声音的延时和混响仿真_课程设计任务书.doc

课程设计任务书课程设计任务书 学生姓名 学生姓名 专业班级 专业班级 通通信信 0 09 90 06 6 班班 指导教师 指导教师 黄铮黄铮 工作单位 工作单位 信息工程学院信息工程学院 题题 目目 声音的延时和混响仿真声音的延时和混响仿真 初始条件初始条件 MATLAB 软件 电脑 要求完成的主要任务要求完成的主要任务 1 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 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 2 将信号加入延时和混响 并与原始信号频谱进行比较 3 设计单回声滤波器 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 用滤波器对语音信号进行滤波 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 4 回放语音信号 时间安排时间安排 序序 号号 阶段内容阶段内容所需时间所需时间 1 查阅资料2 天 2 各部分编程3 天 4 调试程序2 天 5 GUI 设计3 天 答辩1 天 合 计11 天 指导教师签名 指导教师签名 20122012 年年 月月 日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 2012 年年 月月 日日 武汉理工大学 信息群处理课程设计 报告 摘要 数字信号处理 Digital Signal Processing 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 GUI 武汉理工大学 信息群处理课程设计 报告 I Abstract Digital Signal Processing Digital Signal Processing technology from the 1960s along with the development of computer science and information science digital processing techniques have emerged and to rapid development Language is the communication of people to one of the main it has a direct natural and easy Voice is the language of the physical layer of expression Voice processing machines mainly for voice processing in order to achieve transmission automatic recognition machine understanding of other purposes For voice processing filtering sampling Fourier transform and spectral envelope extraction algorithm research discusses the implementation of DSP algorithms Matlab language is a widely used engineering calculation and numerical analysis of the field of new high level language Matlab powerful easy to learn programming and high efficiency Matlab also has a particular signal analysis toolbox need not have strong programming skills you can easily carry out signal analysis processing and design Keywords Speech signal processing Spectral analysis of MATLAB Filter Spectrum analysis Graphical User Interface 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 目 录 摘要 I ABSTRACT II 1 引言 5 1 1 简介 5 1 2 设计任务及要求 6 2 设计原理 7 2 1 语音信号的采样 7 2 2 时域分析 7 2 3 频域分析 8 2 4 延时 8 2 5 混响 9 2 6 滤波器的设计 10 2 7 图形用户界面的设计 10 3 设计步骤 12 3 1 总体设计流程图 12 3 2 详细设计 13 3 2 1 语音的录制 13 3 2 2 原始信号 13 3 2 3 延时 14 3 2 4 混响 15 3 2 5 单回声滤波器 17 3 2 6 多回声滤波器 18 3 2 7 无限回声滤波器 19 3 2 8 全通滤波器 21 4 图形用户界面的设计 23 4 1 GUI 布局 23 4 2 设置属性 23 4 3 编程 24 4 4 运行结果 24 5 总结 2 参考文献 3 附录 4 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 1 引言 1 1 简介 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 语音信号分析是语音信号处理的前提和基础 只有分析出可表示语音信号 本质特征的参数 