聲音的延時(shí)和混響仿真

1、武漢理工大學(xué)信息處理課群綜合訓(xùn)練與設(shè)計(jì)報(bào)告書學(xué) 號(hào)： 0121209320304課 程 設(shè) 計(jì)題 目信息處理課群綜合訓(xùn)練與設(shè)計(jì)學(xué) 院信息工程學(xué)院專 業(yè)通信工程班 級(jí)通信1203姓 名成雪彬指導(dǎo)教師許建霞2015年7月2日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 成雪彬 專業(yè)班級(jí)： 通信1203 指導(dǎo)教師： 許建霞 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目:聲音的延時(shí)和混響仿真 初始條件：Matlab應(yīng)用軟件 Windows自帶的錄音功能延時(shí)和混響的相關(guān)知識(shí)要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求）(1)利用Windows下的錄音機(jī)或其他軟件，錄制一段自己的語(yǔ)音信號(hào)，時(shí)間控制在1

2、s左右，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣。(2)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析，畫出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。(3)將信號(hào)加入延時(shí)和混響，再分析其頻譜，并與原始信號(hào)頻譜進(jìn)行比較。(4)設(shè)計(jì)幾種特殊類型的濾波器：?jiǎn)位芈暈V波器，多重回聲濾波器，無(wú)限個(gè)回聲濾波器，全通結(jié)構(gòu)的混響器，并畫出濾波器的頻域響應(yīng)。(5)用自己設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。(6)分析得到信號(hào)的頻譜，畫出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化。(7)回放語(yǔ)音信號(hào)。時(shí)間安排：1、理論講解，老師布置課程設(shè)計(jì)題目，學(xué)生根據(jù)選題開(kāi)始查找資料；2、課程設(shè)計(jì)時(shí)間為2周。 （1）理解相關(guān)技術(shù)原理，確定技術(shù)方案， 時(shí)間

3、2天； （2）選擇仿真工具，進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與分析，時(shí)間6天； （3）總結(jié)結(jié)果，完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，時(shí)間2天。指導(dǎo)教師簽名： 2015 年 6 月 10 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2015年 6月 10 日目錄摘要4Abstract51 緒論61.1簡(jiǎn)介61.2設(shè)計(jì)任務(wù)及要求61.3研究背景及意義72課題描述82.1課題背景及意義82.2課題目標(biāo)83系統(tǒng)框架及實(shí)現(xiàn)93.1總體方案圖93.2程序流程圖104設(shè)計(jì)原理114.1混響和延時(shí)的基本原理114.1.1混響114.1.2延時(shí)124.2離散傅里葉變換134.3濾波器設(shè)計(jì)134.3.1特殊濾波器的系統(tǒng)函數(shù)144.3.2濾波函數(shù)filter144.

4、3.3濾波器設(shè)計(jì)145設(shè)計(jì)步驟165.1從windows系統(tǒng)中讀取1s的語(yǔ)音信號(hào)165.2采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜165.3采樣后信號(hào)的延時(shí)與混響165.4對(duì)信號(hào)進(jìn)行混響175.5單回聲濾波器175.6無(wú)限回聲濾波器175.7多重回聲濾波器185.8全通結(jié)構(gòu)的混響器186運(yùn)行結(jié)果207小結(jié)與體會(huì)26參考文獻(xiàn)27附錄28摘要數(shù)字信號(hào)處理是將信號(hào)以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)，而MATLAB則是一款功能強(qiáng)大的集數(shù)學(xué)運(yùn)算和仿真為一體的軟件。這次課設(shè)就是利用MATLAB軟件對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理的過(guò)程。當(dāng)然，這次主要運(yùn)用了軟件強(qiáng)大的計(jì)算功能，尤其是軟件自帶的一些比較復(fù)雜的函數(shù)的調(diào)用，比方說(shuō)：快

5、速傅里葉變換。同時(shí)也利用軟件的仿真功能，設(shè)計(jì)各種濾波器，對(duì)讀入的聲音信號(hào)進(jìn)行濾波處理。總體上來(lái)講，通過(guò)課設(shè)學(xué)習(xí)了數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)理論知識(shí)，熟悉了軟件的使用和濾波器的設(shè)計(jì)，了解了語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理，快速傅里葉變換，延時(shí)與混響，濾波器。AbstractDigital signal processing is will signal to digital way said the theory and technique of the and processing, and MATLAB is a powerful mathematical operation and simul

6、ation of the set for one of the software. This class set is the use of the software MATLAB voice signal digital processing process. Of course, the main using software powerful computing functions, especially software bringing some complex function call, for example: fast Fourier transformation. At t

7、he same time also using the software simulation function, design of filter, to read in a voice signal filtering processing. In general, through the class set study the digital signal processing related theory knowledge, be familiar with the use of the software and the design of filter, understand th

