語音信號(hào)的延時(shí)和混響

1、武漢理工大學(xué)綜合課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目:聲音的延時(shí)和混響仿真 初始條件：MATLAB軟件，windows下的錄音機(jī)。要求完成的主要任務(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)語音信號(hào)的頻譜分析，畫出采樣后語音信號(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

2、語音信號(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)回放語音信號(hào)。參考書： 1.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試 第三版，謝自美 主編，華中科技大學(xué)出版社 2.數(shù)字信號(hào)處理的原理和實(shí)現(xiàn) 第二版，劉泉 主編，武漢理工大學(xué)出版社時(shí)間安排：第18周理論講解。第19周理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試。地點(diǎn)：鑒主13樓通信工程綜合實(shí)驗(yàn)室、鑒主15樓通信工程實(shí)驗(yàn)室（3）。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘 要1Abstract21 任務(wù)與要求31.1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)31.2 課程設(shè)計(jì)的要

3、求32 原理分析52.1 原始信號(hào)52.2 延時(shí)和混響52.3 濾波器設(shè)計(jì)53 結(jié)果分析73.1 原始信號(hào)73.2 延時(shí)和混響的信號(hào)73.2 濾波器的濾波94 心得體會(huì)155 參考文獻(xiàn)17附錄18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：快速傅里葉變換。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?？傮w上來講，通過課設(shè)學(xué)習(xí)了數(shù)字信號(hào)處理的

4、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。Abstract Digital 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 simulation of the set for one of the software. This class set is th

5、e 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 the same time also using the software simulation function, desi

6、gn 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 the characteristics of the speech signal.Keywords: digital signa

7、l processing, fast Fourier transform, delay and reverb ,filter.1 任務(wù)與要求1.1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù) 這次綜合課程設(shè)計(jì)，是利用MATLAB軟件對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行一系列的處理。主要要做的任務(wù)有一下幾點(diǎn)：(1)利用Windows下的錄音機(jī)或其他軟件，錄制一段自己的語音信號(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)語音信號(hào)的頻譜分析，畫出采樣后語音信號(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，無限個(gè)回聲濾波器，全通結(jié)構(gòu)的混響器

8、，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)回放語音信號(hào)。1.2 課程設(shè)計(jì)的要求 這次課程設(shè)計(jì)是為了培養(yǎng)我們的學(xué)習(xí)能力和處理能力，所以對(duì)這次的課設(shè)有如下的幾點(diǎn)要求：(1)熟悉離散信號(hào)和系統(tǒng)的時(shí)域特性。(2)熟悉語音信號(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。2 原理分析2

9、.1 原始信號(hào)用windows的錄音機(jī)錄制一段我的語音信號(hào)，要用MATLAB對(duì)其進(jìn)行處理，首先要讀入這段語音信號(hào)，可以調(diào)用軟件自帶的wavread()函數(shù)，找到正確的文件路徑就行，但是這個(gè)命令只能對(duì)*.wav文件處理，所以如果不是的話，要轉(zhuǎn)化格式。回放語音信號(hào)，也是可以直接調(diào)用軟件自帶的sound()函數(shù)，它的參數(shù)的選擇和讀入函數(shù)是一樣的，不過隨著采樣頻率的不同，讀出來的效果差別很大。用軟件的繪圖工具繪制語音信號(hào)的時(shí)域和頻域的圖形，時(shí)域的圖形和簡(jiǎn)單就是把讀入的信號(hào)按時(shí)間和音量的大小繪制一張圖即可，但是頻域的圖形，就要先對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換才可以得到頻譜圖，不過考慮到MATLAB軟件自帶的快