才有可能利用这些参数进行高效的语音通信 语音合成和语 音识别等处理 而且 语音合成的音质好坏 语音识别率的高低 也都取决于 对语音信号分桥的准确性和精确性 因此语音信号分析在语音信号处理应用中 具有举足轻重的地位 根据所分析出的参数的性质的不同 可将语音信号分析 分为时域分析 频域分析 倒领域分析等 时域分析方法具有简单 计算量小 物理意义明确等优点 但由于语音信号最重要的感知特性反映在功率谱中 而 相位变化只起着很小的作用 所以相对于时域分析来说频域分析更为重要 本 文将简要介绍时域分析 频域分析 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 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 1 2 设计任务及要求 设计任务 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 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 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 2 设计原理 2 1 语音信号的采样 1 采样频率 采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样本 是描述声音文件的音质 音调 衡量声卡 声音文件的质量标准 采样频率越高 即采样的间隔时间越 短 则在单位时间内计算机得到的声音样本数据就越多 对声音波形的表示也 越精确 这就是说采样频率是衡量声卡采集 记录和还原声音文件的质量标准 2 采样位数 采样位数即采样值或取样值 用来衡量声音波动变化的参数 是指声卡在 采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数 采样频率是指录音 设备在一秒钟内对声音信号的采样次数 采样频率越高声音的还原就越真实越 自然 采样位数和采样率对于音频接口来说是最为重要的两个指标 也是选择音 频接口的两个重要标准 无论采样频率如何 理论上来说采样的位数决定了音 频数据最大的力度范围 每增加一个采样位数相当于力度范围增加了 6dB 采 样位数越多则捕捉到的信号越精确 对于采样率来说你可以想象它类似于一个 照相机 44 1kHz 意味着音频流进入计算机时计算机每秒会对其拍照达 441000 次 显然采样率越高 计算机摄取的图片越多 对于原始音频的还原也越加精 确 3 采样定理 在进行模拟 数字信号的转换过程中 当采样频率 fsmax 大于信号最高频率 fmax 的 2 倍时 即 fsmax 2fmax 则采样之后的数字信号完整地保留了原始 信号中的信息 一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的 5 10 倍 采 样定理又称奈奎斯特定理 1924 年奈奎斯特 Nyquist 就推导出 在理想低通信 道的最大码元传输速率 2W log2 N 其中 W 是理想低通信道的带宽 N 是电平强 度 2 2 时域分析 语音信号的时域分析就是分析和提取语音信号的时域参数 进行语音分析 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 时 最先接触到并且也是最直观的是它的时域波形 语音信号本身就是时域信 号 因而时域分析是最早使用 也是应用最广泛的一种分析方法 这种方法直 接利用语音信号的时域波形 时域分析通常用于最基本的参数分析及应用 如 语音的分割 预处理 大分类等 这种分析方法的特点是 表示语音信号比较直观 物理意义明确 实现起来比较简单 运算且少 可以得到语音的一些重要的参数 只使用示波器等通用设备 使用较为简单等 2 3 频域分析 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 1 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 2 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 3 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 函数abs x 用于计算复向量x的幅值 函数angle x 用于计算复向量的相角 以弧度表示 函数unwrap p 用于展开弧度相位角p 4 fftshift作用 将零频点移到频谱的中间 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 用法 Y fftshift X Y fftshift X dim 描述 fftshift移动零频点到频谱中间 重新排列fft fft2和fftn的输出结果 将零频点放到频谱的中间对于观察傅立叶变换是有用的 2 4 延时 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 FB Gain 即延时反馈的增益控制 反馈高频比 Hi Ratio 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 Ini Dly 指主延时电路预延时时间调整 均衡频率 EQ F 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 2 5 混响 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 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 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 