8、e characteristics of the speech signal.Keywords: digital signal processing, fast Fourier transform, delay and reverb ,filter.1 緒論1.1 簡(jiǎn)介數(shù)字信號(hào)處理主要是研究用數(shù)字或符號(hào)序列表示和處理信號(hào)。處理的目的可以是削弱信號(hào)中的多余內(nèi)容，濾除混雜的噪聲和干擾，或者是將信號(hào)變換為容易分析和識(shí)別的形式，便于估計(jì)和選擇它的特征參數(shù)。語(yǔ)音信號(hào)分析是語(yǔ)音信號(hào)處理的前提和基礎(chǔ)，只有分析出可表示語(yǔ)音信號(hào)本質(zhì)特征的參數(shù)，才有可能利用這些參數(shù)進(jìn)行高效的語(yǔ)音通信、語(yǔ)音合成和語(yǔ)音識(shí)別等處理。而

9、且，語(yǔ)音合成的音質(zhì)好壞，語(yǔ)音識(shí)別率的高低，也都取決于對(duì)語(yǔ)音信號(hào)分橋的準(zhǔn)確性和精確性。因此語(yǔ)音信號(hào)分析在語(yǔ)音信號(hào)處理應(yīng)用中具有舉足輕重的地位。根據(jù)所分析出的參數(shù)的性質(zhì)的不同，可將語(yǔ)音信號(hào)分析分為時(shí)域分析、頻域分析、倒領(lǐng)域分析等；時(shí)域分析方法具有簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、物理意義明確等優(yōu)點(diǎn)，但由于語(yǔ)音信號(hào)最重要的感知特性反映在功率譜中，而相位變化只起著很小的作用，所以相對(duì)于時(shí)域分析來(lái)說(shuō)頻域分析更為重要。本文將簡(jiǎn)要介紹時(shí)域分析、頻域分析。聲音信號(hào)是一維連續(xù)信號(hào),而計(jì)算機(jī)只能處理離散信號(hào)。為了從離散信號(hào)還原連續(xù)信號(hào),根據(jù)采樣定理,可以確定采樣頻率的最小值。wav文件是一種數(shù)字聲音文件格式,本課程設(shè)計(jì)基于Matl

10、ab分析了wav聲音文件頻譜與聲音的關(guān)系。通過(guò)采集個(gè)人的一段聲音進(jìn)行頻譜分析等處理，然后設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器處理這個(gè)原始聲音的wav文件,并比較濾波以后輸出聲音信號(hào)與原聲音信號(hào)的異同。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)任務(wù)(1)利用Windows下的錄音機(jī)或其他軟件，錄制一段自己的語(yǔ)音信號(hào)，時(shí)間控制在1s左右，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣。(2)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析，畫出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。(3)將信號(hào)加入延時(shí)和混響，再分析其頻譜，并與原始信號(hào)頻譜進(jìn)行比較。(4)設(shè)計(jì)幾種特殊類型的濾波器：?jiǎn)位芈暈V波器，多重回聲濾波器，無(wú)限個(gè)回聲濾波器，全通結(jié)構(gòu)的混響器，并畫出濾波器的頻域響應(yīng)。(5)用自己設(shè)計(jì)的濾波器

11、對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。(6)分析得到信號(hào)的頻譜，畫出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化。(7)回放語(yǔ)音信號(hào)。設(shè)計(jì)要求(1)熟悉離散信號(hào)和系統(tǒng)的時(shí)域特性。(2)熟悉語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)。(3)掌握數(shù)字信號(hào)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方法。(5)學(xué)會(huì)MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設(shè)計(jì)方法。(6)掌握MATLAB設(shè)計(jì)各種數(shù)字濾波器的方法和對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波的方法。1.3研究背景及意義音頻信號(hào)在人類社會(huì)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。從古至今人類始終依靠聲音信息傳遞自己的信息、感情。現(xiàn)今，隨著計(jì)算機(jī)、通信、微電子和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展

12、，人們已經(jīng)改變了傳統(tǒng)的利用聲音、傳遞聲音的方式。從搖旗吶喊到無(wú)線通信，人類利用聲音的方式始終與時(shí)代最高科技水平聯(lián)系在一起，因?yàn)槁曇羰侨祟愖钪匾慕涣鞴ぞ??；祉懺谌藗兊纳钪惺且环N常見(jiàn)的聲學(xué)現(xiàn)象。無(wú)論是在會(huì)議室里開(kāi)會(huì)，還是在音樂(lè)廳里欣賞音樂(lè)，人們都會(huì)明顯感覺(jué)到混響聲音的存在。不同類型的聲音對(duì)聲學(xué)環(huán)境的要求是不同的。按照某一固定聲學(xué)設(shè)計(jì)無(wú)法滿足現(xiàn)代多功能廳所擔(dān)負(fù)的最佳混響效果不同的要求。傳統(tǒng)上采用在房間內(nèi)布置不同吸音系數(shù)的反射板或升降吊頂來(lái)改變廳堂的容積，以調(diào)節(jié)廳內(nèi)的混響時(shí)間的方法，顯然不僅麻煩，且難以調(diào)到最佳效果。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器性能的不斷提高，上述原本只有通過(guò)建筑聲學(xué)才能解決

