數(shù)字變聲器的設(shè)計-蘭州理工大學(xué)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上*實踐教學(xué) *蘭州理工大學(xué)計算機與通信學(xué)院 2012年春季學(xué)期計算機通信與網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計題 目： 數(shù)字變聲器設(shè)計 專業(yè)班級： 通信工程一班 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 藺 瑩 成 績： 摘要變聲器的原理是通過改變輸入聲音頻率，進而改變聲音的音色、音調(diào)，使輸出聲音在感官上與原聲音不同。變聲器是借助對聲音音色和音調(diào)的雙重復(fù)合改變，實現(xiàn)輸出聲音的改變。通過自己發(fā)聲，共振峰頻率的改變是基于重采樣實現(xiàn)的。目前，語音偽裝系統(tǒng)（變聲器）被廣泛應(yīng)用于社會的各個領(lǐng)域。語音偽裝設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)在以下幾個方面：為了防止打擊報復(fù)，保護舉報人的人身安全的匿名舉報系統(tǒng)；記者采訪時對采訪對象聲音的處

2、理，保護被采訪人的安全；應(yīng)用于電臺或電視臺，可對熱線電話進行聲音的處理。獨居女士和小孩；可用變聲器應(yīng)付騷擾電話和陌生人來訪。另外，在智能手機或者平板電腦等便攜式移動終端中利用變聲器開發(fā)的小游戲等。因此，變聲器的應(yīng)用范圍及其廣泛。關(guān)鍵字：變聲器 共振峰頻率 語音偽裝 目錄第一章 數(shù)字變聲器概述1.1變聲器定義變聲器是通過改變輸入音頻的音色、音調(diào)，將變聲后的音頻輸出的工具。根據(jù)變聲器材質(zhì)不同，變聲器分為變聲器硬件和變聲器。變聲器硬件，即通過硬件實現(xiàn)變聲的工具，譬如，知名動畫名偵探柯南中，柯南偵破案件時扮演時，使用的蝴蝶結(jié)，就是一種變聲器，柯南正是通過這一蝴蝶結(jié)，模擬成毛利小五郎的聲音，進行案件偵破

3、的，這一變聲器可稱之為。變聲器軟件，即通過軟件實現(xiàn)變聲的工具，軟件類變聲器，運行平臺皆為。1.2變聲器原理概述無論是硬件變聲器，還是變聲器，其原理都是，通過改變輸入聲音頻率，進而改變聲音的音色、音調(diào)，使輸出聲音在感官上與原聲音不同。我們每個人的聲音不同，源于我們的每個人的音色和音調(diào)不同，我們所說的男中音、男高音，就是音調(diào)的不同，而即便音調(diào)一致，我們依然能區(qū)分出兩個不同人的聲音，或不同樂器的聲音，這就是音色的不同。變聲器，正是借助對聲音音色和音調(diào)的雙重復(fù)合改變，實現(xiàn)輸出聲音的改變。共振峰頻率的改變是基于重采樣實現(xiàn)的，從重采樣原理知道，這也同時引發(fā)了基頻的變化，為保證基頻變化和共振峰頻率變化的獨立

4、、互不相關(guān)，在基頻移動時必須考慮抵消重采樣帶來的偏移，理論上只要基頻檢測足夠精確，確實可以保證基頻改變和共振峰頻率改變間的互不相關(guān)。保證變聲效果的自然度主要是沒有采用基音檢測將基音移動和共振峰變化徹底隔離的緣故。重采樣使得信號的樣本數(shù)目增加或減少，若以不變的采樣頻率播放，速度會變慢或變快，因此需要進行保持聲調(diào)不變的變速處理（變速不變調(diào)），恢復(fù)到原來的樣本數(shù)目。同時為了改變信號的基頻，還必須對信號進行變調(diào)處理即基頻移動，在運用變調(diào)因子時，必須抵消重采樣引起的基頻變化。第二章 變聲器原理及實現(xiàn)2.1基本原理語音科學(xué)家將人類發(fā)聲過程視作一個由聲門源輸送的氣流經(jīng)以聲道、口、鼻腔組成的濾波器調(diào)制而成的。

