基于MATLAB的语音信号特技处理-延时与混响

DSP应用课程设计（学年论文）说明书课题名称：DSP应用课程设计学生学号：专业班级：学生姓名：学生成绩：指导教师：课题工作时间：至武汉工程大学教务处制2填写说明：1.一、二、三项由指导教师在课程设计（学年论文）开始前填写并交由学生保管；2.四、五两项由学生在完成课程设计后填写，并将此表与课程设计一同装订成册交给指导教师；3.成绩评定由指导教师按评定标准评分。4.此表格填写好后与正文一同装订成册。3一、课程设计的任务或学年论文的基本要求：《数字信号处理》课程是一门理论和技术都发展十分迅速、应用非常广泛和前沿性学科，它的理论性和实践性都很强，学生在学习这门课程时，普遍感到数字信号处理的概念抽象，对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。因此，如何帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及综合应用所学知识解决实际问题的能力，是本课程教学中所要解决的关键问题。为了是配合《数字信号处理》专业基础课的理论教学，安排《数字信号处理》课程设计，它是针对《数字信号处理》的基础理论和算法进行实践环节的一个综合训练，以便学习巩固所学的知识，加强理论和实际结合的能力，培养学生的综合设计能力与实际工作能力。课程设计要求2—3人组成设计小组，在指定范围内选定题目，每组选一题。学生可从下列题目中任选一个作为DSP课程设计题目，也可自拟题目进行设计。一、基于MATLAB的声音信号频谱分析为了巩固所学的数字信号处理理论知识，使学生对信号的采集、处理、传输、显示和存储等有一个系统的掌握和理解，为此安排课程设计的内容。选择一个wav文件作为分析的对象，或录制一段各人自己的语音信号，对其进行频谱分析，根据信号的频谱特点重构语音信号。二、基于MATLAB的简单语音处理系统设计为了巩固所学的数字信号处理理论知识，使学生对信号的采集、处理、传输、显示和存储等有一个系统的掌握和理解，为此安排了课程设计的内容：确定一音乐语音信号并对音乐信号进行采样；画出采样后音乐信号的时域波形和频谱图；给定滤波器的性能指标，采用窗函数法和双线性变换设计一组滤波器，并画出滤波器的频率响应；然后用自己设计的滤波器组对采集的信号进行滤波；回放语音信号。三、使用FFT实现任意三个同频带信号的频分复用选择三个不同频段的信号对其进行频谱分析，根据信号的频谱特征设计三个不同的数字滤波器，将三路信号合成为一路信号，分析合成信号的时域和频域特点，然后将合成信号分别通过设计好的三个数字滤波器，分离出原来的三路信号，分析得到的4三路信号的时域波形和频谱，与原始信号进行比较说明频分复用的特点。四、基于MATLAB的语音信号简单的特技处理——延时和混响选择一个语音信号作为分析的对象，或录制一段各人自己的语音信号，对其进行频谱分析，然后在时域用数字信号处理方法将信号加入延时和混响，再分析其频谱，并与原始信号频谱进行比较。五、基于MATLAB的有噪声的语音信号的处理选择一个语音信号作为分析的对象，或录制一段各人自己的语音信号，对其进行频谱分析；利用MATLAB中的随机函数产生噪声加入到语音信号中，模仿语音信号被污染，对其进行频谱分析；设计FIR和IIR数字滤波器，并对被噪声污染的语音信号进行滤波，分析滤波后信号的时域和频域特征，回放语音信号。3、设计报告要求设计报告应提供以下内容：设计任务书、题目、摘要（中英文）、正文、参考文献（3种以上）。其中正文应包含：设计思路、原理图设计文件、程序文件、设计与调试过程、模拟仿真结果和设计结论。二、进度安排：17周（2011.6.13－2011.6.19）：5周一：选择课程设计题目，明确课程设计目的和任务。周二、周三：查看参考资料。周四、周五：原理图与程序设计。18周（2011.6.20－2011.6.24）：周一、周二：上机调试原理图与程序。周三：整理所有任务资料，答辩。周四、周五：撰写课程设计报告。三、应收集资料及主要参考文献：1.邹彦，DSP原理及应用，第1版，电子工业出版社，2006；2．张雄伟，DSP集成开发与应用实例，第1版，电子工业出版社，2002；3.张洪涛等，数字信号处理，第一版，华中科技大学出版社，20074.彭启琮等，DSP技术的发展与应用，第二版，高等教育出版社，20075.杨述斌等，数字信号处理实践教程，第一版，华中科技大学出版社，2007四、课程设计（学年论文）摘要（中文）数字信号处理技术自诞生以来，有了快速的发展，主要是研究用数字6或符号序列表示和处理信号，被广泛应用于各个领域。本次设计是用MATLAB语言对语音信号进行采样分析，并设计数字滤波器对信号进行滤波，比较滤波前后信号特性的变化。用MATLAB提供的GUI界面开发环境设计用户图形界面使布局编程简化。五、课程设计（学年论文）摘要（英文）：Digitalsignalprocessingtechnologysinceitsbirthhadrapiddevelopment.thetechnologyistostudythesequenceofnumbersorsymbolsusedtorepresentandsignalprocessing,itiswidelyusedinvariousfield.thedesignistousetheMATLABlanguagesamplingandanalysisofvoicesignal,anddigitaldesignforsignalfiltering,comparingbeforeandafterfilteringthesignalpropertieschange.GUIinterfaceprovidedwithMATLABdevelopmentenvironmentfordesigningthelayoutofgraphicaluserinterfacemakesprogrammingsimpler.六、成绩评定：指导教师评语：7指导教师签字：2011年月日项目评价项目评价调查论证工作量、工作态度实践能力分析、解决问题能力质量创新得分8七、答辩记录：答辩意见及答辩成绩答辩小组教师（签字）：2011年月日9总评成绩：（教师评分×75%+答辩成绩×25%）课程设计评审标准（指导教师用）评价内容具体要求权重调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。