基于Matlab的語(yǔ)音濾波處理

1、 數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì) 基于matlab的語(yǔ)音信號(hào)處理 摘要利用所學(xué)習(xí)的數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)有趣的音效處理系統(tǒng)，首先設(shè)計(jì)了幾種不同的濾波器對(duì)聲音進(jìn)行濾波處理，分析了時(shí)域和頻域的變化，比較了經(jīng)過(guò)濾波處理后的聲音與原來(lái)的聲音有何變化。同時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音的倒放，變速播放，回響，音調(diào)轉(zhuǎn)換等處理效果，其中音調(diào)轉(zhuǎn)換部分使用了重新采樣改變基頻，再進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)規(guī)整的算法。基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)處理語(yǔ)音信號(hào)的采集 錄制或者截取一段音樂(lè)，時(shí)間在1分鐘左右，存為.wav的文件。然后利用wavread對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣。我們一共選擇了3段語(yǔ)音，其中 d.wav 真心英雄（周華?。新暎?man.wav我的歌

2、聲里（自己錄制）（男聲） girl.wav看的最遠(yuǎn)的地方（張韶涵）（女聲）語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析使用matlab畫出語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形;然后對(duì)語(yǔ)音號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換,得到信號(hào)的頻譜特性，畫出頻譜圖，分析頻率成分。這里我們分析的是d.wav，通過(guò)分析知道頻率分布在010KHz，主要分布在低頻。數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)這里我們?cè)O(shè)計(jì)了4種濾波器對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行處理，分別為橢圓低通濾波，橢圓高通濾波，等波紋逼近法FIR帶通濾波器，雙線性變換法切比雪夫數(shù)字高通濾波器，繪制出相應(yīng)的幅度、相位譜圖，濾波后的波形、頻譜圖。各濾波器的設(shè)計(jì)如下：橢圓低通濾波器：fb1 200 Hz,fc1 400 Hz,As100 dB,Ap1

3、dB橢圓高通濾波器：fc4 800 Hz,fb5 000 Hz As100 dB,Ap1 dB等波紋逼近法設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器fb11200Hz,fb23000Hz,fc11000Hz,fc23000Hz,As100dB,Ap1dB雙線性變換法切比雪夫數(shù)字高通濾波器fc4 800 Hz,fb5 000 Hz As100 dB,Ap1 dB 濾波處理后，我們用函數(shù)sound()可以對(duì)聲音進(jìn)行回放,調(diào)用格式：sound(x,fs,bits);感覺(jué)濾波前后的聲音。語(yǔ)音的低頻部分沉穩(wěn)，空間感較強(qiáng);中頻部分音質(zhì)一般;高頻部分音質(zhì)非常尖銳，略微有尖音。此外中高頻的幅度都不大，回放時(shí)音量較低。語(yǔ)音變速播放改

4、變語(yǔ)音的播放速度也就是改變采樣間隔（即改變了采樣頻率），但是這個(gè)頻實(shí)現(xiàn)率依然要在2f(Nyquist rate)之上，否則就會(huì)產(chǎn)生失真。%變速-慢放%w=0.9;M=w*fs; %w>1為快放，w<1為慢放sound(x,M,nbits);語(yǔ)音倒放 使用flipud()倒置語(yǔ)音矩陣，逆序輸出音頻即可?；仨懶Ч?回聲在時(shí)域上幅值減小了，頻域上的特征不變，只需要把原信號(hào)添加一個(gè)延時(shí)（delay）和對(duì)時(shí)域的幅度添加一個(gè)參數(shù).然后和原信號(hào)疊加即可獲得回響效果。實(shí)現(xiàn)男女聲轉(zhuǎn)換音效效果 我們使用另外寫的voice(x,f)函數(shù)實(shí)現(xiàn)音調(diào)轉(zhuǎn)換，x為需要轉(zhuǎn)換的聲音，通過(guò)抽取插值更改采樣率來(lái)改變基頻，