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 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 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 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 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 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 调治深度 指上述调频电路的调治深度 2 6 滤波器的设计 单回声滤波器的系统函数 H z 1 2 1Rza a 1 无限个回声滤波器的系统函数 H z 1 2 1 RzaRz a 2 全通结构的混响器的系统函数 H z 1 2 1 RzaRza a 3 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 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 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 2 7 图形用户界面的设计 GUI Graphical User Interface 图形用户界面 是在图形界面下安排显示与用 户交互的组件元素 用户可以只通过键盘 鼠标和前台界面下的组件发生交互 而所有的计算 绘图等内部操作都封装在内部 提高了终端用户使用 MATLAB 程序的易用性 设计图形用户界面应遵循以下三个原则 简单性 Simplicity 一致性 Consistency 及习常性 Familiarity 1 简单性 设计界面时 应力求简洁 直接 清晰地体现出界面的功能和特征 设计 的图形界面要直观 为此应多采用图形 而间量避免数值 设计界面应间量减 少窗口数目 力避在不同窗口之间进行来回切换 2 一致性 所谓一致性有两层含义 一是读者自己开发的界面风格要尽量一致 二是 新设计的界面要与其他已有的界面的风格不要截然向左 3 习常性 设计界面时 应尽量使用人们所熟悉的标志与符号 用户可以根据熟悉标 志作出正确猜测 自学入门 4 其他考虑因素 注意界面的动态性能 如界面对用户操作的响应要迅速 Immediate 连续 Continous 对持续时间较长的运算 要给出等待时间提示 并允许用户中 断运算 图形用户界面的制作包括界面设计和程序实现 具体制作步骤如下 1 分析界面所要求实现的主要功能 明确设计任务 2 在稿纸上绘出界面草图 并站在使用者的角度来审查草图 3 按构思的草图 上机制作静态界面 并检查之 4 编写界面动态功能的程序 对功能进行逐项检查 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 3 设计步骤 3 1 总体设计流程图 图 3 1 总体设计流程图 用 luyin 程序录制一段 1s 左右 的 wav 格式的语音 并保存 用wavread 从电脑中导 入录制的语音信号 调用 fft 函数进行快速傅里叶变换 画出采样后语 音信号的时域波形与频谱图 并回放采样语音信 号 对采样信号延时 2000 两者相加 得到混响 分别画出延时和混响后语音信号的时域波形与 频谱图 并回放延时和混响后语音信号 a 单回声滤波 器 画出频 域响应 用 滤波器对语 音信号滤波 画出时域波 形与频谱图 回放语音信 号 b 多声滤波器 画出频域响应 用滤波器对语 音信号滤波 画出时域波形 与频谱图回放 语音信号 c 无限回声滤 波器 画出频 域响应 用滤 波器对语音信 号滤波 画出 时域波形与频 谱图回放语音 信号 D 全通滤波 器 画出频 域响应 用 滤波器对语 音信号滤波 画出时域波 形与频谱图 回放语音信 号 分析得到信号的频谱 比较回 放的声音 并对滤波前后的信 号进行对比 分析信号的变化 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 3 2 详细设计 3 2 1 语音的录制 运行程序 录制语音文件 文件名为 sound wav 程序 获取录音文件 pause fs 44100 声音的采样频率为 44 1Khz duration 3 录音时间为 3s fprintf 按任意键开始录音 1 n pause fprintf 录音中 n sd1 wavrecord duration fs fs 采样数为 132300 保存文件名为 sd1 wav fprintf 放音中 n wavplay sd1 fs fprintf 录音 1 播放完毕 n wavwrite sd1 fs sound1 wav 将录音文件保存为 WAV 格式的声音文件 3 2 2 原始信号 读取声音 画出采样后语音信号的时域波形与频谱图 并回放采样语音信号 程序 x1 fs bits wavread D sound1 wav 读取信号 采样值放在向量x中 fs表 示采样频率 Hz bits表示采样位数 x1 x1 1 只取单声道 sound x1 fs 对声音的回放 figure Subplot 211 plot x1 做原始语音信号的时域图形 title 原始语音信号的时域图 grid on xlabel 时间 n ylabel 音量 n 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 y1 fft x1 做length x1 点的FFT y1 fftshift y1 平移 是频率中心为0 derta fs fs length x1 设置频谱的间隔 分辨率 Subplot 212 plot fs 2 derta