0.1实践能力能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究工作。如装置安装、调试、操作。0.2分析解决问题能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；能正确处理实验数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。0.2工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。0.2质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文结果有应用价值。0.2创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。0.110（报告正文）一、课程设计目的综合运用数字信号处理的理论知识惊醒频谱分析和滤波器设计，通过理论推导得出相应结论，再利用MATLAB作为编程工具进行计算机实现，从而加深对所学知识的理解，建立概念。二、课程设计要求1.熟悉离散信号和系统的时域特性。2.熟悉语音信号的特点。3.掌握数字信号处理的基本概念，基本理论和基本方法。4.掌握序列快速傅里叶变换的基本方法。5.学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序设计方法。6.掌握MATLAB设计各种数字滤波器的方法核对信号进行滤波的方法。三、详细设计过程1．基本原理1.1信号采样（1）采样频率采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样本，采样频率越高，即采样的间隔时间越短，则在单位时间内计算机得到的声音样本数据就越多，对声音波形的表示也越精确。只有采样频率高于声音信号最高频率的两倍时，才能把数字信号表示的声音还原成为原来的声音。（2）采样位数即采样值或取样值，用来衡量声音波动变化的参数，是指声卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数。声卡的位客观地反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确程度。声卡的主要的作用之一是对声音信息进行录制与回放，在这个过程中采样的位数和采样的频率决定了声音采集的质量。1.2混响与延时(1)混响效果主要是用于增加音源的融合感。自然音源的延时声阵列非常密集、复杂，所以模拟混响效果的程序也复杂多变。常见参数有以下几种：混响时间：能逼真的模拟自然混响的数码混响器上都有一套复杂的程序，其上虽然有很多技术参数可调，然而对这些技术参数的调整都不会比原有的效果更为自然，尤其是混响时间。高频滚降：此项参数用于模拟自然混响当中，空气对高频的吸收效应，以产生较为自然的混响效果。一般高频混降的可调范围为0.1~1.0。此值较高时，混响效果也较接近自然混响；此值较低时，混响效果则较清澈。扩散度：此项参数可调整混响声阵密度的增长速度，其可调范围为0~10，其值较高时，混响效果比较丰厚、温暖；其值较低时，混响效果则较空旷、冷僻。预延时：自然混响声阵的建立都会延迟一段时间，预延时即为模拟次效应而设置。11声阵密度：此项参数可调整声阵的密度，其值较高时，混响效果较为温暖，但有明显的声染色；其值较低时，混响效果较深邃，切声染色也较弱。频率调制：这是一项技术性的参数，因为电子混响的声阵密度比自然混响稀疏，为了使混响的声音比较平滑、连贯，需要对混响声阵列的延时时间进行调制。此项技术可以有效的消除延时声阵列的段裂声，可以增加混响声的柔和感。调治深度：指上述调频电路的调治深度。(2)延时就是将音源延迟一段时间后，再欲播放的效果处理。依其延迟时间的不同，可分别产生合唱、镶边、回音等效果。当延迟时间在3~35ms之间时人耳感觉不到滞后音的存在，并且他与原音源叠加后，会因其相位干涉而产生梳状滤波效应，这就是镶边效果。如果延迟时间在50ms以上时，其延迟音就清晰可辨，此时的处理效果才是回音。回音处理一般都是用于产生简单的混响效果。延时、合唱、镶边、回音等效果的可调参数都差不多，具体有以下几项：*延时时间（Dly），即主延时电路的延时时间调整。*反馈增益（FBGain），即延时反馈的增益控制。*反馈高频比（HiRatio），即反馈回路上的高频衰减控制。*调制频率（Freq），指主延时的调频周期。*调制深度（Depth），指上述调频电路的调制深度。*高频增益（HF），指高频均衡控制。*预延时（IniDly），指主延时电路预延时时间调整。*均衡频率（EQF），这里的频率均衡用于音色调整，此为均衡的中点频率选择。由于延时产生的效果都比较复杂多变，如果不是效果处理专家，建议使用设备提供的预置参数，因为这些预置参数给出的处理效果一般都比较好。1.3离散傅立叶变换在MATLAB的信号处理工具箱中函数FFT和IFFT用于快速傅立叶变换和逆变换。下面介绍这些函数。函数FFT用于序列快速傅立叶变换。函数的一种调用格式为y=fft(x)其中，x是序列，y是序列的FFT，x可以为一向量或矩阵，若x为一向量，y是x的FFT。且和x相同长度。若x为一矩阵，则y是对矩阵的每一列向量进行FFT。如果x长度是2的幂次方，函数fft执行高速基－2FFT算法；否则fft执行一种混合基的离散傅立叶变换算法，计算速度较慢。函数FFT的另一种调用格式为y=fft(x,N)式中，x，y意义同前，N为正整数。函数执行N点的FFT。若x为向量且长度小于N，则函数将x补零至长度N。若向量x的长度大于N，则函数截短x使之长度为N。若x为矩阵，按相同方法对x进行处理。经函数fft求得的序列y一般是复序列，通常要求其幅值和相位。MATLAB提供求复数的幅值和相位函数：abs，angle，这些函数一般和FFT同时使用。函数abs(x)用于计算复向量x的幅值，函数angle(x)用于计算复向量的相角，介于和之间，以弧度表示。函数unwrap(p)用于展开弧度相位角p,当相位角绝