10、速傅里葉變換函數(shù)，所以就直接調(diào)用fft()就行，當(dāng)然還用到了fftshift()函數(shù)對(duì)頻譜的中心進(jìn)行搬移。2.2 延時(shí)和混響 延時(shí)的處理就是利用向量（矩陣）的補(bǔ)零，然后使得有效的數(shù)據(jù)被押后，顯示的時(shí)候，就會(huì)有延時(shí)效果，因?yàn)殚_始的零數(shù)據(jù)沒有意義，即沒有有用信息，然后零數(shù)據(jù)的多少，由需要被延時(shí)的時(shí)間決定。 混響的處理就是利用向量（矩陣）的加法運(yùn)算，使得兩個(gè)不同的信號(hào)進(jìn)行相互疊加，即我們說的混響效果。首先是產(chǎn)生兩個(gè)不同的信號(hào)矩陣，一個(gè)就用延時(shí)后的信號(hào)，另一個(gè)處理的方式差不多，就是利用補(bǔ)零方法，不過補(bǔ)零的措施不同于延時(shí)處理，而是在原始信號(hào)的后面補(bǔ)零，其實(shí)沒有什么實(shí)質(zhì)上的意義，因?yàn)椴荒芨淖兪裁?，但是由?/p>

11、矩陣的加法要求相加的矩陣的形狀一樣，即元素的個(gè)數(shù)一樣，所以補(bǔ)零。2.3 濾波器設(shè)計(jì)濾波器的設(shè)計(jì)按要求有四種，還要自己設(shè)計(jì)一種。考慮到實(shí)際生活中的回聲類型，比較接近IIR濾波器，即下面公式：Y(n)=x(n)+a1*y(n-d1)+a2*y(n-d2)+a3*y(n-d3)+a4*y(n-d4)+a5*y(n-d5)+a6*y(n-d6)+a7*y(n-d7)+a8*y(n-d8)+a9*y(n-d9)+10*y(n-d10)+a11*y(n-d11)-公式1不過，原理大都是一致的，在MATLAB中，都是調(diào)用filter()函數(shù)，但是，最最重要的是確定這個(gè)函數(shù)的兩個(gè)主要參數(shù)a和b。確定了這兩個(gè)參

12、數(shù)就可以進(jìn)行濾波了，所以只用設(shè)計(jì)參數(shù)a和b，a為傳遞函數(shù)分母系數(shù)向量，b為傳遞函數(shù)分子系數(shù)向量。單回聲濾波器的設(shè)計(jì)就是取a和b向量分別為1,zeros(1,4410)，0.2和全1。然后進(jìn)行濾波就可以了。多重回聲濾波器，無限回聲濾波器以及全通結(jié)構(gòu)的濾波器的設(shè)計(jì)都只是改變a和b向量的參數(shù)而已。多重回聲濾波器的a和b向量取值為1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1和1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0.2,正好和單回聲濾波器的a和b取值相反。無限回聲濾波器的a和b取值為0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1和1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-0.5。還有全通結(jié)構(gòu)的a和b的取值

13、為0.5,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1和1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0.5。我自己設(shè)計(jì)的濾波器是一個(gè)IIR低通濾波器，是在巴特沃斯濾波器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，參數(shù)的設(shè)計(jì)沒有實(shí)際的意義，比方說采樣頻率ft和通帶截止頻率fp以及阻帶截止頻率fs和通帶，阻帶的衰減參數(shù)都是隨便設(shè)定的，只是為了檢測(cè)一下設(shè)計(jì)出來的濾波器的性能是否可以達(dá)到。首先把幾個(gè)自己設(shè)定的頻率歸一化，然后計(jì)算巴特沃斯濾波器的參數(shù)wp和ws，再利用函數(shù)的調(diào)用，和參數(shù)以及衰減的要求，把濾波器的階數(shù)和參數(shù)wc求出來，最后調(diào)用butter()函數(shù)，就可以求出濾波器的參數(shù)a和b向量了，不過要進(jìn)行雙線性變換下，使得模擬的低通濾波器