5、當(dāng)f>1時(shí)音調(diào)降低;f<1音調(diào)升高。然后再進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)整合使語(yǔ)音文件恢復(fù)原來(lái)的時(shí)長(zhǎng)。時(shí)長(zhǎng)整合使用重疊疊加算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)我們?cè)嚶?，轉(zhuǎn)換效果還是很好的?？偨Y(jié)體會(huì)通過(guò)對(duì)聲音信號(hào)的濾波處理，比較其前后變化，感受到了濾波器在聲音信號(hào)處理當(dāng)中的作用，同時(shí)在實(shí)踐中掌握了濾波器的基本設(shè)計(jì)方法，加深了對(duì)各種類型的數(shù)字濾波器特性的理解。我們通過(guò)對(duì)聲音的各種變換，產(chǎn)生了多種不同的音效，也體會(huì)到了語(yǔ)音處理的魅力。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)自己對(duì)Matlab的應(yīng)用還是不夠熟練，基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，花了不少時(shí)間編寫調(diào)試。代碼附錄%讀取聲音信號(hào)%y,fs,nbits=wavread('d'); %讀取聲

6、音文件x=y(:,1); %讀入的y矩陣有兩列,取第1列N=length(x);n=0:N-1;X= fft(x); %傅里葉變換Fs=2*fs; %2倍頻T=1/Fs;f=n/N*Fs; figure;subplot(2,1,1);plot(n,x); %聲音的時(shí)域波形title('原聲音的波形');xlabel('t/s');ylabel('magnitude');subplot(2,1,2);plot(f,abs(X); %聲音的頻譜title('原聲音的頻譜');xlabel('frequency/Hz')

7、;ylabel('magnitude'); % 濾波器設(shè)計(jì)% % 橢圓低通濾波器%fp1=1200;fs1=1400; %低通濾波器通帶截止頻率1200Hz和阻帶截止頻率1400Hzwp1=2*fp1/Fs; ws1=2*fs1/Fs;rp=1;as=100;N1,wp1=ellipord(wp1,ws1,rp,as); %計(jì)算橢圓低通模擬濾波器的階數(shù)和通帶邊界頻率B,A=ellip(N1,rp,as,wp1); %計(jì)算低通濾波器模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)系數(shù)y1=filter(B,A,x); %濾波器軟件實(shí)現(xiàn)% 低通濾波器繪圖部分% figure; freqz(B,A); figur

8、e; subplot(2,1,1); t=n*T; plot(t,y1); xlabel('t/s');ylabel('magnitude');title('低通濾波后的波形'); axis(0,t(end),min(y1),1.2*max(y1)%坐標(biāo)范圍 subplot(2,1,2); plot(f,abs(fft(y1);%橢圓高通濾波器% fp2=4800;fs2=5000; %高通濾波器通帶截止頻率5000Hz和阻帶截止頻率4800Hz wp2=2*fp2/Fs; ws2=2*fs2/Fs;rp=1;as=100; N2,wp2=ell

9、ipord(wp2,ws2,rp,as); B2,A2=ellip(N2,rp,as,wp2,'high'); %計(jì)算高通濾波器模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)系數(shù) y2=filter(B2,A2,x); %濾波器軟件實(shí)現(xiàn)% 高通濾波器繪圖部分% figure; freqz(B2,A2); figure; subplot(2,1,1); t=n*T; plot(t,y2); xlabel('t/s');ylabel('magnitude');title('高通濾波后的波形'); axis(0,t(end),min(y2),1.2*max(y2)

10、 subplot(2,1,2); plot(f,abs(fft(y2); %等波紋逼近法設(shè)計(jì)帶通濾波器及濾波I,fs,nbits=wavread('d');y=I(:,1);fp1=1200;fp2=3000;fc1=1000;fc2=3200;FS=2*fs;rp=1;rs=100;f=fc1,fp1,fp2,fc2;m=0,1,0;dat1=(10(rp/20)-1)/(10(rp/20)+1);dat2=10(-rs/20);rip=dat2,dat1,dat2;M,fo,mo,w=remezord(f,m,rip,FS);M=M+1;hn=remez(M,fo,mo,w

11、);figure(1);freqz(hn);Y=fft(y);y1=fftfilt(hn,y); %用remez設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行濾波Y1=fft(y1);n=0:length(y)-1;figure(2);subplot(221);plot(y);title('未濾波語(yǔ)音波形');subplot(222);plot(y1);title('等波紋逼近法濾波后語(yǔ)音波形');subplot(223);plot(n,Y);title('未濾波語(yǔ)音頻譜');subplot(224);plot(n,Y1);title('等波紋逼近法濾波后語(yǔ)音頻譜&#

