利用MATLAB软件对音频信号进行频谱分析与处理

毕业设计说明书(论文)

利用MATLAB软件

对音频信号进行频谱分析与处理

毕业设计说明书（论文）中文摘要

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目次

1 引言 (1)

1．1 研究背景 (1)

1.2 本文主要研究内容 (1)

2 MATLAB简介 (3)

2.1 什么是MATLAB (3)

2.2 MATLAB的发展历史 (3)

2.3 MATLAB系统 (4)

2.4 MATLAB的主要功能和特性 (6)

3. 数字滤波器简介 (8)

3.1 数字滤波器的定义及分类 (8)

3.2 数字滤波器设计方法 (10)

4.音频信号频谱分析的软件实现 (13)

4.1 数字滤波器设计 (13)

4.2 音频信号频谱分析 (17)

4.3 界面设计 (37)

结论 (43)

致谢 (44)

参考文献 (45)

本科毕业设计说明书（论文）第1 页共45 页1 引言

1.1 研究背景

在计算机技术日新月异的今天，计算机已同人们的日常生活和工作越来越紧密的联系在一起。而在工程计算领域中，计算机技术的应用正逐步把科技人员从繁重的计算工作中解放出来。在科学研究和工程应用的过程中，往往需要进行大量的数学计算，传统的纸笔和计算器已根本不能满足海量计算的要求。

MATLAB的产生是与数学计算紧密联系在一起的， MATLAB由主包和功能各异的工具箱组成，其基本数据结构是矩阵，它具有非常强大的计算功能，正是凭借其杰出的性能，MATLAB现在已成为世界上应用最广泛的工程计算应用软件之一。MATLAB在国外的高校已成为大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本程序设计语言。

信号处理是科学研究和工程技术许多领域都需要进行的一个重要环节，这种处理包括信号的检测、变换、滤波、传输、信号提取等。传统上对信号的处理大都采用模拟系统来实现，然而，随着人们对信号处理要求的不断提高，以及模拟信号处理中一些不可克服的缺点，对信号的许多处理转而采用数字的方法来进行。信号处理技术是开发具有自主知识产权的各类先进产品的瓶颈，是一项关键技术。

MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言，已成为数学、信息、控制、经济等诸多学科实用的仿真软件。MATLAB是一套用于科学计算的可视化高性能语言与软件环境。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示与一体，构成了一个界面友好的用户环境。信号处理是MATLAB应用最成功的领域之一，MATLAB将信号处理中的许多常用算法编写成了可调用的函数，汇集构成了信号处理工具箱。它的信号处理工具箱包含了各种经典的和现代的数字信号处理技术，是一个非常优秀的算法研究与辅助设计的工具。

1.2 本文主要研究内容

MATLAB具有非常强大的计算功能，凭借其杰出的性能，MATLAB现在已经成为世界上应用最广泛的工程计算应用软件之一。MATLAB已经是理工科的学生必须掌握的应用软件了。本文利用MATLAB处理音频信号，掌握了MATLAB的使用方法，详细了解了MATLAB的产生发展过程及原理。分析了三种音频信号的频谱，运用MATLAB设计了低通、高通、带通、带阻等四种IIR数字滤波器，并分析了这三种音频信号通过四种不同滤波器后的频谱，比较了前后频谱的不同。设计IIR数字滤波器的方法不尽相同，

本科毕业设计说明书（论文）第2 页共45 页带通滤波器和带阻滤波器采用的是巴特沃思滤波器，低通滤波器采用的是椭圆滤波器，而高通滤波器采用的是切比雪夫II滤波器。为了操作简便，特地在任务之外又设计了一个操作界面，这样就使得运行MATLAB程序变得更加简便了。

本科毕业设计说明书（论文）第3 页共45 页2 MATLAB简介

2.1 什么是MATLAB

在科学研究和工程应用的过程中，往往需要进行大量的数学计算，传统的纸笔和计算器已经根本无法满足海量计算的要求。一些技术人员尝试用Basic、Fortran以及C语言编制程序来减轻计算的工作量，但是编制程序不仅要掌握所用语言的语法，还需要对有关算法进行深入分析，这对大多数科技工作者来说有一定的难度。

为了满足用户对工程数学计算的要求，一些软件公司相继推出了一批数学类科技应用软件，如MATLAB、Xmath、Mathematica、Maple等。其中MATLAB以其强大的功能和易用性受到越来越多的科技工作者的欢迎。

MATLAB起初是作为矩阵实验室（Matricx Laboratory）提供对LINPACK和EISPACK矩阵软件包的接口（LINPACK是解线性方程的Fortran程序库，EISPACK是解决特征值问题的Fortran程序库）。与Basic、Fortran以及C语言比较，MATLAB的语法规则更简单，编程特点更接近人的思维方式，用MATLAB写程序有如在便笺上列公式和求解，因而MATLAB被称为“科学便笺式”的科学工程计算语言[1]。

MATLAB由主包和功能各异的工具箱组成，其基本数据结构是矩阵。正如MATLAB 的名字“矩阵实验室”，MATLAB起初主要是用来对矩阵进行操作的。

MATLAB具有非常强大的计算功能，正是凭借其杰出的性能，MATLAB现在已成为世界上应用最广泛的工程计算应用软件之一。

2.2 MATLAB的发展历史

2.2.1 MATLAB的产生

上世纪70年代中期，Cleve Moler及他的同事在美国国家基金会的帮助下，开发了LINPACK和EISPACK的Fortran子程序库。不久，Cleve Moler在给学生开线性代数课时，为了让学生能使用LINPACK和EISPACK子程序库又不至于在编程上花费太多的时间，为学生编写了使用LINPACK和EISPACK的接口程序，他将这个接口程序取名为MATLAB（即matrix和laboratory的前三位字母组合，意为“矩阵实验室”）。80年代初期，Cleve Moler、John Little采用C语言编写MATLAB的核心，合作开发了MATLAB的第二代专业版。不久他们成立了MathWorks公司并将MATLAB正式推向市场。