fs fs 2 derta fs abs y1 画出原始语音信号的频谱图 title 原始语音信号的频谱 grid on 运行结果 图3 2 原始语音信号的时域波形与频谱图 结果分析 采样点数为 132300 与时域波形结果吻合 由频谱可看出频率 较集中 有一点高频分量 是由于噪声的干扰引起的 3 2 3 延时 对原始语音信号延时 2000 画出延时后语音信号的时域波形与频谱图 并 回放延时后的语音信号 程序 延时的信号 x1 fs bits wavread D sound1 wav x1 x1 1 只取单声道 02468101214 x 10 4 1 0 5 0 0 5 1 个个 个个 个个 个个 个个 个个 n 个 个 n 3 2 10123 x 10 4 0 500 1000 1500 2000 个个 个个 个个 个个 个 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 z zeros 2000 1 x1 对声音延时2000 sound z fs figure 2 Subplot 211 plot z title 延时后的信号时域图 grid on 画出延时后的信号时域图 z fft x1 做length x1 点的FFT z fftshift z 平移 是频率中心为0 derta fs fs length z 设置频谱的间隔 分辨率 Subplot 212 plot fs 2 derta fs fs 2 derta fs abs z 画出延时后的信号频谱图 title 延时后的信号频谱图 grid on 运行结果 02468101214 x 10 4 1 0 5 0 0 5 1 个个 个个 个个 个个 个 3 2 10123 x 10 4 0 500 1000 1500 2000 个个 个个 个个 个个 个 图 3 3 延时后语音信号的时域波形与频谱图 结果分析 由运行结果可以看出 时域波形向右平移 频谱无变化 3 2 4 混响 调整原始采样信号的长度 将其与延时信号相加 就得到混响 画出混响 后语音信号的时域波形与频谱图 并回放延时后的语音信号 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 程序 混响后信号 x fs bits wavread D sound1 wav 读取语音信号 x x 1 只取单声道 z zeros 2000 1 x 对语音信号进行延时 x x zeros 2000 1 使语音信号与延时后信号同等长度 y1 x z 信号的混响 sound y1 fs 回放混响后的信号 figure 3 subplot 211 plot y1 title 混响的时域图 混响时域图 Y1 fft y1 做length y1 点的FFT Y1 fftshift Y1 平移 是频率中心为0 derta fs fs length y1 设置频谱的间隔 分辨率 Subplot 212 plot fs 2 derta fs fs 2 derta fs abs Y1 画出混响频谱图 title 混响的频谱图 grid on 运行结果 02468101214 x 10 4 1 0 5 0 0 5 1 个个 个个 个个 3 2 10123 x 10 4 0 1000 2000 3000 个个 个个 个个 图 3 4 混响后语音信号的时域波形与频谱图 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 结果分析 由运行结果可以看出 原始信号的延时声阵列非常密集 复杂 混响后时域波形音量增大了 各个脉冲变宽 语音信号的频谱展宽了 幅值增 大 回放的语音声音变得融合 能听到回音 3 2 5 单回声滤波器 用单回声滤波器对原始语音信号滤波 画出滤波后语音信号的时域波形与频 谱图 并回滤波时后的语音信号 程序 单回声滤波器 x fs bits wavread D sound1 wav 读取语音信号 x x 1 只取单声道 a 0 5 a取小于等于1 z zeros 2000 1 x 对语音信号进行延时 x x zeros 2000 1 使语音信号与延时后信号同等长度 y2 x z a 信号经单回声滤波 sound y2 fs 回放经单回声滤波器后的语音信号 figure subplot 211 plot y2 title 单回声滤波的信号时域图 Y2 fft y2 做length y2 点的FFT Y2 fftshift Y2 平移 是频率中心为0 derta fs fs length y2 设置频谱的间隔 分辨 率 Subplot 212 plot fs 2 derta fs fs 2 derta fs abs Y2 画出单回声信号频谱图 title 单回声滤波的信号频谱图 grid on 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 运行结果 02468101214 x 10 4 1 0 5 0 0 5 1 个个 个个 个个 个个 个个 个 3 2 10123 x 10 4 0 500 1000 1500 2000 个个 个个 个个 个个 个个 个 图 3 5 单回声滤波器滤波后信号的时域波形与频谱图 结果分析 由运行结果可以看出 时域波形的幅值变大 毛刺变多 频谱 的中心频率两边的频率分量展宽 幅值变大 回放的声音立体感变强 3 2 6 多回声滤波器 用多回声滤波器对原始语音信号滤波 画出滤波后语音信号的时域波形与频 谱图 并回滤波时后的语音信号 程序 多回声滤波器 x fs bits wavread D sound1 wav x1 x 1 变换为单声道语音信号 delay t 0 1 回声延迟时间 a 0 2 衰减系数 N 3 N阶延时 Bz 1 zeros fs delay t 1 N a N Az 1 zeros