14、變成數(shù)字的低通濾波器，當(dāng)然，也要相應(yīng)把模擬域下的頻率變成數(shù)字域下的頻率，最后用設(shè)計(jì)好的濾波器濾波，再繪制圖形即可。3 結(jié)果分析3.1 原始信號(hào) 對(duì)用windows的錄音機(jī)錄制的語音信號(hào)進(jìn)行采樣后，用MATLAB對(duì)其進(jìn)行處理，利用其繪圖工具，繪制語音信號(hào)的時(shí)域和頻域波形圖，圖形如下： 圖1 原始信號(hào)的時(shí)域和頻域圖 從圖形可以看出，我的語音信號(hào)的頻率主要集中在低頻段，分布呈金字塔狀，但是接近零頻率的附近的頻率成分也很少。分析其他同學(xué)的語音信號(hào)，可以得出類似的結(jié)論，只是男生和女生的頻譜圖看上去略有點(diǎn)差別，即分布不是那么有規(guī)則，很明顯的鋸齒狀。3.2 延時(shí)和混響的信號(hào) 延時(shí)的處理和混響的處理，處理后的

15、結(jié)果的時(shí)域和頻域的圖形，如下圖所示：從原始信號(hào)和處理后的延時(shí)圖可以看出，延時(shí)并沒有真正意義上改變語音信號(hào)，只是把信號(hào)的時(shí)域推后了，頻譜圖也可以看出，只是頻譜的位置變化了，而且是線性搬移的。從原始信號(hào)和處理后的混響的圖可以看出，混響改變了語音信號(hào)的時(shí)域特性，音量有疊加的成分，其頻譜也有改變，從圖可見，混響的低頻段呈明顯的凹狀分布，說明零頻段的頻率成分在語音信號(hào)中占得比例非常少，本來看不出來，但是混響使得頻譜相同部分疊加了，就顯得很明顯了。圖2 延時(shí)的時(shí)域和頻域圖3 混響的時(shí)域圖4 混響的頻域3.3 濾波器的濾波按要求設(shè)計(jì)五類濾波器，并用這五類濾波器分別進(jìn)行濾波，濾波的結(jié)果如下圖:從單回聲濾波器的

16、處理圖可以看出，對(duì)原始語音信號(hào)的改變并不是很明顯，只是頻譜上可以發(fā)現(xiàn)低頻段的細(xì)微變化，時(shí)域上幾乎沒有改變，所以回放語音信號(hào)基本上是聽不出差別的。多重回聲和無限回聲濾波器的處理來看，就可以明顯看到對(duì)時(shí)域和頻域的改變，不過如果是人去聽回放的語音信號(hào)的話，還是聽不出有什么特別的差別，只是會(huì)比較舒服，圓潤(rùn)，因?yàn)閺念l譜上可以看出來，語音信號(hào)的頻譜變得均勻了一些，所以會(huì)有這種效果。全通結(jié)構(gòu)的濾波器的處理來看，對(duì)時(shí)域的改變還是比較明顯的，但是從頻譜的角度來說，他的效果和無限回聲濾波器沒有本質(zhì)上的差別，或者說兩者的目的是一樣的，所以看起來很相似，甚至相近。至于我自己設(shè)計(jì)的濾波器，由于只是截取我錄制的語音的一個(gè)

17、狹窄的頻段進(jìn)行濾波，所以看起來變化很大，其實(shí)是和前面幾個(gè)濾波器的效果大同小異，沒有什么本質(zhì)上的差別，只是頻帶變小 ，如果把前面幾個(gè)的濾波的圖放大到這一頻帶段上來看，還是比較接近的，因?yàn)樵矶际呛?jiǎn)單的濾波過程。圖5 單回聲濾波器時(shí)域波形圖6 單回聲濾波器頻域波形圖7 多重回聲濾波器時(shí)域波形圖8 多重回聲濾波器頻域波形圖9 無限回聲濾波器時(shí)域波形圖10 無限回聲濾波器頻域波形圖11 全通結(jié)構(gòu)的混響器時(shí)域波形圖12 全通結(jié)構(gòu)的混響器頻域波形圖13 自己設(shè)計(jì)的IIR濾波器的波形4 心得體會(huì) 在這次綜合課程設(shè)計(jì)中，首先要感謝我的室友把電腦借給我，讓我不用每天去機(jī)房調(diào)試程序和寫報(bào)告。當(dāng)然，這次課程設(shè)計(jì)的成

