基于MATLAB的語音信號特技處理延時與混響

1、DSP應用課程設計（學年論文）說明書課題名稱： DSP應用課程設計 學生學號： 專業(yè)班級： 學生姓名： 學生成績： 指導教師： 課題工作時間： 至 武漢工程大學教務處 制填寫說明：1. 一、二、三項由指導教師在課程設計（學年論文）開始前填寫并交由學生保管；2. 四、五兩項由學生在完成課程設計后填寫，并將此表與課程設計一同裝訂成冊交給指導教師；3. 成績評定由指導教師按評定標準評分。4. 此表格填寫好后與正文一同裝訂成冊。一、課程設計的任務或學年論文的基本要求：數(shù)字信號處理課程是一門理論和技術都發(fā)展十分迅速、應用非常廣泛和前沿性學科，它的理論性和實踐性都很強，學生在學習這門課程時，普遍感到數(shù)字信

2、號處理的概念抽象，對其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握。因此，如何幫助學生理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及綜合應用所學知識解決實際問題的能力，是本課程教學中所要解決的關鍵問題。為了是配合數(shù)字信號處理專業(yè)基礎課的理論教學，安排數(shù)字信號處理課程設計，它是針對數(shù)字信號處理的基礎理論和算法進行實踐環(huán)節(jié)的一個綜合訓練，以便學習鞏固所學的知識，加強理論和實際結合的能力，培養(yǎng)學生的綜合設計能力與實際工作能力。課程設計要求23人組成設計小組，在指定范圍內選定題目，每組選一題。學生可從下列題目中任選一個作為DSP課程設計題目，也可自擬題目進行設計。一、基于MATLAB的聲音信號頻

3、譜分析 為了鞏固所學的數(shù)字信號處理理論知識，使學生對信號的采集、處理、傳輸、顯示和存儲等有一個系統(tǒng)的掌握和理解，為此安排課程設計的內容。選擇一個wav文件作為分析的對象，或錄制一段各人自己的語音信號，對其進行頻譜分析，根據(jù)信號的頻譜特點重構語音信號。 二、基于MATLAB的簡單語音處理系統(tǒng)設計為了鞏固所學的數(shù)字信號處理理論知識，使學生對信號的采集、處理、傳輸、顯示和存儲等有一個系統(tǒng)的掌握和理解，為此安排了課程設計的內容：確定一音樂語音信號并對音樂信號進行采樣；畫出采樣后音樂信號的時域波形和頻譜圖；給定濾波器的性能指標，采用窗函數(shù)法和雙線性變換設計一組濾波器，并畫出濾波器的頻率響應；然后用自己設

4、計的濾波器組對采集的信號進行濾波；回放語音信號。 三、使用FFT實現(xiàn)任意三個同頻帶信號的頻分復用 選擇三個不同頻段的信號對其進行頻譜分析，根據(jù)信號的頻譜特征設計三個不同的數(shù)字濾波器，將三路信號合成為一路信號，分析合成信號的時域和頻域特點，然后將合成信號分別通過設計好的三個數(shù)字濾波器，分離出原來的三路信號，分析得到的三路信號的時域波形和頻譜，與原始信號進行比較說明頻分復用的特點。 四、基于MATLAB的語音信號簡單的特技處理延時和混響 選擇一個語音信號作為分析的對象，或錄制一段各人自己的語音信號，對其進行頻譜分析，然后在時域用數(shù)字信號處理方法將信號加入延時和混響，再分析其頻譜，并與原始信號頻譜進