fs delay t 1 a 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 y filter Bz Az x1 sound y fs bits 回放经多回声滤波器后的语音信号 figure subplot 211 plot y title 多回声滤波的信号时域图 Y2 fft y 做length y 点的FFT Y2 fftshift Y2 平移 是频率中心为0 derta fs fs length y 设置频谱的间隔 分辨 率 Subplot 212 plot fs 2 derta fs fs 2 derta fs abs Y2 画出多回声信号频谱图 title 多回声滤波的信号频谱图 grid on 运行结果 02468101214 x 10 4 1 0 5 0 0 5 1 个个 个个 个个 个个 个个 个 3 2 10123 x 10 4 0 500 1000 1500 2000 个个 个个 个个 个个 个个 个 图 3 6 单回声滤波器滤波后信号的时域波形与频谱图 结果分析 由运行结果可以看出 时域波形的幅值变大 毛刺变得更多 频谱的中心频率幅值变大 回放的声音立体感变的更强 3 2 7 无限回声滤波器 用无限回声滤波器对原始语音信号滤波 画出滤波后语音信号的时域波形与 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 频谱图 并回滤波时后的语音信号 程序 无限回声滤波器 x fs bits wavread D sound1 wav 读取语音信号 x x 1 只取单声道 a 0 5 a取小于等于1 Bz 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 分子的系数 Az 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 a 分母的系数 yy1 filter Bz Az x FIR滤波器进行滤波 sound yy1 fs bits 回放经无限回声滤波器后的语音信号 figure 5 subplot 211 plot yy1 无限回声信号时域波形 title 无限个回声滤波的信号时域图 YY1 fft yy1 经无限回声滤波器后的信号做length yy1 点的 FFT YY1 fftshift YY1 平移 是频率中心为0 derta fs fs length yy1 设置频谱的间隔 分辨率 Subplot 212 plot fs 2 derta fs fs 2 derta fs abs YY1 无限回声频谱图 title 无限个回声滤波的信号频谱图 grid on 运行结果 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 02468101214 x 10 4 1 0 5 0 0 5 1 个个 个个 个个 个个 个个 个个 个 3 2 10123 x 10 4 0 1000 2000 3000 4000 个个 个个 个个 个个 个个 个个 个 图 3 7 无限回声滤波器滤波后信号的时域波形与频谱图 结果分析 由运行结果可以看出 时域波形的幅值变大 频谱的中心频率 不变 中心频率两边的频率分量变得密集 幅值变小 回放的声音变得清晰 音量变大 3 2 8 全通滤波器 用全通滤波器对原始语音信号滤波 画出滤波后语音信号的时域波形与频谱 图 并回滤波时后的语音信号 程序 全通结构的混响器 x fs bits wavread D sound1 wav 读取语音信号 x x 1 只取单声道 a 0 5 a取小于等于1 Bz1 a 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 分子的系数 Az1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 a 分母的系数 yy2 filter Bz1 Az1 x FIR滤波器进行滤波 sound yy2 fs bits 回放经全通结构的混响器后的语音信号 figure 6 subplot 211 plot yy2 title 全通滤波信号的时域图 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 全通结构的混响器时域波形 YY2 fft yy2 经全通滤波器后的信号做length yy2 点的 FFT YY2 fftshift YY2 平移 是频率中心为0 derta fs fs length yy2 设置频谱的间隔 分辨 率 Subplot 212 plot fs 2 derta fs fs 2 derta fs abs YY2 全通滤波信号的频谱图 title 全通滤波信号的频谱图 grid on 运行结果 02468101214 x 10 4 1 0 5 0 0 5 1 个个 个个 个个 个个 个个 3 2 10123 x 10 4 0 500 1000 1500 2000 个个 个个 个个 个个 个个 图 3 8 无限回声滤波器滤波后信号的时域波形与频谱图 结果分析 由运行结果可以看出 时域波形和频谱基本不变 回放的声音 跟原语音信号很接近 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 4 图形用户界面的设计 4 1 GUI 布局 在Matlab的主窗口中 选择File菜单中的New菜单项 再选择其中的GUI命令 就会就会显示GUI的设计模板 新建一个空白模板jiemian fig 就会显示GUI的 设计窗口 点击 和 分别放置按钮和坐标轴 放置结果如图4 1 图 4 1 GUI 布局 4 2 设置属性 按钮 Push Buttons 执行某种预定的功能或操作 其属性如图 4 2 Axes 