13、的聲學(xué)效果問(wèn)題，現(xiàn)在可以利用電聲學(xué)知識(shí)以數(shù)字信號(hào)處理的手段較為方便地解決。可以說(shuō)電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的完善，給聲學(xué)帶來(lái)一次前所未有的重大變革。濾波在信號(hào)處理中一直占有十分重要的地位?，F(xiàn)在幾乎在所有需要信號(hào)處理的領(lǐng)域都可以使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)精確快速的對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的基本方法，如對(duì)信號(hào)的過(guò)濾、檢測(cè)、預(yù)測(cè)等，都要廣泛地用到濾波器。數(shù)字濾波器分成兩種形態(tài)：有限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器（FIR）和無(wú)限長(zhǎng)脈沖響應(yīng)濾波器（IIR）。無(wú)論哪一種濾波器的設(shè)計(jì)都需要大量的計(jì)算，用手工計(jì)算已不現(xiàn)實(shí)，因此必須借助計(jì)算機(jī)來(lái)完成。其中，MATLAB是一款十分優(yōu)秀的計(jì)算和仿真軟件。MA

14、TLAB是一種面向科學(xué)和工程計(jì)算的語(yǔ)言，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，具有編程效率高、調(diào)試手段豐富、擴(kuò)充能力強(qiáng)等特點(diǎn)。MATLAB的信號(hào)處理工具箱具有強(qiáng)大的函數(shù)功能，它不僅可以用來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，還可以使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化，是數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的強(qiáng)有力工具。2 課題描述2.1課題背景及意義語(yǔ)音信號(hào)處理是一門比較實(shí)用的電子工程的專業(yè)課程，語(yǔ)音是人類獲取信息的重要來(lái)源和利用信息的重要手段。通過(guò)語(yǔ)言相互傳遞信息是人類最重要的基本功能之一。語(yǔ)言是人類特有的功能，它是創(chuàng)造和記載幾千年人類文明史的根本手段，沒(méi)有語(yǔ)言就沒(méi)有今天的人類文明。語(yǔ)音是語(yǔ)言的聲學(xué)表現(xiàn)，是相互傳遞信息的最重要的手段，是人類

15、最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息的形式。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)及大規(guī)模數(shù)字集成電路的迅速發(fā)展,語(yǔ)音數(shù)字信號(hào)處理得到了相應(yīng)的發(fā)展。語(yǔ)音信號(hào)分析模擬、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別等的研究已較成熟。、各種聲碼器、聲控器、語(yǔ)聲識(shí)別系統(tǒng)、語(yǔ)聲合成器等已逐漸有商品出現(xiàn)。2.2課題目標(biāo)對(duì)于錄制一個(gè)wav語(yǔ)音文件，對(duì)其進(jìn)行采樣信號(hào)、對(duì)加入延時(shí)和混響后的信號(hào)和通過(guò)幾種特殊濾波器后的信號(hào)分別畫出對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形和頻譜圖，并對(duì)比進(jìn)行分析。3系統(tǒng)框架及實(shí)現(xiàn)3.1總體方案圖利用Windows下的錄音機(jī)或其他軟件，錄制一段自己的語(yǔ)音信號(hào)，時(shí)間控制在1s左右，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析，畫出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和

16、頻譜圖將信號(hào)加入延時(shí)和混響，再分析其頻譜，并與原始信號(hào)頻譜進(jìn)行比較設(shè)計(jì)幾種特殊類型的濾波器：無(wú)限個(gè)回聲濾波器，全通結(jié)構(gòu)的混響器，并畫出濾波器的頻域響應(yīng)。用自己設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波分析得到信號(hào)的頻譜，畫出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化回放語(yǔ)音信號(hào)圖3.1 程序總體框圖3.2程序流程圖用wavread從自己的電腦導(dǎo)入Windows下1s語(yǔ)音信號(hào)畫出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形與頻譜圖。N=2001,和調(diào)用fft函數(shù)快速傅里葉變換。對(duì)采樣后語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行延時(shí)30，在調(diào)整采樣信號(hào)的長(zhǎng)度，兩者相加，就得到混響。單回聲濾波器a=0.5;yy1=x+z*0.

17、5;YY1=fft(yy1,2001);無(wú)限個(gè)回聲濾波器Bz=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1;Az=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-a;yy2=filter(Bz,Az,x);YY2=fft(yy2,2001);多重回聲濾波器N=5Bz1=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-aN Az1=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-a;yy3=filter(Bz1,Az1,x); YY3=fft(yy3,2001);全通結(jié)構(gòu)的混響器Bz1=a,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1;Az1=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,a;yy4=filter(Bz1,Az

18、1,x);YY4=fft(yy4,20001);sound(yy1,fs,bits);sound(yy2,fs,bits);sound(yy3,fs,bits);sound(yy3,fs,bit);圖3.2 程序流程框圖4設(shè)計(jì)原理4.1混響和延時(shí)的基本原理4.1.1混響聲音是通過(guò)媒質(zhì)傳入人的聽(tīng)覺(jué)器官的。媒質(zhì)，既是聲音的傳播途徑，也是聲音的載體。用一個(gè)日常生活中司空見(jiàn)慣的例子來(lái)說(shuō)，媒質(zhì)，就像湖中傳遞波浪的湖水。在平靜的湖面投人一塊石子，石子擊起水波，波紋越來(lái)越大，水波越傳越遠(yuǎn)。這湖水，就是傳播水波的媒質(zhì)。聲音也仿佛如此:當(dāng)某一聲源發(fā)音，空氣中聲波的震蕩就會(huì)改變周圍空氣的靜止?fàn)顟B(tài)，使之形成時(shí)而壓縮

