數(shù)字信號處理課程設計

1、摘要語音信號處理是研究用數(shù)字信號處理技術和語音學知識對語音信號進行處理的新興學科，是目前發(fā)展最為迅速的學科之一，通過語音傳遞信息是人類最重要，最有效，最常用和最方便的交換信息的手段，所以對其研究就顯得尤為重要。matlab語言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大的計算機應用軟件，它可以講聲音文件變成離散的數(shù)據(jù)文件，然后用其強大的矩陣運算能力處理數(shù)據(jù)。這為本次課程設計提供了強大并良好的環(huán)境。本設計要求自己通過手機清唱一段歌曲，并用windows自帶的錄音機錄制下來，保存格式為.wav格式，而且要求對所錄的語音進行頻率均衡和加入混響效果。從網(wǎng)上下載相應的歌曲伴奏，經(jīng)過截取、加噪、消噪后，與混響后的清唱

2、語音進行合成，制作成一首歌曲。采用語音合成可幫助學生加強理解，matlab里面有很多應用示波器濾波，利用這些濾波器可以很容易地實現(xiàn)語音信號的消噪過程，利用matlab的聲音處理函數(shù)設計一組語音合成實驗，配合windows操作系統(tǒng)支持的語音媒體播放器可以很方便地將經(jīng)過數(shù)字處理后的語音效果直觀地體現(xiàn)出來，對于學生深刻理解數(shù)字信號處理中抽象數(shù)學運算的現(xiàn)實物理意義很有幫助。關鍵字：信號處理 語音合成 加噪 混響- 10 -一、 設計目的與任務錄制各自的一段清唱歌曲語音信號，并對其進行頻譜分析；然后在時域用數(shù)字信號處理的方法將信號加入延時與混響。然后從網(wǎng)上下載一段該歌曲的伴奏，對伴奏進行截取、格式轉(zhuǎn)換、

3、加噪和去噪后，與伴唱歌曲進行合成，制作成一首歌曲，在分析其頻譜，并與原始伴唱語音信號頻譜進行比較。通過數(shù)字信號處理的課程設計，鞏固和運用數(shù)字信號處理課程中的理論知識和實踐技能，掌握最基本的運用matlab軟件處理信號的理論和方法，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決問題的能力。二、 設計的基本要求1. 錄制的語音清晰，分析語音信號的特點；2. 探討語音分析、加噪、去噪、混響以及合成的基本方法；3. 寫出各個步驟的matlab的程序代碼；4. 分析錄制的語音信號的時域波形與頻譜；分析加噪、去噪與合成前后的語音信號波形與頻譜；5. 熟悉加強濾波器的設計原理和濾波的過程；三、 設計思路圖-1語音合成的方案設

4、計方框圖整體設計思路：將錄制的語音信號進行頻譜分析，并進行頻率均衡和加入混響效果。將下載的伴奏語音進行加噪和去噪處理，并對其加噪去噪后的語音信號進行頻譜分析，比較處理前后的差異。最后，把錄制的伴唱語音與下載的伴奏語音合成，即制作成為一首歌曲，再對其進行時域波形和頻譜進行分析，并與伴唱語音信號進行比較。四、 設計過程4.1 語音信號概述 語言是人類創(chuàng)造的，是人類區(qū)別于其他地球生命的本質(zhì)特征之一。人類用語言交流的過程可以看成是一個復雜的通信過程，為了獲取更便于分析和處理的語音信源，必須在空氣中傳播的聲波轉(zhuǎn)變?yōu)榘Z音信箱并且記載著聲波物理性質(zhì)的模擬（或數(shù)字）電信號，即語音信號，因此語音稀罕就成為語

5、音的表現(xiàn)形式或載體。語音學和數(shù)字信號處理的交叉結合便形成了語音信號處理。語音信號處理是建立在語音學和數(shù)字信號處理的基礎上的，對語音信號模擬進行分析處理等方面的一門綜合性學科。4.2 語音信號的采集 把錄制的語音信號保存為.wav文件，長度要大于三十秒，小于一分鐘，并對語音信號進行采樣；錄制軟件可以使用windows 自帶的錄音機，也可以使用其他專業(yè)的錄音軟件，錄制時需要配備錄音硬件（麥克風），為了減少噪音，需要在安靜、無噪干擾小的環(huán)境下錄制。4.21 語音信號的讀入與打開 在matlab中，用y=wavread(yy.wav)命令讀入原始語音文件，fs為采樣頻率（hz），本課程設計中的語音信號