5、行比較。 五、基于MATLAB的有噪聲的語音信號的處理 選擇一個語音信號作為分析的對象，或錄制一段各人自己的語音信號，對其進行頻譜分析；利用MATLAB中的隨機函數(shù)產(chǎn)生噪聲加入到語音信號中，模仿語音信號被污染，對其進行頻譜分析；設計FIR和IIR數(shù)字濾波器，并對被噪聲污染的語音信號進行濾波，分析濾波后信號的時域和頻域特征，回放語音信號。 3、設計報告要求設計報告應提供以下內容：設計任務書、題目、摘要（中英文）、正文、參考文獻（3種以上）。其中正文應包含：設計思路、原理圖設計文件、程序文件、設計與調試過程、模擬仿真結果和設計結論。二、進度安排：17周（2011.6.132011.6.19）：周一

6、：選擇課程設計題目，明確課程設計目的和任務。周二、周三：查看參考資料。周四、周五：原理圖與程序設計。18周（2011.6.202011.6.24）：周一、周二：上機調試原理圖與程序。周三：整理所有任務資料，答辯。周四、周五：撰寫課程設計報告。三、應收集資料及主要參考文獻：1. 鄒彥，DSP原理及應用，第1版，電子工業(yè)出版社，2006；2張雄偉，DSP集成開發(fā)與應用實例，第1版，電子工業(yè)出版社，2002；3. 張洪濤等，數(shù)字信號處理，第一版，華中科技大學出版社，20074. 彭啟琮等，DSP技術的發(fā)展與應用，第二版，高等教育出版社，20075. 楊述斌等，數(shù)字信號處理實踐教程，第一版，華中科技大

7、學出版社，2007四、課程設計（學年論文）摘要（中文）數(shù)字信號處理技術自誕生以來，有了快速的發(fā)展，主要是研究用數(shù)字或符號序列表示和處理信號，被廣泛應用于各個領域。本次設計是用MATLAB語言對語音信號進行采樣分析，并設計數(shù)字濾波器對信號進行濾波，比較濾波前后信號特性的變化。用MATLAB提供的GUI界面開發(fā)環(huán)境設計用戶圖形界面使布局編程簡化。五、課程設計（學年論文）摘要（英文）：Digital signal processing technology since its birth had rapid development. the technology is to study the se

8、quence of numbers or symbols used to represent and signal processing, it is widely used in various field. the design is to use theMATLAB language sampling and analysis of voice signal, and digital design for signal filtering, comparing before and after filtering the signal properties change .GUI int

9、erface provided with MATLAB development environment for designing the layout of graphical user interface makes programming simpler.六、成績評定：指導教師評語： 指導教師簽字： 2011 年 月 日項目評價項目評價調查論證工作量、工作態(tài)度實踐能力分析、解決問題能力質量創(chuàng)新得分七、答辯記錄：答辯意見及答辯成績答辯小組教師（簽字）： 2011 年 月 日總評成績：（教師評分×75%+答辯成績×25%）課程設計評審標準（指導教師用）評價內容具 體 要

10、求權重調查論證能獨立查閱文獻和從事其他調研；能提出并較好地論述課題的實施方案；有收集、加工各種信息及獲得新知識的能力。0.1實踐能力能正確選擇研究（實驗）方法，獨立進行研究工作。如裝置安裝、調試、操作。0.2分析解決問題能力能運用所學知識和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實際問題；能正確處理實驗數(shù)據(jù)；能對課題進行理論分析，得出有價值的結論。0.2工作量、工作態(tài)度按期圓滿完成規(guī)定的任務，工作量飽滿，難度較大，工作努力，遵守紀律；工作作風嚴謹務實。0.2質量綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結論嚴謹合理；實驗正確，分析處理科學；文字通順，技術用語準確，符號統(tǒng)一，編號齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、整潔、正確

