ch4-专题

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信号与系统综合应用专题研讨
【目的】
(1) 提高学生灵活应用信号与系统基本原理解决实际问题的能力。
(2) 培养学生理论联系实际的素质,提高学生的工程实践能力和创新能力。

【研讨内容】
题目1:连续周期信号的频域分析
(1) 画出有限项谐波合成的近似波形,并对结果加以讨论和比较。
(2) 增加谐波的项数,观察其合成的近似波形,并对结果加以讨论和比较。

T0tT0/2T0/2

T

0


A/2

A/2
x(t)
x(t)

T0T0/2T
0

t

A

(a) 周期矩形信号 (b) 周期三角波信号
【知识点】

连续周期信号的频域分析,有效带宽,吉伯斯现象

【信号频谱及有效带宽计算】
【仿真程序】
【仿真结果】
【结果分析】
提示:应从以下几方面对结果进行分析:
(1) 图(a) 和图(b)信号有效带宽内有限项谐波合成波形与原波形的近似度比较。
(2) 谐波次数增加,图(a) 和图(b)信号合成波形分别有什么变化,从中能得出什么结论?
【自主学习内容】

【阅读文献】
【发现问题】
【问题探究】
题目2:男女生变音

(1)采集wav格式的男女生语音信号,对其进行频谱分析,比较男女生频谱的特点。
(2)通过尺度变换进行变声:分别将男女生语音信号进行展宽和压缩(内插和抽取),观察其声音
变化,并对变换前后的信号进行分析,给出相应的解释。
(3)通过调制进行变声:将男女生语音信号乘以载波信号,对其进行幅度调制。载波信号的频率
可取几Hz,几百Hz或几千Hz不等,观察已调信号的声音变化,并对调制信号和已调信号进行分
析,给出相应的解释。
(4)如何实现将男生声音转换成女生声音,或将女生声音转换成男生声音,给出你的实现方案。
(5)查阅资料,还有哪些实现变声的方法,其中利用信号与系统基本原理和方法进行变声的方法
是那几个,试着尝试实现一种方法。
【知识点】
信号的基本运算,信号的频谱,信号的调制
【温馨提示】

利用MATLAB函数fft分析信号x(t)的频谱,计算L点频谱的调用形式为X=fft(x ,L)。频谱计算
后,可利用下面语句建立频谱X的取值与频率f的对应关系,并绘制幅度频谱。其中ws为抽样角频
率。
Y=fftshift(X);
w=(ws/2+(0:L1)*ws/L)/(2*pi);
plot(w, abs(Y))
【题目分析】

【仿真结果】
【结果分析】
【自主学习内容】
【阅读文献】
【发现问题】
【问题探究】
【仿真程序】
【研讨内容】
题目3:电子音乐合成
(1) 根据音节的时频特征,确定一种乐器(如钢琴、小提琴等)某个曲调(如C大调、)音节的基
波频率,并利用MATLAB产生这些音节。
(2) 在上述音节中添加适当的谐波分量,使音色更加悦耳。研究谐波的次数及幅度。
(3) 利用这些音节合成一首你喜欢的乐曲。
【知识点】
信号的频域分析,时域抽样
【音乐背景知识】

音乐是乐音随时间流动而形成的艺术,用信号专业术语来讲就是周期信号频率即某种指定规律
的频谱结构随时间节奏变化的一种表述。乐谱上的每一个音符表达了此时此刻规定出现的信号频率
和持续时间。乐音的基本特征可以用基波频率、谐波频率、包络波形几方面来描述。
1、 乐音基波构成规律
我们平常读乐谱时唱出的1 ( do) 、2( re) 、3 (mi) 等并未固定基波频率,当指定乐曲的曲

调时才知道此时对应的频率值。比如C大调中“1”的基波频率为261. 63 Hz, F调中“1”的基波
频率为349. 23 Hz, F调“5”的基波频率为523. 25 Hz。
上面那些频率值都是按照“十二平均律”计算导出的,钢琴是十二平均律制乐器,国际标准音
规定,钢琴的a1键的频率是为440Hz;又规定每相邻半音的频率比值为21/12=1.059463,根据这规定,
就可以得出钢琴上每一个琴键音的频率。如与a1右边相邻#a1的频率是440×1.059463=
466.16372Hz;再往上,b1的频率是493.088321Hz;c2的频率是523.25099......同理,与a1左边
相邻的#g1的频率是440÷1.059463=415.030473Hz.....这种定音的方式就是“十二平均律”。
2、 音乐谐波的作用——音色
在乐音领域,称谐波为“泛音”,正是这些泛音决定了其不同的音色,使人能辨别出是不同的乐

器发出的声音。当指定音名(音调)之后仅指定了乐音信号的基波频率,谐波情况并未说明。对于
各种乐器如钢琴或吉他都可以发出某一音调,例如fA1=440Hz的乐音,而人的听觉会明显感觉两者
的不同,这是由于谐波成分有所区别,频谱结构不同引起的,各种乐器都有自己的谐波分布规律,
同种乐器不同音阶的谐波构成还可能略有区别。
3、 音乐包络波形
包络是描述乐音特性的另一个重要因素。各种乐器的包络大体上可以划分为以下几种类型:连

续型(风琴、弦乐)、弹奏型(钢琴、吉他)、击奏型(木琴、木鱼)、吹奏型(管乐)等。不同类型
的乐器,它们的包络形状也各不相同。在音乐合成中,为简化编程,可以把复杂的包络函数用少量直线
近似。有时为了保证在乐音的邻接处信号幅度为零,也可以用指数衰减的包络来表示。
4、 乐音持续时间
当知道了基波频率、谐波成分、包络形状后,还不能构成一首音乐,还必须知道每个乐音的持

续时间。每个音调都可以用连续的一段正弦信号并带有一小段静音(停顿)来表示。停顿保证我们
可以区分开连续的相同音调,每个音调的持续时间取决于它是全音符、二分之一音符、四分之一音
符还是八分之一音符等等。每个音符之间的停顿是相同的,不随音符的长度而变化。

【题目分析】
【仿真结果】
【结果分析】
【自主学习内容】
【阅读文献】
【发现问题】
播放合成音乐时,是否会听到有“啪”的杂声?若有分析产生原因,并给出解决方法。

【问题探究】
【仿真程序】
【研讨内容】
题目4:基于语音信号的身份识别
基于生物特征的身份识别有着广阔的应用前景,因而成为研究的热点。如人脸识别、虹膜识别、
掌纹识别等。基于语音的身份识别有着声音信号易于获取、识别算法简单等优点。
【要求】设计一个简单实用的界面,实现在一般环境下至少10人的识别系统。
【启发】
1. 语音信号采集过程中,是否混入噪声?如何分析噪声类型从而实现去噪?
2. 语音信号的哪些特征可用于识别?如何提取这些特征?
3. 特征提取之后,可采用哪些方法实现语音的识别?欧氏距离?相关性?

【研讨内容】
其他参考题目:如
1.含噪语音信号滤波
2.含噪图像信号滤波
3.双音多频信号的产生与检测
4.磁盘驱动系统仿真
5.电机控制系统仿真
等等,同学们可根据自己的兴趣爱好自由选择。
研究性学习自我体会与评价
通过研究性学习你在哪些方面有所收获?(如学习方法、合作精神、探索精神、创新意识等)
组员1:

本人签字:
组员2:

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组员3:

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组员4:

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组员5:

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