19、，時(shí)而稀疏的前進(jìn)波，聲波就這樣不斷地散發(fā)開(kāi)去，傳播聲音的媒質(zhì)就是空氣。在閉室中，當(dāng)聲源發(fā)出一個(gè)聲音信號(hào)(例如是一個(gè)脈沖聲信號(hào))時(shí)，位于室內(nèi)任何一點(diǎn)的聽(tīng)者所接收到的聲音中，應(yīng)包含兩部分成份，一部分是由聲源直接傳到聽(tīng)者的聲音，我們稱其為“直達(dá)聲”。另一部分是聲波傳到墻壁或障礙物處反射出的聲音，其中有一些被聽(tīng)者接收到，另外一些又會(huì)傳到其它墻壁處再次發(fā)生反射，反射后的聲音中又有一些被聽(tīng)者接收到，類似地持續(xù)下去，將聽(tīng)者接收到的這部分聲音，統(tǒng)稱為“反射聲”。從時(shí)間上看，反射聲較直達(dá)聲落后(或稱為延遲聲)，從能量角度看，由于每經(jīng)一次反射都會(huì)有部分能量被吸收，因此反射聲是一系列能量逐漸衰減的延遲聲。數(shù)字混響可

20、以通過(guò)用人工創(chuàng)作的回音并將它加入原始信號(hào)里，從而把隔音錄音室里錄制的聲音轉(zhuǎn)換為一種自然的聲音形式；回音可以簡(jiǎn)單地由延遲單元產(chǎn)生?；祉懶Ч饕怯糜谠黾右粼吹娜诤细?。自然音源的延時(shí)聲陣列非常密集、復(fù)雜，所以模擬混響效果的程序也復(fù)雜多變。常見(jiàn)參數(shù)有以下幾種：（1）混響時(shí)間：能逼真的模擬自然混響的數(shù)碼混響器上都有一套復(fù)雜的程序，其上雖然有很多技術(shù)參數(shù)可調(diào)，然而對(duì)這些技術(shù)參數(shù)的調(diào)整都不會(huì)比原有的效果更為自然，尤其是混響時(shí)間。（2）高頻滾降：此項(xiàng)參數(shù)用于模擬自然混響當(dāng)中，空氣對(duì)高頻的吸收效應(yīng)，以產(chǎn)生較為自然的混響效果。一般高頻混降的可調(diào)范圍為0.11.0。此值較高時(shí)，混響效果也較接近自然混響；此值較低時(shí)

21、，混響效果則較清澈。（3）擴(kuò)散度：此項(xiàng)參數(shù)可調(diào)整混響聲陣密度的增長(zhǎng)速度，其可調(diào)范圍為010，其值較高時(shí)，混響效果比較豐厚、溫暖；其值較低時(shí)，混響效果則較空曠、冷僻。（4）預(yù)延時(shí)：自然混響聲陣的建立都會(huì)延遲一段時(shí)間，預(yù)延時(shí)即為模擬次效應(yīng)而設(shè)置。（5）聲陣密度：此項(xiàng)參數(shù)可調(diào)整聲陣的密度，其值較高時(shí)，混響效果較為溫暖，但有明顯的聲染色；其值較低時(shí)，混響效果較深邃，切聲染色也較弱。（6）頻率調(diào)制：這是一項(xiàng)技術(shù)性的參數(shù)，因?yàn)殡娮踊祉懙穆曣嚸芏缺茸匀换祉懴∈瑁瑸榱耸够祉懙穆曇舯容^平滑、連貫，需要對(duì)混響聲陣列的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行調(diào)制。此項(xiàng)技術(shù)可以有效的消除延時(shí)聲陣列的段裂聲，可以增加混響聲的柔和感。（7）調(diào)治深度

22、：指上述調(diào)頻電路的調(diào)治深度。4.1.2延時(shí)延時(shí)就是將音源延遲一段時(shí)間后，再欲播放的效果處理。依其延遲時(shí)間的不同，可分別產(chǎn)生合唱、鑲邊、回音等效果。當(dāng)延遲時(shí)間在335ms之間時(shí)人耳感覺(jué)不到滯后音的存在，并且他與原音源疊加后，會(huì)因其相位干涉而產(chǎn)生梳狀濾波效應(yīng)，這就是鑲邊效果。如果延遲時(shí)間在50ms以上時(shí)，其延遲音就清晰可辨，此時(shí)的處理效果才是回音?；匾籼幚硪话愣际怯糜诋a(chǎn)生簡(jiǎn)單的混響效果。延時(shí)、合唱、鑲邊、回音等效果的可調(diào)參數(shù)都差不多，具體有以下幾項(xiàng)：延時(shí)時(shí)間（Dly），即主延時(shí)電路的延時(shí)時(shí)間調(diào)整。反饋增益（FB Gain），即延時(shí)反饋的增益控制。反饋高頻比（Hi Ratio），即反饋回路上的高頻衰