11、；論文結果有應用價值。0.2創(chuàng)新工作中有創(chuàng)新意識；對前人工作有改進或獨特見解。0.1（報告正文）一、課程設計目的綜合運用數(shù)字信號處理的理論知識驚醒頻譜分析和濾波器設計，通過理論推導得出相應結論，再利用MATLAB作為編程工具進行計算機實現(xiàn)，從而加深對所學知識的理解，建立概念。二、課程設計要求1. 熟悉離散信號和系統(tǒng)的時域特性。2. 熟悉語音信號的特點。3. 掌握數(shù)字信號處理的基本概念，基本理論和基本方法。4. 掌握序列快速傅里葉變換的基本方法。5. 學會MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設計方法。6. 掌握MATLAB設計各種數(shù)字濾波器的方法核對信號進行濾波的方法。三、詳細設計過程1基

12、本原理1.1信號采樣（1）采樣頻率采樣頻率是指計算機每秒鐘采集多少個聲音樣本，采樣頻率越高，即采樣的間隔時間越短，則在單位時間內計算機得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對聲音波形的表示也越精確。只有采樣頻率高于聲音信號最高頻率的兩倍時，才能把數(shù)字信號表示的聲音還原成為原來的聲音。（2）采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用數(shù)字聲音信號的二進制位數(shù)。聲卡的位客觀地反映了數(shù)字聲音信號對輸入聲音信號描述的準確程度。聲卡的主要的作用之一是對聲音信息進行錄制與回放，在這個過程中采樣的位數(shù)和采樣的頻率決定了聲音采集的質量。1.2混響與延時(1)混響效果主要是用于

13、增加音源的融合感。自然音源的延時聲陣列非常密集、復雜，所以模擬混響效果的程序也復雜多變。常見參數(shù)有以下幾種：混響時間：能逼真的模擬自然混響的數(shù)碼混響器上都有一套復雜的程序，其上雖然有很多技術參數(shù)可調，然而對這些技術參數(shù)的調整都不會比原有的效果更為自然，尤其是混響時間。高頻滾降：此項參數(shù)用于模擬自然混響當中，空氣對高頻的吸收效應，以產(chǎn)生較為自然的混響效果。一般高頻混降的可調范圍為0.11.0。此值較高時，混響效果也較接近自然混響；此值較低時，混響效果則較清澈。擴散度：此項參數(shù)可調整混響聲陣密度的增長速度，其可調范圍為010，其值較高時，混響效果比較豐厚、溫暖；其值較低時，混響效果則較空曠、冷僻。

14、預延時：自然混響聲陣的建立都會延遲一段時間，預延時即為模擬次效應而設置。聲陣密度：此項參數(shù)可調整聲陣的密度，其值較高時，混響效果較為溫暖，但有明顯的聲染色；其值較低時，混響效果較深邃，切聲染色也較弱。頻率調制：這是一項技術性的參數(shù)，因為電子混響的聲陣密度比自然混響稀疏，為了使混響的聲音比較平滑、連貫，需要對混響聲陣列的延時時間進行調制。此項技術可以有效的消除延時聲陣列的段裂聲，可以增加混響聲的柔和感。調治深度：指上述調頻電路的調治深度。(2)延時就是將音源延遲一段時間后，再欲播放的效果處理。依其延遲時間的不同，可分別產(chǎn)生合唱、鑲邊、回音等效果。當延遲時間在335ms之間時人耳感覺不到滯后音的存

15、在，并且他與原音源疊加后，會因其相位干涉而產(chǎn)生"梳狀濾波"效應，這就是鑲邊效果。如果延遲時間在50ms以上時，其延遲音就清晰可辨，此時的處理效果才是回音?；匾籼幚硪话愣际怯糜诋a(chǎn)生簡單的混響效果。延時、合唱、鑲邊、回音等效果的可調參數(shù)都差不多，具體有以下幾項：*延時時間（Dly），即主延時電路的延時時間調整。*反饋增益（FB Gain），即延時反饋的增益控制。*反饋高頻比（Hi Ratio），即反饋回路上的高頻衰減控制。*調制頻率（Freq），指主延時的調頻周期。*調制深度（Depth），指上述調頻電路的調制深度。*高頻增益（HF），指高頻均衡控制。*預延時（Ini Dly）

