式。在这种模式下，每次转换需要1314个时钟脉冲节拍，转换可以不间断地进行，但是需要提供开始转换使能信号，并且要保证使能信号和时钟信号同步，读信号和片选始终处于有效状态。数据输出使能信号一直有效，在转换结束时产生新的数据。3.1.5 控制电路及数据缓冲电路AD转换器MAX122的采样率较高，得到的数据不能通过USB总线直接传送给主机，因此需要在AD转换器和主机之间连接数据缓冲器，AD转换器产生的数据先存储在缓冲器中，当缓冲器数据存满之后，通知主机取走数据。这里的数据存储器使用的是128 k8的静态RAM，使用2片并接将数据线扩展成16 b。控制电路是整个系统的核心，系统中采用一片Altera公司的EPM7128设计实现控制电路，该器件具有在线调试的功能，因此给设计带来了很大的方便。控制电路的原理框图如图3所示。 控制电路主要由以下部分组成：逻辑控制电路、时钟电路、三态缓冲电路、时序逻辑控制电路和地址发生器。逻辑控制电路接收USB控制器发出的控制信号，产生三态缓冲电路和时钟电路的控制信号；三态缓冲电路控制数据传输方向，是由MAX122传输到RAM，还是由RAM传输到USB控制器；时钟电路用 来产生MAX122的时钟信号CLKIN和转换开始信号CONVST，以及地址发生器的时钟信号；时序逻辑电路调整相关信号之间的同步，保证电路的时序正确；地址21发生器由计数器来实现，提供RAM的读写地址信号。系统的工作过程如下：控制电路接收到开始采集信号时，控制三态缓冲电路的数据传输方向为AD转换器转换的数据存入SRAM中，并且使时钟电路产生AD转换器的转换开始信号CONVST、时钟CLKIN 信号和地址发生器的时钟信号及控制信号。CONVST和CLKIN信号还必须通过时序逻辑控制电路调整使2个信号同步，CONVST信号在下一个时钟信号（CLKIN）上升沿来到之前保持低电平至少50 ns，确保转换时间为13个时钟周期。并且地址发生器的时钟信号也要和CONVST信号同步，使AD转换器产生的数据能存入正确的地址中。 控制电路接收到读数据的信号时，便产生控制信号，使三态数据缓冲器的数据传输方向是从SRAM到USB控制器，地址发生器产生的地址信号是SRAM的读地址。当地址发生器的计数器计数到1FFFFH（128 kb），即RAM的最后一个地址时，计数器发生溢出，产生溢出中断信号INT0和INT1到USB控制器的PC口的第2位和第3位（设置为8051辅助功能位），当USB接收到中断信号之后，在中断服务程序中，进行相应的读处理。SRAM的读写是相互独立的，由地址发生器产生地址信号，地址发生器由计数器来实现。当开始采集数据时，对RAM进行写操作，地址发生器产生的地址信号清0，同时必须使能RAM的写使能，在写使能低有效时，数据就写入SRAM。时钟信号和AD转换器的转换时钟相一致，每产生一个数据，地址自动加1。当采集结束时，主机发出命令取出数据，对RAM进行读操作，当第一个读脉冲到达时，地址发生器产生的地址信号清0，时钟信号和USB控制器读的周期相一致，每读一个字节，地址自动加1。 3.2 基于MATLAB的音乐信号的处理 3.2.1 音乐信号的音谱和频谱观察 使用windows下的录音机录制一段音乐信号或采用其它软件截取一段音乐信号（要求：时间不超过5s、文件格式为wav文件） 使用wavread语句读取音乐信号，获取抽样率；（注意：读取的信号是双声道信号，即为双列向量，需要分列处理）； 输出音乐信号的波形和频谱，观察现象； 使用sound语句播放音乐信号，注意不同抽样率下的音调变化，解释现象。Wavread格式说明： w,fs,b=wavread(语音信号)，采样值放在向量w中，fs表示采样频率（hz），b表示采样位数。 