属性为默认属性 如图 4 3 未指定时将使用系统缺省值 改变了的属性有 1 BackgroundColor 取值为颜色的预定义字符或 RGB 数值 缺省值为浅灰色 本设计为蓝色 2 String 取值为字符串矩阵或块数组 定义控件对象标题或选项内容 3 Tag 取值为字符串 定义了控件的标识值 在任何程序中都可以通过这个 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 标识值控制该控件对象 4 FontSize 取值为数值 图 4 2 按钮的属性 图 4 3 坐标轴的属性 4 3 编程 使用图形用户界面开发环境可方便地创建GUI应用程序 它可以根据设计 的GUI布局 自动生成M文件的框架 使用这一框架编制应用程序 将前面编 好的各个功能子程序分别编写到各个按钮的callback函数中 逐个调试 运行 M文件见附录 4 4 运行结果 图形用户界面的运行结果如图 4 4 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 图 4 4 GUI 运行结果 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 5 总结 通过本次课程设计 我收获了很多 一 我对 MATLAB 软件有了较深的了解 并且学会了用 MATLAB 对语音 信号进行分析和处理 这次课程设计 刚开始我无从下手 不知所措 后来经 过问同学 去图书馆资查料 上网查资料 看视频教程 逐渐了解了用 MATLAB 对语音信号进行分析和处理要用到的各种函数 及滤波器的设计及其 频率响应的绘制 并在调试过程不断出错的过程中 不断加强了对 MATLB 编 程的掌握程度 能够用 MATLB 对语音信号进行分析和处理 收获颇深 二 本次课程设计锻炼了我独立解决问题的能力 刚看到题目时我一点思 路也没有 到后来 自己不断探索 MATLB 不断摸索各个函数的使用方法和 格式 最后完成了本次课程设计 整个过程让我学会了发现问题 并独立解决 问题的方法 也能更好的利用网络学习知识 三 本次课程设计让我对语音信号的采样 延时 混响 滤波器的设计及 语音信号的分析有了更深的了解 并且巩固了数字信号处理所学的内容 了解 了通过 MATLAB 设计单回声滤波器 多重回声滤波器 无限个回声滤波器 全通结构的混响器的过程和方法 使所学的知识得到了综合运用与巩固 本次课程设计最重要的是让我学会了独立解决问题的方法 经过不断的学 习 出错 调试 改正 锻炼了我的耐心和毅力 让我体会到了不断探索的乐 趣 并体会到了付出后得到成功的激动 此次设计也让我发现了我的不足 对 MATLB 的掌握程度不够 在原来学习后 我对 MATLAB 的许多函数 属性的 用法还是不很了解 以后应当多多学习软件 辅助各门专业课的学习 并激发 对本专业的学习兴趣 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 参考文献 1 邹彦 DSP 原理及应用 第 1 版 电子工业出版社 2006 2 彭启琮等 DSP 技术的发展与应用 第二版 高等教育出版社 2007 3 刘泉 阙大顺 数字信号处理原理与实现 电子工业出版社 2005 4 张雄伟 DSP 集成开发与应用实例 第 1 版 电子工业出版社 2002 5 张洪涛等 数字信号处理 第一版 华中科技大学出版社 2007 6 杨述斌等 数字信号处理实践教程 第一版 华中科技大学出版社 2007 7 胡航 语音信号处理 哈尔滨工业大学出版社 2002 8 张威 MATLAB基础与编程入门 西安电子科技大学出版社 2006 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 附录 图形用户界面的M文件 function varargout jiemian varargin JIEMIAN M file for jiemian fig JIEMIAN by itself creates a new JIEMIAN or raises the existing singleton H JIEMIAN returns the handle to a new JIEMIAN or the handle to the existing singleton JIEMIAN CALLBACK hObject eventData handles calls the local function named CALLBACK in JIEMIAN M with the given input arguments JIEMIAN Property Value creates a new JIEMIAN or raises the existing singleton Starting from the left property value pairs are applied to the GUI before jiemian OpeningFcn gets called An unrecognized property name or invalid value makes property application stop All inputs are passed to jiemian OpeningFcn via varargin See GUI Options on GUIDE s Tools menu Choose GUI allows only one instance to run singleton See also GUIDE GUIDATA GUIHANDLES Edit the above text to modify the response to help jiemian Last Modified by GUIDE v2 5 02 