16、，指主延時電路預延時時間調整。*均衡頻率（EQ F），這里的頻率均衡用于音色調整，此為均衡的中點頻率選擇。由于延時產(chǎn)生的效果都比較復雜多變，如果不是效果處理專家，建議使用設備提供的預置參數(shù)，因為這些預置參數(shù)給出的處理效果一般都比較好。1.3離散傅立葉變換在MATLAB的信號處理工具箱中函數(shù)FFT和IFFT用于快速傅立葉變換和逆變換。下面介紹這些函數(shù)。函數(shù)FFT用于序列快速傅立葉變換。函數(shù)的一種調用格式為        y=fft(x)其中，x是序列，y是序列的FFT，x可以為一向量或矩陣，若x為一向量，y是x的FFT。且和x

17、相同長度。若x為一矩陣，則y是對矩陣的每一列向量進行FFT。如果x長度是2的冪次方，函數(shù)fft執(zhí)行高速基2FFT算法；否則fft執(zhí)行一種混合基的離散傅立葉變換算法，計算速度較慢。函數(shù)FFT的另一種調用格式為         y=fft(x,N)式中，x，y意義同前，N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行N點的FFT。若x為向量且長度小于N，則函數(shù)將x補零至長度N。若向量x的長度大于N，則函數(shù)截短x使之長度為N。若x 為矩陣，按相同方法對x進行處理。經(jīng)函數(shù)fft求得的序列y一般是復序列，通常要求其幅值和相位。MATLAB提供求復數(shù)的幅

18、值和相位函數(shù)：abs，angle，這些函數(shù)一般和FFT同時使用。函數(shù)abs(x)用于計算復向量x的幅值，函數(shù)angle(x)用于計算復向量的相角，介于 和 之間，以弧度表示。函數(shù)unwrap(p)用于展開弧度相位角p ,當相位角絕對變化超過 時，函數(shù)把它擴展至 。用MATLAB工具箱函數(shù)fft進行頻譜分析時需注意：（1）    函數(shù)fft返回值y的數(shù)據(jù)結構對稱性。（2）    頻率計算。（3）    作FFT分析時，幅值大小與FFT選擇點數(shù)有關，但不影響分析結果。1.4濾波器設計單回聲濾波器的系統(tǒng)函數(shù)：

19、, <1 （3-1）無限個回聲濾波器的系統(tǒng)函數(shù): , <1 （3-2）全通結構的混響器的系統(tǒng)函數(shù): , <1 （3-3）本次設計用IIR濾波器對信號進行濾波，函數(shù)名為filter函數(shù)filter的調用格式為         y=filter(b,a,x)該格式采用數(shù)字濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波，既可以用于IIR濾波器，也可以用于FIR濾波器。其中向量b和a分別表示系統(tǒng)函數(shù)的分子、分母多項式的系數(shù)，若a1，此時表示FIR濾波器，否則就是IIR濾波器。該函數(shù)是利用給出的向量b和a，對x中的數(shù)據(jù)進行

20、濾波，結果放入向量y。1.5 圖形用戶界面設計圖形用戶界面GUI (Graphics User Interface) 是由各種圖形對象,如圖形窗口、圖軸、菜單、按鈕、文本框等構建的用戶界面,是人機交流信息的工具和方法。GUI 設計即可以基本的MATLAB 程序設計為主,也可以鼠標為主利用GUIDE 工具進行設計。GUIDE ( Graphics User Interface Design Environ2ment) 是一個專用于GUI 程序設計的快速開發(fā)環(huán)境,使用者通過鼠標就能迅速地產(chǎn)生各種GUI 控件,并隨心所欲地改變它們的外形、大小及顏色等,從而幫助用戶方便地設計出各種符合要求的圖形用戶界

