基于MATLAB的语音信号的延时和混响处理.docx
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基于MATLAB的语音信号的延时和混响处理.docx
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基于MATLAB的语音信号的延时和混响处理
设计任务书
摘要(中文)
数字信号处理(DigitalSignalProcessing)技术,从20世纪60年代以来,随着计算机科学和信息科学发展,数字处理技术应运而生并得以快速发展。
语言是人们进行信息沟通的主要方式之一,它具有直接、自然、方便等优点。
语音则是语言的物理层表达方式。
语音处理主要是对语音进行机器处理,以达到传输、自动识别、机器理解等目的。
进行了语音处理过程的滤波、采样、傅立叶变换和谱包络提取的算法实现研究,讨论了在算法的DSP实现方法,
Matlab语言是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言,Matlab功能强大、简单易学、编程效率高。
特别是Matlab还具有信号分析工具箱,不需具备很强的编程能力,就可以很方便地进行信号分析、处理和设计
关键词语音信号处理MATLAB语言滤波器频谱分析图形用户界面
摘要(英文)
DigitalSignalProcessing(DigitalSignalProcessing)technologyfromthe1960s,alongwiththedevelopmentofcomputerscienceandinformationscience,digitalprocessingtechniqueshaveemergedandtorapiddevelopment.Languageisthecommunicationofpeopletooneofthemain,ithasadirect,natural,andeasy.Voiceisthelanguageofthephysicallayerofexpression.Voiceprocessingmachinesmainlyforvoiceprocessing,inordertoachievetransmission,automaticrecognition,machineunderstandingofotherpurposes.Forvoiceprocessingfiltering,sampling,Fouriertransformandspectralenvelopeextractionalgorithmresearch,discussestheimplementationofDSPalgorithms,
Matlablanguageisawidelyusedengineeringcalculationandnumericalanalysisofthefieldofnewhigh-levellanguage,Matlabpowerful,easytolearn,programmingandhighefficiency.Matlabalsohasaparticularsignalanalysistoolbox,neednothavestrongprogrammingskills,youcaneasilycarryoutsignalanalysis,processinganddesign
KeywordsSpeechsignalprocessingSpectralanalysisofMATLABFilterSpectrumanalysisGraphicalUserInterface
1引言
数字信号处理主要是研究用数字或符号序列表示和处理信号。
处理的目的可以是削弱信号中的多余内容,滤除混杂的噪声和干扰,或者是将信号变换为容易分析和识别的形式,便于估计和选择它的特征参数。
声音信号是一维连续信号,而计算机只能处理离散信号。
为了从离散信号还原连续信号,根据采样定理,可以确定采样频率的最小值。
wav文件是一种数字声音文件格式,本课程设计基于Matlab分析了wav声音文件频谱与声音的关系。
通过采集个人的一段声音进行频谱分析等处理,然后设计数字滤波器处理这个原始声音的wav文件,并比较滤波以后输出声音信号与原声音信号的异同。
基于MATLAB的语音信号特技处理,其实质是针对于不同的滤波器性能的分析与比较。
对于滤波器的设计可以使用MATLAB中自带的工具,也可以通过编程或直接利用MATLAB中的函数库来实现。
2课程设计题目描述和要求
2.1设计内容
(1)利用Windows下的录音机或其他软件,录制一段自己的语音信号,时间控制在1s左右,并对录制的信号进行采样。
(2)语音信号的频谱分析,画出采样后语音信号的时域波形和频谱图。
(3)将信号加入延时和混响,再分析其频谱,并与原始信号频谱进行比较。
(4)设计几种特殊类型的滤波器:
单回声滤波器,多重回声滤波器,无限个回声滤波器,全通结构的混响器,并画出滤波器的频域响应。
(5)用自己设计的滤波器对采集的语音信号进行滤波。
(6)分析得到信号的频谱,画出滤波后信号的时域波形和频谱,并对滤波前后的信号进行对比,分析信号的变化。
(7)回放语音信号。
2.2设计要求
(1)熟悉离散信号和系统的时域特性。
(2)熟悉语音信号的特点。
(3)掌握数字信号处理的基本概念,基本理论和基本方法。
(4)掌握序列快速傅里叶变换方法。
(5)学会MATLAB的使用,掌握MATLAB的程序设计方法。
(6)掌握MATLAB设计各种数字滤波器的方法和对信号进行滤波的方法
3课程设计报告内容
3.1总体设计
3.1.1设计的总体方案图
3.1.2程序流程图
3.2详细设计过程
3.2.1混响与延时