18、功，很大方面都要?dú)w功于網(wǎng)絡(luò)上的資料和我的課本，但是最該感謝的毫無疑問是我自己的努力，因?yàn)楹芏嗟某绦蚓W(wǎng)上是給出來了，但是看懂是另外一回事，而且要把它變成自己的就更加靠自己了。同學(xué)問我要了我搜索到的程序，我直接就給他了，因?yàn)槲矣X得程序不是最主要的，最主要的是自己學(xué)會(huì)什么 ，他看懂了我沒看懂的，就是比我多學(xué)了點(diǎn)東西，再教會(huì)我，豈不是更好。做課程設(shè)計(jì)是為了加深我們對(duì)平時(shí)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)的理解，在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步鞏固所學(xué)基本理論和提高應(yīng)用所學(xué)知識(shí)并加以綜合應(yīng)用的能力，培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的思想，提高分析和解決問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的綜合能力，開發(fā)學(xué)生的智力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神，為畢業(yè)設(shè)計(jì)和

19、以后工作打下必要基礎(chǔ)。這次為期數(shù)日的綜合課程設(shè)計(jì)，使我們弄明白了不少的知識(shí)，也學(xué)到了不少的東西。首先我們認(rèn)識(shí)到了MATLAB工具箱的強(qiáng)大的功能和方便的操控性，通過軟件可以使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，運(yùn)算簡(jiǎn)單，而且可以使設(shè)計(jì)者騰出時(shí)間來把重點(diǎn)放在一些困難概念的理解和掌握上。MATLAB的功能很強(qiáng)大，可用于電子，通信，圖像等領(lǐng)域的信號(hào)處理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。要精通MATLAB并不是件很容易的事，這得花較多的時(shí)間來研究和分析。通過使用軟件，我們不僅加深了對(duì)書本知識(shí)的了解，還將理論與實(shí)際相結(jié)合，提高了自己實(shí)際思考問題、獨(dú)立分析問題、冷靜解決問題的能力，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理這門課也更加充滿了興趣。設(shè)計(jì)濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中最為重要的

20、應(yīng)用之一，因此學(xué)好濾波器的設(shè)計(jì)及分析，對(duì)于我們大學(xué)生來說是十分重要的。這次設(shè)計(jì)我們最大的收獲是掌握了濾波器設(shè)計(jì)的步驟和方法，比如用到雙線性變換法，可以在確定濾波器的系統(tǒng)函數(shù)后，用雙線性變換公式帶入而求得結(jié)果。我自己設(shè)計(jì)的最后一個(gè)濾波器就是用這種方法做的。 還有就是學(xué)習(xí)過程中的不足，這主要體現(xiàn)在做課程設(shè)計(jì)的過程中，我們深深感覺到自身所學(xué)知識(shí)的有限，書本上沒有提及的環(huán)節(jié)，我們基本都沒有去研究過，做的過程有時(shí)突然間覺得有點(diǎn)茫然，雖然通過查閱可以解決問題，但還是浪費(fèi)了許多時(shí)間，這一點(diǎn)是我們?cè)谝院蟮膶W(xué)習(xí)中必須加以改進(jìn)的地方，同時(shí)在以后的學(xué)習(xí)過程中也要督促自己不斷地完善自我，超越自我。另外要提的一點(diǎn)，就是