12、39;);sound(y1,fs,nbits); %濾波后語(yǔ)音回放%cheby1設(shè)計(jì)模擬高通濾波器再經(jīng)雙線性變換法設(shè)計(jì)成數(shù)字高通濾波器fp=5000;fc=4800;rp=1;rs=100;FS=2*fs;wpz=2*pi*fp/FS;wsz=2*pi*fc/FS;wp=2*tan(wpz/2)*FS;ws=2*tan(wsz/2)*FS; %預(yù)畸校正轉(zhuǎn)換指標(biāo)N,wpo=cheb1ord(wp,ws,rp,rs,'s');BH,AH=cheby1(N,rp,wpo,'high','s');Bz,Az=bilinear(BH,AH,FS);w=0:

13、0.01*pi:pi;h,w=freqz(Bz,Az,w);plot(w/pi,20*log(abs(h),'k');axis(0,1,-800,100);xlabel('w/pi');ylabel('幅度/dB');grid;title('cheby1數(shù)字高通濾波器');Y=fft(y);y1=filter(Bz,Az,y); Y1=fft(y1);n=0:length(y)-1;figure(2);subplot(221);plot(y);title('未濾波語(yǔ)音波形');subplot(222);plot(y

14、1);title('cheby濾波后語(yǔ)音波形');subplot(223);plot(n,Y);title('未濾波語(yǔ)音頻譜');subplot(224);plot(n,Y1);title('cheby濾波后語(yǔ)音頻譜');sound(y1,fs,nbits); %濾波后語(yǔ)音回放 %播放聲音%sound(x,fs,nbits); %原聲sound(5*y1,fs,nbits); %低通sound(5*y2,fs,nbits); %高通 %變速-慢放%w=0.9;M=w*fs; %w>1為快放，w<1為慢放sound(x,M,nbits)

15、; %語(yǔ)音倒放%y0=flipud(x);sound(y0); %回聲%z=zeros(5000,1);x; %延時(shí)5000個(gè)點(diǎn)x1=x;zeros(5000,1); %使原聲音長(zhǎng)度與延時(shí)后相等y1=x1+0.4*z; %原聲+延時(shí)衰減figure;plot(y1);title('加入回聲的波形');sound(5*y1,fs,nbits); %調(diào)用函數(shù)voice()實(shí)現(xiàn)音調(diào)轉(zhuǎn)換% %男聲轉(zhuǎn)換為女聲%y,fs,nbits=wavread('man'); %讀取聲音文件x=y(:,1); %讀入的y矩陣有兩列,取第1列y1=voice(x,0.71); %調(diào)整vo

16、ice()第2個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)換音調(diào),>1降調(diào),<1升調(diào),y1為x轉(zhuǎn)換后的聲音N=length(x); M=length(y1);n=0:N-1; m=0:M-1;X= fft(x); Y=fft(y1); %傅里葉變換Fs=2*fs; %2倍頻T=1/Fs; T1=1/Fs*0.71;f=n/N*Fs; f1=m/M*Fs/0.71;t=n*T; t1=m*T1;figure;subplot(2,1,1);plot(t,x); xlabel('t/s');ylabel('magnitude');title('轉(zhuǎn)換前的波形');subplot

17、(2,1,2);plot(t1,y1); xlabel('t/s');ylabel('magnitude');title('轉(zhuǎn)換后的波形');figure;subplot(2,1,1);plot(f,abs(X); xlabel('frequency/Hz');ylabel('magnitude');title('轉(zhuǎn)換前的頻譜');subplot(2,1,2);plot(f1,abs(Y); xlabel('frequency/Hz');ylabel('magnitude&#

18、39;);title('轉(zhuǎn)換后的頻譜');sound(y1,fs,nbits); %女聲轉(zhuǎn)換為男聲%y,fs,nbits=wavread('girl'); %讀取聲音文件x=y(:,1); %讀入的y矩陣有兩列,取第1列sound(voice(x,1.3),fs,nbits);%調(diào)整voice()第2個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)換音調(diào),>1降調(diào),<1升調(diào)function Y=voice(x,f) %更改采樣率使基頻改變 f>1降低;f<1升高f=round(f*1000);d=resample(x,f,1000);%時(shí)長(zhǎng)整合使語(yǔ)音文件恢復(fù)原來(lái)時(shí)長(zhǎng) W=400; Wov=W/2; Kmax=W*2; Wsim=Wov; xdecim=8; kdecim=2; X=d' F=f/1000; Ss =W-Wov; xpts = size(X,2);ypts = round(xpts / F); Y = zeros(1, ypts); xfwin = (1:Wov)/(Wov+1); ovix = (1-Wov):0; newix = 1:(W-Wov);simix = (1:xdecim:Wsim) - Wsim; padX = zeros(1,