6、采樣頻率都為fs=22050hz。 下面是語音信號在matlab中的語言程序，實現(xiàn)了語音的讀入與打開，并繪制出語音信號的時域波形和信號頻譜。fs=22050;程序：x=wavread(yy.wav);%讀入原始語音信號%l=length(x);xw=fft(x,l);n=0:l-1;w=0:fs/l:fs*(l-1)/l;subplot(2,1,1),plot(n,x);title(伴唱時域波形);subplot(2,1,2),plot(w,abs(xw);title(伴唱信號頻譜);程序運行的結果如下圖所示：圖-2語音讀入與打開4.22 語音信號的延時混響 將原始伴唱的語音信號yy.wav文

7、件，進行延時混響處理，使語音聽起來帶有回聲，運行下面的程序生成新的帶有混響效果的語音信號yyhx.wav文件。%延時混響%x=wavread(yy.wav); %讀入原始聲音n=1200; %設定延遲時間t=n/fs秒,改變該數(shù)據(jù)可改變混響深度(時間間隔)n=50; %y設定延遲級數(shù)為n級,改變該數(shù)據(jù)可改變次數(shù)x1=x;zeros(n*n,1); %將x通過補零延長到經(jīng)n級延時后的長度for i=1:n %進行n次延時,第一次延時在x前補n 個0,后補(n-1)*n個0x2=zeros(i*n,1);x;zeros(n-i)*n,1); %第i次延時在x前補i*n個0,后補(n-i)*n個0x

8、1=x1+1/(2*i)*x2; %將經(jīng)延時的信號x1跟x逐次相加endwavwrite(x1,22050,yyhx.wav); %將混響后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為聲音xw=fft(x);l=length(xw);w=0:fs/l:fs*(l-1)/l;xw1=fft(x1);l1=length(xw1);w1=0:fs/l1:fs*(l1-1)/l1;subplot(2,1,1);plot(w,abs(xw); ylabel(yy);subplot(2,1,2);plot(w1,abs(xw1); ylabel(yyhx);程序運行的結果如下圖-3所示圖-3 語音信號加入混響前后的頻譜圖通過伴唱時域波形

9、可以看出，頻率比較集中，所以就沒有進行頻率均衡，直接進行了混響的添加，加入后的語音信號從頻譜波形可以看出，語音進行混響后，語音有一部分的延時性，從而達到有回聲的效果。4.3 伴奏的采集從網(wǎng)上下載伴唱歌曲的伴奏.mp3文件，然后再酷狗音樂軟件上，將其演唱的部分的伴奏截取下來，轉(zhuǎn)換格式為.wav文件。由于網(wǎng)絡上下載的采樣頻率為44100hz的，而錄音的頻率為22050hz，因此，這兩種采樣頻率的語音信號不能有疊加合成，需要將44100hz的伴奏通過格式工廠格式轉(zhuǎn)換軟件，將其采樣頻率轉(zhuǎn)換為22050hz。將截取轉(zhuǎn)換后的文件命名為yy0.wav文件。4.31 伴奏的加噪由于伴奏中要含有3種單一頻率噪聲

10、，3種噪聲頻率的頻差不大于3khz不小于2khz，且落在音頻范圍內(nèi)。因此需要先給伴奏加上三種頻率的噪聲，其給伴奏加噪的程序如下：%在語音中加噪聲%x1=wavread(yy0.wav);%讀取原語音信號,lei1中無噪聲.fs=22050; %原語音信的采樣率為22050hzfn1=1000;fn2=3500;fn3=6000;t=1:length(x1); %設置噪聲的度度跟原語音信一樣長,x21=0.4*sin(2*pi*fn1/fs*t);x22=0.4*sin(2*pi*fn2/fs*t);x23=0.4*sin(2*pi*fn3/fs*t);%產(chǎn)生幅度為2頻率為fn的正弦波作為噪聲.

11、x=x1+x21+x22+x23;%將原子核語音信號跟噪聲相加,x為帶有噪聲的語音信號.wavwrite(x,22050,yy0jz.wav);%將帶有噪聲的語音信號轉(zhuǎn)換為聲音,lei2中將有噪聲xw=fft(x);l=length(xw);w=0:fs/l:fs*(l-1)/l;xw1=fft(x1);l1=length(xw1);w1=0:fs/l1:fs*(l1-1)/l1;subplot(2,1,1);plot(w1,abs(xw1); ylabel(yy0);subplot(2,1,2);plot(w,abs(xw); ylabel(yy0jz);加噪后生成新的伴奏語音，命名為yy0