21、團(tuán)隊(duì)精神，在這次課程設(shè)計(jì)中我們遇到問題都是聚在一起討論，一起思考、尋找解決問題的方法，討論的過程也是互相學(xué)習(xí)互相促進(jìn)的過程。所謂”當(dāng)局者迷,旁觀者清”，有些問題自己寫的是時(shí)候感覺沒什么錯(cuò)誤，偏偏運(yùn)行的時(shí)候就是有錯(cuò)誤，讓隊(duì)友幫忙看了一下，才發(fā)現(xiàn)其實(shí)是個(gè)很小的錯(cuò)誤。還有就是分工要明確，大家根據(jù)個(gè)人的優(yōu)勢(shì)分工，干起事情來才有效率。所以說，團(tuán)隊(duì)精神是很重要的一點(diǎn)。通過這次的課程設(shè)計(jì)，我們深深地體會(huì)到數(shù)字信號(hào)處理的有用性和重要性。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自身存在的不少不足之處，這給今后的學(xué)習(xí)敲響了警鐘，也提供了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。做設(shè)計(jì)就如做人一樣，都是要扎扎實(shí)實(shí)、一步一個(gè)腳印去做，天下事有難易乎，為之，則難者亦易矣；不為，

22、則易者亦難矣。所以說我們做什么事都要認(rèn)真、踏實(shí)地去做，無論成功與否，只要自己曾經(jīng)努力過，就可以無悔了，而你在做事過程中的經(jīng)歷是任何人都不會(huì)有的寶貴的財(cái)富。5 參考文獻(xiàn)1 謝自美.電子電路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測(cè)試.武昌：華中理工大學(xué)出版社，19942數(shù)字信號(hào)處理的原理和實(shí)現(xiàn) 第二版，劉泉 主編，武漢理工大學(xué)出版社3 數(shù)字信號(hào)處理教程 程佩青，清華大學(xué)出版社4 數(shù)字信號(hào)處理丁玉美、高西全編著，西安電子科技大學(xué)出版社5數(shù)理統(tǒng)計(jì)與MATLAB工程數(shù)據(jù)分析，王巖，隋思漣，王愛青，清華大學(xué)出版社附錄附錄原始信號(hào)的處理程序：x1,fs,bits=wavread('錄音.wav');sound(x1,

23、fs,bits);x1=x1(:,1);subplot(2,2,1);plot(x1); %做原始語音信號(hào)的時(shí)域圖形title('原始語音信號(hào)');grid on;xlabel('時(shí)間 n');ylabel('音量 n');y1=fft(x1);subplot(2,2,2);plot(abs(y1); %畫出原始的語音信號(hào)的頻譜圖title('原始信號(hào)的頻譜');grid on;延時(shí)和混響的處理程序：z=zeros(20000,1);x1;sound(z,fs,bits);subplot(2,2,3);plot(z);title(

24、'延時(shí)后的時(shí)域圖');grid on;Z=fft(z);y1=fftshift(Z);subplot(2,2,4);plot(abs(Z);title('延時(shí)后的頻域圖');grid on;y2=x1;zeros(20000,1);y3=y2+z; %混響后信號(hào)疊加（兩個(gè)信號(hào)必須長(zhǎng)度相等）sound(y3,fs,bits);figure;plot(y3);title('混響的時(shí)域圖');grid on ;Y3=fft(y3); %混響信號(hào)fft變換figure;plot(abs(Y3);title('混響后的頻域圖'); grid

25、 on;單回聲濾波器濾波：yy1=filter(1,zeros(1,20000),0.5,1, x1',zeros(1,20000);sound(yy1,fs,bits);figure;plot(yy1);title('單回聲濾波器時(shí)域波形'); grid onYY1=fft(yy1);figure;plot(abs(YY1);title('單回聲濾波器頻譜圖'); grid on;多重回聲濾波器濾波：yy1=filter(1,1,zeros(1,20000),0.7,x1',zeros(1,20000);sound(yy1,fs,bits);f

26、igure;plot(yy1);title('多重回聲濾波器時(shí)域波形'); grid onYY1=fft(yy1);figure;plot(abs(YY1);title('多重回聲濾波器頻譜圖'); grid on;無限回聲濾波器濾波：a=0.5;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,x1);sound(yy1,fs,bits);figure;plot(yy1);title('無限個(gè)回聲濾波器時(shí)域波形'); grid onYY1=fft(yy1);f