21、面。調用GUIDE 的方法有2 種,在MATLAB 命令窗口中輸入guide 命令,或在MATLAB 主菜單中點擊File New GUI 即可打開一個可編輯的新窗口。在GUIDE 設計環(huán)境中,需要用到的工具有屬性編輯器、控件布置編輯器、菜單編輯器、對象瀏覽器、網(wǎng)格標尺設置編輯器以及GUI 應用屬性設置編輯器等。GUI 設計面板是GUI 設計工具應用的平臺,面板上部提供了菜單和常用工具按鈕,左邊提供了多種GUI 控件,如按鈕、單選按鈕、復選框、文本框等。進行GUI 設計時,首先單擊GUI 面板左邊所需的控件,然后在右邊的圖形界面編輯區(qū)中再次單擊某一恰當?shù)奈恢?這時將在該位置上為圖形界面添加一相

22、應的控件,接下來,通過屬性編輯器和對齊編輯器對各控件設置相關屬性和進行界面布置,以完善界面功能。2方案選擇及設計(1)利用Windows下的錄音機或其他軟件，錄制一段自己的語音信號，時間控制在1s左右，并對錄制的信號進行采樣。(2)語音信號的頻譜分析，畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖。(3)將信號加入延時和混響，再分析其頻譜，并與原始信號頻譜進行比較。(4)設計幾種特殊類型的濾波器：單回聲濾波器，多重回聲濾波器，無限個回聲濾波器，全通結構的混響器，并畫出濾波器的頻域響應。(5)用自己設計的濾波器對采集的語音信號進行濾波。(6)分析得到信號的頻譜，畫出濾波后信號的時域波形和頻譜，并對濾波前后

23、的信號進行對比，分析信號的變化。(7)回放語音信號。3程序設計流程自己錄制一段wav格式的音頻，用函數(shù)wavread調用，并對該信號進行時域和頻域分析。畫出相應圖形。對信號進行采樣，分析采樣后的信號的時域和頻域特性。對采樣后語音信號進行延時300，在調整采樣信號的長度，兩者相加，就得到混響。單回聲濾波器a=0.5;y2=y+z*0.5;Y2=fft(y2,6001);無限個回聲Bz=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1;Az=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-a;yy1=filter(Bz,Az,y);YY1=fft(yy1,6001);全通結構Bz1=a,0,0,0,0,0,0

24、,0,0,0,1;Az1=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,a;yy2=filter(Bz1,Az1,y);YY2=fft(yy2,6001);回放語音sound(y2,fs,bits);sound(yy1,fs,bits);sound(yy2,fs,bits);四、調試分析1.軟件中設置問題，通過editfigure-copy-figure時發(fā)現(xiàn)粘貼到word里面的圖形有問題通過設置圖片屬性可以解決此問題，通過這個問題的解決加深了對軟件的了解，更加熟悉軟件的運行。2GUI界面問題在界面運行時發(fā)現(xiàn)按鈕覆蓋住了圖形，通過改變subplot函數(shù)的后面的參數(shù)，進行修改，改為subplot(2,

25、15 ,2 13)和subplot(2,15,17,28)是按鈕和圖形分開。3程序中的細節(jié)問題a對信號進行采樣時，采樣區(qū)間為20000 26000，做DFT變換點數(shù)應該為6001，剛開始做的時候就直接寫為6000.b語音信號的音道問題，采取的語音信號為雙聲道，只需要取其中的一個聲道進行分析，函數(shù)為y=y(:,1);五、結果分析與體會GUI設計界面運行結果：對信號采樣后，信號時域波形出現(xiàn)了離散化的分布，不像原始圖像那樣密集分布，頻譜圖也是同樣的變換，幅度和頻率都是根據(jù)采樣區(qū)間變化的從時域圖出延時是讓原來的波形向右移動300，頻域的幅度發(fā)生了變化?；祉懀涸跁r域圖看前面幾乎沒變化，后面的幅度有一定變