Jul 2012 01 22 36 Begin initialization code DO NOT EDIT gui Singleton 1 gui State struct gui Name mfilename gui Singleton gui Singleton gui OpeningFcn jiemian OpeningFcn gui OutputFcn jiemian OutputFcn gui LayoutFcn 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 gui Callback if nargin end if nargout varargout 1 nargout gui mainfcn gui State varargin else gui mainfcn gui State varargin end End initialization code DO NOT EDIT Executes just before jiemian is made visible function jiemian OpeningFcn hObject eventdata handles varargin This function has no output args see OutputFcn hObject handle to figure eventdata reserved to be defined in a future version of MATLAB handles structure with handles and user data see GUIDATA varargin command line arguments to jiemian see VARARGIN Choose default command line output for jiemian handles output hObject Update handles structure guidata hObject handles UIWAIT makes jiemian wait for user response see UIRESUME uiwait handles figure1 Outputs from this function are returned to the command line function varargout jiemian OutputFcn hObject eventdata handles varargout cell array for returning output args see VARARGOUT hObject handle to figure eventdata reserved to be defined in a future version of MATLAB handles structure with handles and user data see GUIDATA 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 Get default command line output from handles structure varargout 1 handles output Executes on button press in caiyang function caiyang Callback hObject eventdata handles hObject handle to caiyang see GCBO eventdata reserved to be defined in a future version of MATLAB handles structure with handles and user data see GUIDATA x1 fs bits wavread D sound1 wav 读取信号 x1 x1 1 只取单声道 sound x1 fs 对声音的回放 axes handles axes1 plot x1 做原始语音信号的时域图形 title 原始语音信号的时域图 fontname 宋体 y1 fft x1 做length x1 点的FFT y1 fftshift y1 平移 是频率中心为0 derta fs fs length x1 设置频谱的间隔 分辨 率 axes handles axes2 plot fs 2 derta fs fs 2 derta fs abs y1 画出原始语音信号的频谱图 title 原始语音信号的频谱 fontname 宋体 Executes on button press in yanshi function yanshi Callback hObject eventdata handles hObject handle to yanshi see GCBO eventdata reserved to be defined in a future version of MATLAB handles structure with handles and user data see GUIDATA x1 fs bits wavread D sound1 wav x1 x1 1 只取单声道 武汉理工大学 信息群处理课程设计 课程设计说明书 20 z zeros 2000 1 x1 对声音延时2000 sound z fs axes handles axes3 plot z title 延时后的信号时域图 fontname 宋体 画出延时后的信号时域图 z fft x1 做length x1 点的 FFT z fftshift z 平移 是频率中心为0 derta fs fs length z 设置频谱的间隔 分