23、減控制。調(diào)制頻率（Freq），指主延時(shí)的調(diào)頻周期。調(diào)制深度（Depth），指上述調(diào)頻電路的調(diào)制深度。高頻增益（HF），指高頻均衡控制。預(yù)延時(shí)（Ini Dly），指主延時(shí)電路預(yù)延時(shí)時(shí)間調(diào)整。均衡頻率（EQ F），這里的頻率均衡用于音色調(diào)整，此為均衡的中點(diǎn)頻率選擇。由于延時(shí)產(chǎn)生的效果都比較復(fù)雜多變，如果不是效果處理專家，建議使用設(shè)備提供的預(yù)置參數(shù)，因?yàn)檫@些預(yù)置參數(shù)給出的處理效果一般都比較好。4.2離散傅里葉變換在MATLAB的信號(hào)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(diào)用格式為 y=fft(x) （式4-1）其中，

24、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相同長(zhǎng)度。若x為一矩陣，則y是對(duì)矩陣的每一列向量進(jìn)行FFT。如果x長(zhǎng)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(jì)算速度較慢。函數(shù)FFT的另一種調(diào)用格式為 y=fft(x,N) （式4-2）式中，x，y意義同前，N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行N點(diǎn)的FFT。若x為向量且長(zhǎng)度小于N，則函數(shù)將x補(bǔ)零至長(zhǎng)度N。若向量x的長(zhǎng)度大于N，則函數(shù)截短x使之長(zhǎng)度為N。若x 為矩陣，按相同方法對(duì)x進(jìn)行處理。經(jīng)函數(shù)fft求得的序列y一般是復(fù)序列，通常要求其幅值和相位。MATLAB提供求復(fù)數(shù)

25、的幅值和相位函數(shù)：abs，angle，這些函數(shù)一般和FFT同時(shí)使用。用MATLAB工具箱函數(shù)fft進(jìn)行頻譜分析時(shí)需注意：（1） 函數(shù)fft返回值y的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性。（2） 頻率計(jì)算。（3） 作FFT分析時(shí)，幅值大小與FFT選擇點(diǎn)數(shù)有關(guān)，但不影響分析結(jié)果。4.3濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的作用是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性對(duì)輸入信號(hào)波形(或頻譜)進(jìn)行加工處理，或者說(shuō)利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換。數(shù)字濾波器可以理解為是一個(gè)計(jì)算程序或算法，將代表輸入信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為代表輸出信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列，并在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。4.3.1特殊濾波器的系統(tǒng)函數(shù)1. 單回聲濾波器的系統(tǒng)函數(shù)：H

26、(z)= 1 （式4-3）2. 無(wú)限個(gè)回聲濾波器的系統(tǒng)函數(shù):H(z)= 1 （式4-4）3. 多重回聲濾波器的系統(tǒng)函數(shù) ：H(z)= 1 （式4-5）4. 全通結(jié)構(gòu)的混響器的系統(tǒng)函數(shù):H(z)= 1 （式4-6）4.3.2濾波函數(shù)filter系統(tǒng)還是離散時(shí)間LTI系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)輸入信號(hào)從頻域角度，無(wú)論是連續(xù)時(shí)間LTI的頻譜進(jìn)行不同選擇處理的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程稱為濾波。因此，在MATLAB的信息處理工具箱中，提供了一維濾波器函數(shù)filter和二維濾波器函數(shù)filter2。 函數(shù)filter的調(diào)用格式為 y=filter(b,a,x) （ 式4-7）該格式采用數(shù)字濾波器對(duì)數(shù)據(jù)

27、進(jìn)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(xiàng)式的系數(shù)，若a1，此時(shí)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(duì)x中的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，結(jié)果放入向量y。4.3.3濾波器設(shè)計(jì)先對(duì)本設(shè)計(jì)中用到的各種濾波器進(jìn)行簡(jiǎn)介。（1）單回聲濾波器回聲可以由簡(jiǎn)單的延時(shí)單元產(chǎn)生。直達(dá)聲和在m個(gè)抽樣周期后出現(xiàn)的一種單個(gè)回聲，可以用FIR濾波器產(chǎn)生，差分方程為：yn=xn+xn-m，|1單回聲濾波器的傳輸函數(shù)為：傳輸函數(shù)的幅頻響應(yīng)形狀象梳子，這種濾波器又叫梳狀濾波器。（2）多重回聲濾波器為了產(chǎn)生以間隔m個(gè)抽樣周期分開(kāi)的具有指數(shù)衰減振幅的多

28、重回聲，可用一個(gè)以下形式傳輸函數(shù)的FIR濾波器：無(wú)限個(gè)振幅以指數(shù)衰減、間隔為m個(gè)抽樣周期的多重回聲可用以下形式傳輸函數(shù)的IIR濾波器生成：（3）無(wú)限個(gè)回聲濾波器無(wú)限個(gè)回聲濾波器的傳輸函數(shù)為：上述多重回聲濾波器不能提供自然聲音混響。由其幅頻特性可知，其幅度響應(yīng)對(duì)于所有頻率不是常數(shù)，收聽(tīng)效果不能令人滿意。其次每秒回聲數(shù)量太少會(huì)引起合成聲的顫動(dòng)，需要每秒約1000個(gè)回聲才能生成沒(méi)有顫動(dòng)的反射聲。（4）全通結(jié)構(gòu)混響器為了生成更真實(shí)的混響，提出一種有全通結(jié)構(gòu)的混響器，傳輸函數(shù)為：此外，還可以用函數(shù)filter對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。其調(diào)用格式為：y=filter(b,a,x)該格式采用數(shù)字濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾

29、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(xiàng)式的系數(shù)，若a1，此時(shí)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(duì)x中的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，結(jié)果放入向量y。5設(shè)計(jì)步驟5.1從windows系統(tǒng)中讀取1s的語(yǔ)音信號(hào)Matlab語(yǔ)句x,fs,bits=wavread(make.wav,500 50000)用于讀取語(yǔ)音，采樣值放在向量x中，fs表示采樣頻率(Hz)，bits表示采樣位數(shù)。500 50000表示讀取從501點(diǎn)到50000點(diǎn)的值（若只有一個(gè)N的點(diǎn)則表示讀取前N點(diǎn)的采樣值）。5.2采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜x,fs

30、,bits=wavread(make.wav,10000 40000);x=x(:,1); %只取單聲道sound(5*x,fs); %對(duì)聲音的回放n1=0:2000;N=size(x,1);figure（2）;subplot(2,1,1);plot(x);title(采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形);Y=fft(x,2001); subplot(2,1,2); %對(duì)信號(hào)做2001點(diǎn)FFT變換plot(n1(1:1000),Y(1:1000); title(采樣后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖); %信號(hào)幅度其中x,fs,bits=wavread(make.wav,10000 40000);用于讀取語(yǔ)音，采樣值放

31、在向量x中，fs表示采樣頻率(Hz)，bits表示采樣位數(shù)。Sound函數(shù)用來(lái)對(duì)于聲音的回放，X代表一個(gè)信號(hào)。fft函數(shù)是用于求解傅里葉變換，得出采樣信號(hào)。5.3采樣后信號(hào)的延時(shí)與混響z=zeros(200,1);x; figure(3); %信號(hào)的延時(shí)subplot(2,1,1);plot(z); title(延時(shí)后的時(shí)域圖); %畫出延時(shí)后的信號(hào)時(shí)域圖 Z=fft(z,2001); subplot(2,1,2);plot(n1(1:1000),Z(1:1000); %延時(shí)后的信號(hào)頻譜圖 title(延時(shí)后的頻譜圖 ); 其中用zeros函數(shù)來(lái)使信號(hào)延時(shí)，zeros是用來(lái)生成全0矩陣的，比如

32、，zeros(M，N) 表示的是M行*N列的0矩陣。5.4對(duì)信號(hào)進(jìn)行混響z=zeros(200,1);x; %對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行延時(shí)x=x;zeros(200,1); %使語(yǔ)音信號(hào)與延時(shí)后信號(hào)同等長(zhǎng)度y1=x+z; %信號(hào)的混響figure(4);subplot(2,1,1);plot(y1); title(混響的時(shí)域圖); %混響時(shí)域圖Y1=fft(y1,2001); %對(duì)混響信號(hào)2001點(diǎn)的FFT變換subplot(2,1,2);plot(n1(1:1000),Y1(1:1000); %混響頻譜圖title(混響的頻譜圖);對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行延時(shí)后，在使原語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度變換得與延時(shí)的信號(hào)同長(zhǎng)，最后

33、時(shí)這兩個(gè)信號(hào)相加便可以得到混響后的信號(hào)。5.5單回聲濾波器a=0.5; %a取小于等于1yy1=x+z*0.5; %信號(hào)經(jīng)單回聲濾波figure（5）;subplot(2,1,1);plot(yy1);title(單回聲濾波器時(shí)域圖);YY1=fft(yy1,2001); %對(duì)單回聲信號(hào)做2001點(diǎn)的FFT變換subplot(2,1,2);plot(n1(1:1000),Y2(1:1000); %單回聲信號(hào)頻譜圖title(單回聲濾波器頻譜圖);其中，用函數(shù)yy1=x+z*0.5來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行單回聲濾波。5.6無(wú)限回聲濾波器a=0.5; %a取小于等于1Bz=0,0,0,0,0,0,0,0,0,

34、0,1; %分子的系數(shù)Az=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-a; %分母的系數(shù)yy2=filter(Bz,Az,x); %濾波器進(jìn)行濾波figure(6);subplot(2,1,1);plot(yy2); %無(wú)限回聲濾波器時(shí)域波形title(無(wú)限個(gè)回聲濾波器時(shí)域波形);YY2=fft(yy2,2001); %經(jīng)無(wú)限回聲濾波器后的信號(hào)做2001點(diǎn)的FFT變換subplot(2,1,2);plot(n1(1:1000),YY2(1:1000); %無(wú)限回聲濾波器頻譜圖title(無(wú)限個(gè)回聲濾波器頻譜圖 );其中，編寫出如上對(duì)應(yīng)的無(wú)限回聲濾波器函數(shù)，然后用filter函數(shù)調(diào)用濾波器。5.