26、化。在頻譜圖幅度變化很大，中間的上下相互抵消，兩邊的跳動很大。時域上形狀大致相同，幅度有微小變化。頻譜上也是濾波前后兩邊跳動變換較大，幅度變化較大。時域上波形變得稀疏了，幅度相對變化較大。頻譜上變化兩邊上下跳的動變化，中間變化抵消全通結構時域大致一樣，濾波前比濾波后幅度有變化6000以后上下跳動抵消頻域上變化的不為明顯，幅度發(fā)生了變化。設計心得體會此次課程設計綜合了數(shù)字信號處理的理論知識和實踐經(jīng)驗，經(jīng)過兩周的時間在查閱相關資料結合以前學過的數(shù)字信號處理和數(shù)字信號處理實驗，如期完成了設計任務要求，并加深了對知識的理解，提高了自己的實踐動手能力。此次設計我所做的題目是基于MATLAB的語音信號簡單

27、的特技處理延時和混響。拿到課程設計任務的時候，不知道從哪兒入手，選定題目后，上網(wǎng)查閱了相關資源，去圖書館搜集資料，確定了設計的基本方案，步驟，開始用軟件進行實現(xiàn)，實現(xiàn)過程中出現(xiàn)了很多問題，上網(wǎng)查閱資料，在專業(yè)的論壇里面去看，下載MATLAB的視頻，慢慢的開始有了進一步的理解。在以前的實驗中沒有接觸過GUI界面的問題，根本不知道從哪入手，在查閱了資料，看視頻，有了一定的了解，但是由于初次接觸，出現(xiàn)問題的時候還是很難解決，經(jīng)過和同學討論，終于解決了這些問題。經(jīng)過此次課程設計，使我對數(shù)字信號處理的理論知識有了更深了的了解，更近一步的理解了用MATLAB語言對信號進行采樣，濾波等處理。初次接觸了MAT

28、LAB提供的用戶界面的設計問題，對其中的一些基本問題有了了解，為以后的實踐打下了一定的基礎，相信在以后的實踐過程中會有更好的提升。當然由于時間和能力問題，還有一些更待提升的問題需要我們去解決，在以后的實踐過程中我會更多的去了解解決。六參考資料1. 楊述斌等，數(shù)字信號處理實踐教程，第一版，華中科技大學出版社，20072.張洪濤等，數(shù)字信號處理，第一版，華中科技大學出版社，20073.李正周 Matlab數(shù)字信號處理與應用 清華大學出版社 20084.陳懷琛 數(shù)字信號處理教程MATLAB釋義與實現(xiàn) 第二版 電子工業(yè)出版社 20085.張威MATLAB基礎與編程入門西安電子科技大學出版社20066.

29、劉舒帆，費諾，陸輝數(shù)字信號處理實驗（MATLAB版）西安電子科技大學出版社2008七、附錄（程序清單）1.原始信號分析y,fs,bits=wavread('e:g.wav');y=y(:,1);sound(y,fs,bits);Y=fft(y);subplot(211);plot(y);title('原始信號時域波形');subplot(212);plot(abs(Y);title('原始信號頻譜');2.對原始信號采樣分析y,fs,bits=wavread('e:g.wav',20000 26000);y=y(:,1);soun

30、d(y,fs,bits);Y=fft(y,6000);subplot(211);plot(y);title('采樣信號波形');subplot(212);plot(abs(Y);title('采樣信號頻譜');sound(y,fs,bits);3.信號延時y,fs,bits=wavread('e:g.wav',20000 26000);y=y(:,1);z=zeros(300,1);y;subplot(211);plot(z);title('延時后的時域波形');Z=fft(z,6001);subplot(212);plot(abs(Z);title('延時后的頻譜圖');sound(y,fs,bits);4.混響后的信號分析y,fs,bits=wavread('e:g.wav',20000 26000);y=y(:,1);z=zeros(300,1);y;y=y;zeros(300,1);y1=y+z;