上机程序：y,fs,bit=wavread(I do片段)%读取音乐片段，fs是采样率size(y)%求矩阵的行数和列数y1=y( : ,1);%对信号进行分列处理n1=length(y1);%取y的长度t1=(0:n1-1)/fs;%设置波形图横坐标figuresubplot(2,1,1);plot(t1,y1); %画出时域波形图ylabel(幅值);xlabel(时间（s）);title(信号波形);subplot(2,1,2);Y1=fft(y1);w1=2/n1*(0:n1-1);%设置角频率plot(w1,abs(Y1);%画频谱图title(信号频谱);xlabel(数字角频率);ylabel(幅度);grid on;sound(y,fs); 实验结果：图4 原信号的波形图和频谱图实验结果分析：1、通过观察频谱知，选取音乐信号的频谱集中在00.7*pi之间，抽样点数fs=44100;2、当采样频率问原来0.5（0.5*fs）倍时：音乐片段音调变得非常低沉，无法辨认原声，播放时间变长；抽样频率减小，抽样点数不变时，其分辨力增大，记录长度变长，声音失真。 3、当采样频率问原来2(2*fs)倍时：音乐片段音调变得尖而细，语速变快，播放时间变短；抽样频率增加，抽样点数不变时，其分辨力下降，记录长度变短，声音失真。 3.2.2音乐信号的采样主要采样方式1.过采样（Over Sampling）。采样方式中最早是过采样，根据采样定理，采样频率fs必须高于被采信号最高频率fch的两倍，才不致产生频率混叠现象。2.欠采样（Under Sampling）。在通信和动态数据的采集中，发展了一种欠采样技术，即采样频率fs可以低于信号频率fch，但信号的频带宽度不得大于0.5fs，利用采样信号产生的高次谐波，将采样后的信号移至第二或者更高的奈奎斯特区。 观察音乐信号频率上限，选择适当的抽取间隔对信号进行减抽样（给出两种抽取间隔，代表混叠与非混叠）； 输出减抽样音乐信号的波形和频谱，观察现象，给出理论解释； 播放减抽样音乐信号，注意抽样率的改变，比较不同抽取间隔下的声音，解释现象。上机程序：y,fs,bit=wavread(I do片段)y1=y( : ,1);n1=length(y1);tn1=(0:n1-1)/fs;figure subplot(2,1,1);plot(tn1,y1); ylabel(幅度);xlabel(时间（s）);title(原信号波形);wn1=2/n1*0:n1-1;Y1=fft(y1); subplot(2,1,2);plot(wn1,abs(Y1);title(原信号频谱);xlabel(数字角频率w);ylabel(幅度);grid on;D=2;%设置抽样间隔 y2=y1(1:D:n1);%减抽样n2=length(y2);%减抽样后信号长度t2=(0:n2-1)/fs;%设置横坐标figure subplot(2,1,1);plot(t2,y2); %绘制减抽样信号波形图ylabel(幅度);xlabel(时间（s）);title(2:1减抽样信号波形);Y2=fft(y2); %对y2进行n2点fft谱分析w2=2/n2*0:n2-1;subplot(2,1,2);plot(w2,abs(Y2);%绘制减抽样信号频谱图title(2:1减抽样信号频谱);xlabel(数字角频率w);ylabel(幅度);grid on;sound(y2,fs/D);实验结果分析：1、 程序中指标D表示抽样间隔，其值越大，相邻两抽样点之间的距离越远，抽样后漏掉的信息越多，相应的时域信号长度越短；2、 抽样间隔D=1.1时的信号波形及频谱图图2 抽样间隔D=1.1时的信号波形及频谱图，抽样频率大于信号最高频率的两倍，满足抽样定理，不会发生混叠。抽样间隔D越大，抽样率fs越小，抽样后时域信号长度越短。3 、抽样间隔D=2时的信号波形及频谱图 图3 抽样间隔D=2的信号波形及频谱图，抽样频率小于信号最高频率的两倍，即2，不满足抽样定理，其频谱图发生混叠，且D越大，混叠越严重，高频成分增加越多，音乐片段音调听起来很沙哑， 音调变得很高。4、 抽样间隔D=10的信号波形及频谱图 抽样间隔D=10的信号波形及频谱图，抽样频率小于信号最高频率的两倍，即2，不满足抽样定理，其频谱图发生混叠，音乐片段音调听起来很尖锐。4、学习matlab的心得体会与本次课程设计的心得体会： 通过近两个星期的学习，我觉以下几点对于学好matlab很重要：兴趣、悟性和坚持。 1多动手写程序、调试，先有量变后有质变。 2善于利用MATLAB的帮助。 3善于向别人学习，多看别人写的代码并消化。 通过这一个星期的课程设计，我学到了很多的东西,不仅巩固了我以前所学过的知识, 还让我学到很多在书本上所没有学到过的知识。 同时进一步加深了对语音信号的