5、人類語音可分為有聲語音和無聲語音，前者是由聲帶振動激勵的脈沖信號經(jīng)聲腔調(diào)制變成不同的音，它是人類語言中元音的基礎(chǔ)，聲帶振動的頻率稱為基頻。無聲語音則是聲帶保持開啟狀態(tài)，禁止振動引發(fā)的。一般來說，由聲門振動決定的基頻跟說話人的性別特征有關(guān)，如下表，而無聲語音則沒有體現(xiàn)這個特征。說話人的個性化音色和語音的另外一個聲學(xué)參數(shù)共振峰頻率的分布有關(guān)。兒童由于聲道短，其共振峰頻率高于成年人，成年女性的聲道一般短于成年男性，所以女性的共振峰頻率一般高于男性。 表2.1 男聲、女聲和童聲基頻、共振峰頻率關(guān)系表人群基頻分布Hz共振峰頻率分布男聲50, 180偏低女聲160, 380中童聲400, 1000偏高由上

6、可知，在進行性別變聲時，主要考慮基頻和共振峰頻率的變化。當基頻伸展，共振峰頻率也同時伸展時，可由男聲變成女聲，女聲變成童聲；反之，基頻收縮，共振峰頻率也同時收縮時，則由童聲變女聲，女聲變男聲。為了獲得自然度、真實感較好的變聲效果，基頻和共振峰頻率通常必須各自獨立地伸縮變化如圖2.1。 圖2.1 基頻和共振峰頻率分布的變化共振峰頻率的改變是基于重采樣實現(xiàn)的，從重采樣原理知道，這也同時引發(fā)了基頻的變化，為保證基頻變化和共振峰頻率變化的獨立、互不相關(guān)，在基頻移動時必須考慮抵消重采樣帶來的偏移，理論上只要基頻檢測足夠精確，確實可以保證基頻改變和共振峰頻率改變間的互不相關(guān)。2.2數(shù)字變聲器的實現(xiàn)進行頻譜

7、分析實現(xiàn)快、慢放語音信號讀入 改變基頻變聲進行濾波處理語音信號恢復(fù)頻率 圖2.2語音處理實現(xiàn)框圖實現(xiàn)步驟：1）語音信號的錄制與讀入。2）語音信號的頻譜分析。3）實現(xiàn)慢錄快放和快錄慢放功能4）設(shè)計數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應(yīng)。5）用濾波器對信號進行濾波。6）比較濾波前后語音信號的波形及頻譜。7）通過搬移、改變基波頻率實現(xiàn)變聲。8）語音信號恢復(fù)。9）在MATLAB下繪制出各個部分的輸出波形，前后對比。2.3數(shù)字變聲器的MATLAB實現(xiàn)各部分程序如下：%讀取聲音信號并處理x,fs=wavread('gg'); %讀聲音文件 N=length(x);n=0:N-1;X= fft(x);

8、%讀入音頻傅里葉變換Fs=1*fs; T=1/Fs;f=n/N*Fs; %點數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率figure(1); subplot(2,1,1);plot(n,x); %畫出原聲音信號title('原聲音信號')ylabel('Y');xlabel('X'); subplot(2,1,2);plot(f,abs(X); %原聲音信號的幅度譜title('語音的幅度譜');ylabel('Y');xlabel('X');sound(x,fs); %提速處理與播放w=1.6;M=w*fs; %1.6被語速的快

9、放sound(x,M); %減速處理與播放w=0.6;M=w*fs; %0.6被語速的慢放sound(x,M); %語音信號恢復(fù)s=ifft(X);figure(2) subplot(2,1,2);plot(s); %恢復(fù)的語音信號title('恢復(fù)的語音信號');ylabel('Y');xlabel('X'); subplot(2,1,1);plot(x); %恢復(fù)的語音信號title('讀入的語音信號');ylabel('Y');xlabel('X'); %低通濾波器的設(shè)計fp1=1200;fs

10、1=1500; %設(shè)定低通濾波器通帶截止頻率和阻帶截止頻率wp1=2*fp1/Fs; ws1=2*fs1/Fs;rp=1;as=100;N1,wp1=ellipord(wp1,ws1,rp,as); %計算低通濾波器階數(shù)和通帶邊界頻率B,A=ellip(N1,rp,as,wp1); %計算低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)系數(shù)y1=filter(B,A,x); %濾波器軟件實現(xiàn)Y1=abs(fft(y1); %低通濾波器設(shè)計與輸出 figure(3) subplot(2,1,1);t=n*T;plot(t,y1);title('濾波后的音頻信號');xlabel('X');yl