12、jz.wav文件。程序運行的結果如下圖所示：圖-5伴奏加噪前后的波形圖有程序和波形圖可知：加入的三種噪聲的頻率分別為1000hz、3500hz、6000hz。由于噪聲的幅度非常大，所以看到加噪后的波形圖里三個噪聲非常明顯，聽yy0jz.wav文件時，聽到非常尖銳的噪聲。4.32 帶通濾波器的設計及消噪由于三種頻率的噪聲分別為1000hz、3500hz、6000hz，所以要設計三個帶通濾波器，連續(xù)濾掉這三個噪聲。三個濾波器的設置參數(shù)分別為：bndstop,fir,equiripple,minimumorder,fs=22050,fpass1=950,fstop1=980,fstop2=1020,

13、fpass2=1050,apass1=1,astop=60,apass2=1。濾波后生成的無噪聲伴奏yy0qa,wav文件，其消噪程序如下：%消除語音中的噪聲%x1=wavread(yy0jz.wav);%讀取原語音信號,lei2中帶有噪聲.x=y2;y=filter(hn1,1,x); %將帶有噪聲的語音信號x經(jīng)過帶阻濾波器進行濾波,以達到消噪目的.y1=filter(hn2,1,y);y2=filter(hn3,1,y1);%bndstop,fir,equiripple,minimumorder,fs=22050,fpass1=950,fstop1=980,fstop2=1020,fpas

14、s2=1050,apass1=1,astop=60,apass2=1wavwrite(y2,22050,yy0qz.wav);%將經(jīng)帶阻濾波消噪后的信號轉(zhuǎn)換為語音,lei3中將不再有噪聲xw=fft(x);l=length(xw);w=0:fs/l:fs*(l-1)/l;xw1=fft(x1);l1=length(xw1);w1=0:fs/l1:fs*(l1-1)/l1;subplot(2,1,1);plot(w1,abs(xw1); ylabel(yy0jz);subplot(2,1,2);plot(w,abs(xw); ylabel(yy0qz);程序運行后的結果如下圖所示:圖-6伴奏去噪

15、前后的波形圖去掉噪聲后，伴奏恢復到了原來的頻率。通過對伴奏的加噪、去噪，熟悉如何設計濾波器來去掉語音中的噪聲。4.4 語音的合成語音合成就是將兩種采樣頻率相同的語音在時域進行混合，利用matlab軟件對兩個語音信號混合達到制作一個新的語音信號，合成后的語音信號中既有伴唱也有伴唱，即形成一首有伴奏伴唱的歌曲。本次課程設計的任務就是伴唱和伴奏兩個語音信號合成一個，制作成一首歌曲，其合成程序如下所示：%將兩首語音合成一首%m1=wavread(yy0qz.wav);%讀取一首語音m1m2=wavread(yyhx.wav); %讀取另一首語音m2if length(m1)length(m2) %比較

16、兩首語音的長度,將短的補成跟長的相等 m3=m2;zeros(length(m1)-length(m2),1);else m3=m1;zeros(length(m2)-length(m1),1);end m=1.0*m2+m3; %將兩個語音相加,為分辯明,將其中一個衰減wavwrite(m,22050,yyhc.wav); %將合成后的信轉(zhuǎn)為語音生成的歌曲文件 yyhc.wav文件。對其進行頻譜分析的程序運行結果如下圖所示：圖-7 合成后的語音信號的波形圖將合成的歌曲文件在酷狗音樂里面播放，比較與原唱進行比較，基本達到了課程設計的要求。4.5 課程設計主意事項：一、錄制伴唱語音的時候應該要保

17、持安靜的環(huán)境，在電腦上錄制最好使用比較好的錄音設備，這樣錄制的效果會比較好。二、在設計濾波器的時候，應該先找出噪聲的頻率，再設計濾波器。對加噪的伴奏語音信號應該連續(xù)濾波。三、在進行語音合成的時候應該對程序進行仔細的分析，如果伴奏的聲音大，伴唱的聲音小，那么就應該吧伴奏的聲音進行適度的衰減，從而保證伴奏與伴唱的幅度相匹配。結語： 為期兩周的課程設計接近了尾聲，雖然在設計中遇到了許多的困難，但是通過查閱資料，與同學探討交流彼此的意見，解決了不少的問題。在雷學堂老師的知道下，最終還是用matlab軟件完成了我的課程設計下面介紹下我設計的課題：基于matlab的數(shù)字語音處理本設計采用了高效快捷的開發(fā)工具matlab,實現(xiàn)了語音信號的采集，對語音信號的加噪以及設計濾波器消除噪聲的一系列工作。從伴奏加噪的頻率波形圖可以看出來：所加的噪聲的幅度遠遠超過了語音信號的幅度，因此在加載噪聲后生成的語音信號中，原語音信號被噪聲基本覆蓋了。在此，