混响效果主要是用于增加音源的融合感。
自然音源的延时声阵列非常密集、复杂,所以模拟混响效果的程序也复杂多变。
常见参数有以下几种:
(1)混响时间:
能逼真的模拟自然混响的数码混响器上都有一套复杂的程序,其上虽然有很多技术参数可调,然而对这些技术参数的调整都不会比原有的效果更为自然,尤其是混响时间。
(2)高频滚降:
此项参数用于模拟自然混响当中,空气对高频的吸收效应,以产生较为自然的混响效果。
一般高频混降的可调范围为0.1~1.0。
此值较高时,混响效果也较接近自然混响;此值较低时,混响效果则较清澈。
(3)扩散度:
此项参数可调整混响声阵密度的增长速度,其可调范围为0~10,其值较高时,混响效果比较丰厚、温暖;其值较低时,混响效果则较空旷、冷僻。
(4)预延时:
自然混响声阵的建立都会延迟一段时间,预延时即为模拟次效应而设置。
(5)声阵密度:
此项参数可调整声阵的密度,其值较高时,混响效果较为温暖,但有明显的声染色;其值较低时,混响效果较深邃,切声染色也较弱。
(6)频率调制:
这是一项技术性的参数,因为电子混响的声阵密度比自然混响稀疏,为了使混响的声音比较平滑、连贯,需要对混响声阵列的延时时间进行调制。
此项技术可以有效的消除延时声阵列的段裂声,可以增加混响声的柔和感。
(7)调治深度:
指上述调频电路的调治深度。
延时就是将音源延迟一段时间后,再欲播放的效果处理。
依其延迟时间的不同,可分别产生合唱、镶边、回音等效果。
当延迟时间在3~35ms之间时人耳感觉不到滞后音的存在,并且他与原音源叠加后,会因其相位干涉而产生"梳状滤波"效应,这就是镶边效果。
如果延迟时间在50ms以上时,其延迟音就清晰可辨,此时的处理效果才是回音。
回音处理一般都是用于产生简单的混响效果。
延时、合唱、镶边、回音等效果的可调参数都差不多,具体有以下几项:
延时时间(Dly),即主延时电路的延时时间调整。
反馈增益(FBGain),即延时反馈的增益控制。
反馈高频比(HiRatio),即反馈回路上的高频衰减控制。
调制频率(Freq),指主延时的调频周期。
调制深度(Depth),指上述调频电路的调制深度。
高频增益(HF),指高频均衡控制。
预延时(IniDly),指主延时电路预延时时间调整。
均衡频率(EQF),这里的频率均衡用于音色调整,此为均衡的中点频率选择。
由于延时产生的效果都比较复杂多变,如果不是效果处理专家,建议使用设备提供的预置参数,因为这些预置参数给出的处理效果一般都比较好。
3.2.2离散傅立叶变换
在MATLAB的信号处理工具箱中函数FFT和IFFT用于快速傅立叶变换和逆变换。
下面介绍这些函数。
函数FFT用于序列快速傅立叶变换。
函数的一种调用格式为 y=fft(x)
其中,x是序列,y是序列的FFT,x可以为一向量或矩阵,若x为一向量,y是x的FFT。
且和x相同长度。
若x为一矩阵,则y是对矩阵的每一列向量进行FFT。
如果x长度是2的幂次方,函数fft执行高速基-2FFT算法;否则fft执行一种混合基的离散傅立叶变换算法,计算速度较慢。
函数FFT的另一种调用格式为 y=fft(x,N)
式中,x,y意义同前,N为正整数。
函数执行N点的FFT。
若x为向量且长度小于N,则函数将x补零至长度N。
若向量x的长度大于N,则函数截短x使之长度为N。
若x为矩阵,按相同方法对x进行处理。
经函数fft求得的序列y一般是复序列,通常要求其幅值和相位。
MATLAB提供求复数的幅值和相位函数:
abs,angle,这些函数一般和FFT同时使用。
用MATLAB工具箱函数fft进行频谱分析时需注意:
(1) 函数fft返回值y的数据结构对称性。
(2) 频率计算。
(3) 作FFT分析时,幅值大小与FFT选择点数有关,但不影响分析结果。
3.2.3滤波器设计
单回声滤波器的系统函数:
H(z)=<1
无限个回声滤波器的系统函数:
H(z)=<1
全通结构的混响器的系统函数:
H(z)=<1
函数filter
函数filter的调用格式为 y=filter(b,a,x)
该格式采用数字滤波器对数据进行滤波,既可以用于IIR滤波器,也可以用于FIR滤波器。
其中向量b和a分别表示系统函数的分子、分母多项式的系数,若a=1,此时表示FIR滤波器,否则就是IIR滤波器。
该函数是利用给出的向量b和a,对x中的数据进行滤波,结果放入向量y。
3.2.4图形用户界面设计
图形用户界面GUI(GraphicsUserInterface)是由各种图形对象,如图形窗口、图轴、菜单、按钮、文本框等构建的用户界面,是人机交流信息的工具和方法。
GUI设计即可以基本的MATLAB程序设计为主,也可以鼠标为主利用GUIDE工具进行设计。
GUIDE(GraphicsUserInterfaceDesignEnviron2ment)是一个专用于GUI程序设计的快速开发环境,使用者通过鼠标就能迅速地产生各种GUI控件,并随心所欲地改变它们的外形、大小及颜色等,从而帮助用户方便地设计出各种符合要求的图形用户界面。
调用GUIDE的方法有2种,在MATLAB命令窗口中输入guide命令,或在MATLAB主菜单中点击File→New→GUI即可打开一个可编辑的新窗口。
在GUIDE设计环境中,需要用到的工具有属性编辑器、控件布置编辑器、菜单编辑器、对象浏览器、网格标尺设置编辑器以及GUI应用属性设置编辑器等。
GUI设计面板是GUI设计工具应用的平台,面板上部提供了菜单和常用工具按钮,左边提供了多种GUI控件,如按钮、单选按钮、复选框、文本框等。
进行GUI设计时,首先单击GUI面板左边所需的控件,然后在右边的图形界面编
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- 关 键 词:
- 基于 MATLAB 语音 信号 延时 混响 处理