11、abel('Y');subplot(2,1,2);plot(f,abs(fft(y1);title('濾波后的幅度譜');xlabel('X');ylabel('Y');sound(y1,fs); %男聲變童聲y2,fs=wavread('gg'); p=fft(y2);xaa=p;N=500;pa=0.3*xaa(1:N),2.5*xaa(1:),0.3*xaa(1:N);Y1=3*real(ifft(pa);figure(4) subplot(2,1,2);plot(Y1); %變聲后的音頻輸出title(&#

12、39;變聲后的音頻輸出');xlabel('X');ylabel('Y'); sound(Y1,fs); subplot(2,1,1);plot(x); %讀入的原始音頻title('讀入的原始音頻');xlabel('X');ylabel('Y');figure(5) subplot(2,1,1);plot(abs(X); %原始音頻的幅度譜title('原始音頻的幅度譜');xlabel('X'); ylabel('Y');subplot(2,1,2);p

13、lot(abs(pa); %變聲后的幅度譜title('變聲后的幅度譜');xlabel('X');ylabel('Y'); %男聲變老人聲y2,fs=wavread('gg'); p=fft(y2);xaa=p;N=500;pa=0.3*xaa(1:N),2.5*xaa(1:),0.3*xaa(1:N);Y1=3*real(ifft(pa);figure(6) subplot(2,1,2);plot(Y1); %變聲后的音頻輸出title('變聲后的音頻輸出');xlabel('X');ylabe

14、l('Y'); sound(Y1,fs); subplot(2,1,1);plot(x); %讀入的原始音頻title('讀入的原始音頻'); xlabel('X');ylabel('Y');figure(7) subplot(2,1,1);plot(abs(X); %原始音頻的幅度譜title('原始音頻的幅度譜');xlabel('X'); ylabel('Y');subplot(2,1,2);plot(abs(pa); %變聲后的幅度譜title('變聲后的幅度譜

15、9;);xlabel('X');ylabel('Y'); %女聲變男聲y5,fs=wavread('cc'); p=fft(y5);xaa=p;N=100;pa=0.1*xaa(1:3*N),1.2*xaa(1:),0.1*xaa(1:100*N);Y3=1*real(ifft(pa);figure(8) subplot(2,1,1);plot(y5);title('讀入的原始音頻');xlabel('X');ylabel('Y'); subplot(2,1,2);plot(Y3); %變聲后的音頻

16、輸出xlabel('X');ylabel('Y'); sound(y5,fs);sound(10*Y3,fs); 2.4仿真結(jié)果及分析(1) 原始與恢復(fù)音頻對比 圖2.3原始與恢復(fù)音頻對比 采集到的男子聲音信號大都分布在較低的頻段上，即男子話音的基頻較低。（2）濾波前后波形對比 圖2.4濾波前后波形對比 信號經(jīng)過濾波器處理后，保留了有效的頻率成分，一定程度上去除了干擾信號。 （3）男聲變童聲后音頻對比 圖2.5男聲變童聲后音頻對比 變聲前后，音頻信號的時域波形被壓縮，總體形狀無太大變化。 （4）男聲變童聲后頻譜對比 圖2.6男生變童聲后頻譜對比 改變信號的基頻可

17、以實現(xiàn)語音的變調(diào)。零頻附近的信號被削弱，而對應(yīng)于 【10000，24000】頻點部分的信號得到加強（5）男聲變老人聲音音頻對比 圖2.7男聲變老人聲音音頻對比 男聲變老人聲前后，音頻的時域波形被展寬，總體形狀變化不大。（6） 男聲變老人聲頻譜對比 圖2.8男聲變老人聲頻譜對比男聲變老人聲前后聲音的高頻成分被削弱，而低頻成分得到加強。【0，18000】頻點對應(yīng)的信號得以加強，【18000，30000】頻點對應(yīng)的信號則被削弱。 （7）女聲變男聲后音頻對比 圖2.9女聲變男聲后音頻對比由上圖可知，女聲變男聲后音頻信號的時域波形被展寬，信號的總體形狀無太大變化。2.5結(jié)果分析1、采集到的男子聲音信號大