35、7多重回聲濾波器a=0.5; %a取小于等于1N=5Bz1=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-0.5N %分子的系數(shù)Az1=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-0.5; %分母的系數(shù)yy3=filter(Bz1,Az1,x); figure(7); %濾波器進(jìn)行濾波subplot(2,1,1);plot(yy3); title(多重回聲濾波器的時(shí)域圖)%多重回聲濾波器的混響器時(shí)域波形YY3=fft(yy3,2001); %經(jīng)多重回聲濾波器后的信號(hào)做2001點(diǎn)的FFT變換subplot(2,1,2);plot(n1(1:1000),YY3(1:1000); %多重回聲濾波器的頻譜圖

36、title(多重回聲的頻譜圖)5.8全通結(jié)構(gòu)的混響器a=0.5; %a取小于等于1Bz1=a,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1; %分子的系數(shù)Az1=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,a; %分母的系數(shù)yy3=filter(Bz1,Az1,x); figure(6); %濾波器進(jìn)行濾波subplot(2,1,1);plot(yy2); title(全通應(yīng)的時(shí)域圖)%全通結(jié)構(gòu)的混響器時(shí)域波形YY2=fft(yy2,2001); %經(jīng)全通結(jié)構(gòu)的混響器后的信號(hào)做2001點(diǎn)的FFT變換subplot(2,1,2);plot(n1(1:1000),YY2(1:1000); %全通結(jié)構(gòu)的混響器

37、頻譜圖title(全通應(yīng)的頻譜圖)同理，得出全通結(jié)構(gòu)濾波器的函數(shù)，用filter函數(shù)調(diào)用濾波器，再用fft函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，就可以得出對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形和頻譜結(jié)構(gòu)。6運(yùn)行結(jié)果圖6.1 原始信號(hào)的時(shí)域波形圖6.2 采樣后的時(shí)域波形圖和頻譜圖圖6.3 延時(shí)后的時(shí)域波形和頻譜圖分析：1）從時(shí)域上看，延時(shí)后的波形向右移動(dòng)。 2）從頻譜圖上看，延時(shí)前曲線向下，延時(shí)后曲線往上，幅值上幾乎不變。圖6.4混響后的時(shí)域波形圖和頻譜圖分析：1)從時(shí)域上看，混響之后時(shí)域波形發(fā)生了一定變化。在24000HZ之前，主要是幅度有一定變化。在24000HZ之后，波形有明顯變化 2)從頻譜圖上看，混響后頻譜有上下跳動(dòng)，其幅值有

38、一定改變，如在采樣點(diǎn)200點(diǎn)處可以看到混響較為明顯?；祉懞蟮牟ㄐ排c原始波形相比已有明顯差異。從時(shí)域圖看，經(jīng)混響的波形在前前一小部分沒(méi)有變化，之后的波形很多地方幅度增強(qiáng)了，但也有地方的幅度減小了，這和程序中設(shè)計(jì)的混響效果是相同的：原始語(yǔ)音信號(hào)和延時(shí)后的信號(hào)（充當(dāng)回音）疊加，引起波形幅度的變化。圖6.5單回聲濾波器的時(shí)域波形圖和頻譜圖分析：1) 從時(shí)域上看，濾波后波形有一定變化，特別是在24000HZ之后，波形的變化較為明顯。 2)從頻譜上看，濾波后頻譜有微小的上下跳動(dòng)。圖6.6無(wú)限回聲濾波器的時(shí)域波形圖和頻譜圖分析：1) 從時(shí)域上看，波形與濾波前的波形大體相同，幅度上有微小變化； 2)從頻譜圖上

39、看，幅度有一定變化，在采樣點(diǎn)100點(diǎn)到200點(diǎn)之間可以看到幅值變化明顯，且曲線相對(duì)于濾波前總體有向上變化的趨勢(shì)。圖6.7多重回聲濾波器的時(shí)域波形圖和頻譜圖分析：1)從時(shí)域上看，波形變化大，在20000HZ之后，可觀察到其波形的形狀有明顯。且濾波前的波形只有到30000HZ，之后便沒(méi)有了，而經(jīng)多重回聲濾波器之后，其時(shí)域波形延長(zhǎng)到了80000HZ. 2)從頻譜圖上看，幅值總體減小。圖6.8全通結(jié)構(gòu)混響的時(shí)域波形圖和頻譜圖分析：1） 從時(shí)域上看，波形與濾波前的波形大體相同，幅度上有微小變化； 2）從頻譜圖上看，幅值略微減小，曲線總體趨勢(shì)向下。7小結(jié)與體會(huì)說(shuō)實(shí)話，Matlab編程并不是我的強(qiáng)項(xiàng)，因?yàn)槲?/p>

40、平時(shí)更多的是用C來(lái)編程。在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我先把基本的原理、概念大致弄清楚，然后找一個(gè)例程一句句地分析，我發(fā)現(xiàn)該matlab程序的核心實(shí)際就是把數(shù)學(xué)表達(dá)式轉(zhuǎn)變成Matlab語(yǔ)言，然后Matlab軟件便可識(shí)別、執(zhí)行。于是我試著對(duì)照各種濾波器的系統(tǒng)函數(shù)表達(dá)式，自己來(lái)寫Matlab程序。經(jīng)過(guò)不斷修改、調(diào)試，終于獲得成功。觸類旁通，接下來(lái)我的設(shè)計(jì)工作也就順利多了。通過(guò)這次的信息處理課群綜合訓(xùn)練與設(shè)計(jì)，我對(duì)數(shù)字信號(hào)處理有了更進(jìn)一步的熟悉，在親手設(shè)計(jì)過(guò)程中加深了對(duì)課本上的知識(shí)的理解。本次課題是基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)的特技處理，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行延時(shí)、混響、濾波等操作。通過(guò)上網(wǎng)搜索資料，查閱課本及課外書籍，