18、都分布在較低的頻段上，而女子的聲音信號大都分布在較高的頻段上。即男子話音的基頻較低，女子的話音基頻較高。2、信號經(jīng)過濾波器處理后，保留了有效的頻率成分，一定程度上去除了干擾信號。對于男子的聲音影響較小，原因為男子的話音有用信號大都分布在較低的頻段上，通過低通濾波器后，噪聲等無用信號被濾除。3、改變信號的基頻可以實現(xiàn)語音的變調(diào)。變聲前后，音頻的時域波形基本變化不大，而信號的頻域波形發(fā)生較大變動。男聲變女聲后信號的頻譜被搬到較高的頻帶上，男聲變童音后，信號的頻譜被搬移到更高的地方。女聲變男聲則反過來。4、通過改變輸出頻率，可以實現(xiàn)聲音的提速或減速播放。將頻率過大，輸出為提速效果，將頻率乘以小于一的

19、數(shù)后，可以實現(xiàn)減速播放效果。5、男聲變老人的聲音可以通過變速實現(xiàn)，變速不變調(diào)。改變輸出速度而不用改變聲音頻率。第三章 課設(shè)總結(jié)此次課設(shè)題目為數(shù)字變聲器設(shè)計，要求我們利用所學(xué)的信號處理、MATLAB知識完成任務(wù)。綜合了過去三年所學(xué)的重要專業(yè)知識，可謂是對過去所學(xué)知識的一次全面考察。變聲器的原理是通過改變輸入聲音頻率，進而改變聲音的音色、音調(diào)，使輸出聲音在感官上與原聲音不同。變聲器是借助對聲音音色和音調(diào)的雙重復(fù)合改變，實現(xiàn)輸出聲音的改變。通過自己發(fā)聲，共振峰頻率的改變是基于重采樣實現(xiàn)的。接到課題后，我便積極準備，到圖書館查閱相關(guān)書籍，上網(wǎng)搜索有關(guān)內(nèi)容，利用MATLAB實現(xiàn)仿真，并及時向指導(dǎo)老師回報

20、進度，聽取老師的意見和建議。最終，順利完成了此次課設(shè)任務(wù)。采集到的男子聲音信號大都分布在較低的頻段上，而女子的聲音信號大都分布在較高的頻段上。即男子話音的基頻較低，女子的話音基頻較高。信號經(jīng)過濾波器處理后，保留了有效的頻率成分，一定程度上去除了干擾信號。對于男子的聲音影響較小，原因為男子的話音有用信號大都分布在較低的頻段上，通過低通濾波器后，噪聲等無用信號被濾除。改變信號的基頻可以實現(xiàn)語音的變調(diào)。變聲前后，音頻的時域波形基本變化不大，而信號的頻域波形發(fā)生較大變動。男聲變女聲后信號的頻譜被搬到較高的頻帶上，男聲變童音后，信號的頻譜被搬移到更高的地方。女聲變男聲則反過來。通過改變輸出頻率，可以實現(xiàn)

21、聲音的提速或減速播放。將頻率乘以大于一的數(shù)后，可以實現(xiàn)減速播放效果。將頻率乘以（0，1）內(nèi)的數(shù)后，可以實現(xiàn)減速播放效果。男聲變老人的聲音可以通過變速實現(xiàn)，變速不變調(diào)。改變輸出速度而不用改變聲音頻率。通過這次課設(shè)，我對理論知識的掌握更加牢固，而且把理論與實踐聯(lián)系在一起，提高了自己的實踐能力。而且我認識到了同學(xué)之間的相互合作的重要性，還提高了自己如何在眾多的資料中找到對自己有用的信息。要想把所學(xué)的內(nèi)容融會貫通，只學(xué)好課本知識是不夠的，要把所學(xué)習(xí)的知識加以利用，這次課設(shè)就給了我們很好的機會，讓我們不僅鞏固了課本知識，還從理論上升到了實際。從課題的中心來看，課題是希望將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用于某一實際領(lǐng)域，這里就是指對語音的處理。作為存儲于計算機中的語音信號，其本身就是離散化了的向量，我們只需將這些離散的量提取出來，就可以對其進行處理了。在這里，用到了處理數(shù)字信號的強有力工具MATLAB，通過MATLAB里幾個命令函數(shù)的調(diào)用，很輕易的在實際化語音與數(shù)字信號的理論之間搭了一座橋。通過這次的課程設(shè)計，熟悉并掌握了MATLAB 中有關(guān)語音信號的讀取，頻譜分析，頻譜的搬移和基頻、語速的改變來實現(xiàn)變聲，分析其頻譜，并與原始信號頻譜進行比較。 參考文獻1 高西全、丁玉美編著.數(shù)字信號處理.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008