41、動(dòng)手設(shè)計(jì)濾波器，采集語(yǔ)音，語(yǔ)音分析等工作，我加強(qiáng)了對(duì)MATLAB程序的編寫能力以及對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)的理解。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn)、分析和解決實(shí)際問(wèn)題、鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，我們能夠比較系統(tǒng)的了解理論知識(shí)，把理論和實(shí)踐相結(jié)合，并且用到生活當(dāng)中。在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中總會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，在這種情況下我們都會(huì)努力尋求最佳路徑解決問(wèn)題，無(wú)形間提高了我們的動(dòng)手，動(dòng)腦能力，并且同學(xué)之間還能相互探討問(wèn)題，研究解決方案，增加大家的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。通過(guò)課程設(shè)計(jì)讓我知道了，我們平時(shí)所學(xué)的知識(shí)如果不加以實(shí)踐的話就等于紙上談兵。課程設(shè)計(jì)主要是我們理

42、論知識(shí)的延伸，它的目的主要是要在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且自己要能找到解決問(wèn)題的方案，形成一種獨(dú)立的意識(shí)。我們還能從設(shè)計(jì)中檢驗(yàn)我們所學(xué)的理論知識(shí)到底有多少，鞏固我們已經(jīng)學(xué)會(huì)的，不斷學(xué)習(xí)我們所忽略的新知識(shí)，以期提升自己的專業(yè)技能。參考文獻(xiàn)1 鄒彥，DSP原理及應(yīng)用，第一版，電子工業(yè)出版社，20062 周開(kāi)利，MATLAB基礎(chǔ)及其應(yīng)用教程，北京大學(xué)出版社.3 張雄偉，DSP集成開(kāi)發(fā)與應(yīng)用實(shí)例，第一版，電子工業(yè)出版社，20024 劉幺和、宋庭新，語(yǔ)音識(shí)別與控制技術(shù)，科學(xué)出版社.5 彭啟琮等，DSP技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，第二版，高等教育出版社，20076 楊述斌等，數(shù)字信號(hào)處理實(shí)踐教程，第一版，華中科技大學(xué)出版

43、社，2007附錄程序如下：1. 原始信號(hào)x1=wavread(make.wav); %讀取信號(hào)figure(1);plot(x1);title(原始信號(hào));sound(5*x1,40000);2. 采樣信號(hào)x,fs,bits=wavread(make.wav,10000 40000);x=x(:,1); %只取單聲道sound(5*x,fs); %對(duì)聲音的回放n1=0:2000;N=size(x,1);figure(2);subplot(2,1,1);plot(x);title(采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形);Y=fft(x,2001); subplot(2,1,2); %對(duì)信號(hào)做2001點(diǎn)FFT

44、變換plot(n1(1:1000),Y(1:1000); title(采樣后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖); %信號(hào)幅度3. 延時(shí)的信號(hào)x,fs,bits=wavread(make.wav,10000 40000);x=x(:,1); %只取單聲道n1=0:2000;z=zeros(200,1);x; figure(3); %信號(hào)的延時(shí)subplot(2,1,1);plot(z); title(延時(shí)后的時(shí)域圖); %畫出延時(shí)后的信號(hào)時(shí)域圖 Z=fft(z,2001); subplot(2,1,2);plot(n1(1:1000),Z(1:1000); %延時(shí)后的信號(hào)頻譜圖 title(延時(shí)后的頻譜圖 );

45、 sound(5*z,fs);4. 混響后信號(hào)x,fs,bits=wavread(make.wav,10000 40000); %讀取語(yǔ)音信號(hào)x=x(:,1); %只取單聲道n1=0:2000;z=zeros(200,1);x; %對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行延時(shí)x=x;zeros(200,1); %使語(yǔ)音信號(hào)與延時(shí)后信號(hào)同等長(zhǎng)度y1=x+z; %信號(hào)的混響figure(4);subplot(2,1,1);plot(y1); title(混響的時(shí)域圖); %混響時(shí)域圖Y1=fft(y1,2001); %對(duì)混響信號(hào)2001點(diǎn)的FFT變換subplot(2,1,2);plot(n1(1:1000),Y1(1:1

46、000); %混響頻譜圖title(混響的頻譜圖);sound(5*y1,fs); %回放混響后的信號(hào)5. 單回聲濾波器x,fs,bits=wavread(make.wav,10000 40000); %讀取語(yǔ)音信號(hào)x=x(:,1); %只取單聲道n1=0:2000;a=0.5; %a取小于等于1z=zeros(200,1);x; %對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行延時(shí)x=x;zeros(200,1); %使語(yǔ)音信號(hào)與延時(shí)后信號(hào)同等長(zhǎng)度yy1=x+z*0.5; %信號(hào)經(jīng)單回聲濾波figure(5);subplot(2,1,1);plot(yy1);title(單回聲濾波器時(shí)域圖);YY1=fft(yy1,2001); %對(duì)單回聲信號(hào)做2001