数字变声器设计方案

基于 FFT 算法的数字变声器 201242216 河北北方学院宣化教学部 河北宣化 075100 摘 要 本数字变声器是实现男声变女声和女声变男声以及变成童声的系统 设计 本数字变声器的目的是锻炼自己的学习实践能力 通过 matlab 编写程序修改语音参数来实 现男声女声之间的变换 关键词 变音算法 数字滤波器 语音信号 数字滤波器 频谱分析 MATLAB 1 1 引言引言 变声器在现实生活中应用广泛 变声器是通过改变输入音频的音色 音调 并将变声后 的音频输出的工具 根据变声器材质不同 变声器分为变声器硬件和变声器软件 变声器 硬件 即通过硬件实现变声的工具 变声器软件 即通过软件实现变声的工具 软件类变 声器 运行平台皆为电脑系统 无论是硬件变声器 还是软件变声器 其原理都是 通过 改变输入声音频率 进而改变声音的音色 音调 使输出声音在感官上与原声音不同 我 们每个人的声音不同 源于我们的每个人的音色和音调不同 我们所说的男中音 男高音 就是音调的不同 而即便音调一致 我们依然能区分出两个不同人的声音 或不同乐器的 声音 这就是音色的不同 变声器 正是借助对声音音色和音调的双重复合改变 实现输 出声音的改变 我们这里的变声器就是 matlab 来实现变声 2 2 数字变声器的原理和算法数字变声器的原理和算法 发音方法 发音时 喉头 口腔 鼻腔节制气流的方式和状态 包括发音时构成阻碍 和克服阻碍的方式 气流强弱的情况及声带是否振动等几个方面 人类语音可分为有 380 声语音和无声语音 前者是由声带振动激励的脉冲信号经声腔调制变成不同的音 它是人 类语言中元音的基础 声带振动的频率称为基频 无声语音则是声带保持开启状态 禁止 振动引发的 一般来说 由声门振动决定的基频跟说话人的性别特征有关 如下表 而无 声语音则没有体现这个特征 说话人的个性化音色和语音的另外一个声学参数 共振峰 频率的分布有关 儿童由于声道短 其共振峰频率高于成年人 成年女性的声道一般短于 成年男性 所以女性的共振峰频率一般高于男性 本实验是基于男生录制的声音进行相关 参数提取 修改接近于女声 童声 老人声 并实现了音调的高低与速度的快慢 1 变声原 理 在进行性别变声时 主要考虑基音周期 基频和共振峰频率的变化 基音周期改变时 基频 共振峰同时变化 若伸展既有男变女 女变童 反之亦可 本实验是基于男生录制 的声音进行相关参数提取 修改接近于女声 实现男声到女声的变换 音段特征 描述的是语音的音色特征 特征参数主要包括基音频率 共振峰位置 共振峰带宽 基音频率 能量等 超音段特征 描述的是语音的韵律特征 特征参数主要包括因素的时 长 基音频率的变化 音调 能量等 语言特征 包括习惯用语 方言 口音等 基音是指发浊音时声带振 动所引起的周期性 而基音周期是指声带振动频率的倒数 基音周期是语音信号最重 要的参数之一 它描述了语音激励源的一个重要特征 不同的人以及同一个人在不同的年 龄时期有不同的基音周期 人唱歌时 其基音频率范围大约是 童声高音频率范围为 260 880Hz 低音频率范围为 196 700Hz 女声高音频率范围为 220 1 1KHz 低音频率范围 为 200 700Hz 男声高音频率范围为 160 523Hz 低音频率范围为 80 358Hz 此外 基 音的变化模式称为声调 它携带着非常重要的具有辨意作用的信息 先就如何实时地通过 基音频率的变化来实现语声变声 进行讨论 Matlab 实现算法 男声 基频分布 hz 50 180 共振峰频率分布 偏低 人群 女声 基频分布 hz 160 380 共振峰频率分布 中 提取参数 1 语音时变傅里叶变换为 n jwnjw enxeX 在低通滤波时 采用巴特沃斯滤波器 2 构建巴特沃斯低通滤波器 根据人的说话特征设定相应指标参数 对本段语音设计算出巴特沃斯模拟滤波器的阶 数 截止频率 归一化低通原型系统函数 本段语音设计算出巴特沃斯模拟滤波器的阶数 N 为 5 3dB 截止频率 算出为 0 175 归一化低通原型系统函数为 其中 将带人中 得到低通滤波器 各种理想数字滤波器的幅度频率响应 流程图 准备 查看变声器和声音的相关资 料 收集声音 进行波形分析 傅里叶变换 构建巴特沃斯低通滤 波器 用matlab进行程序设 计 构建GUI界面 打开声音文件男声女声 变女声变男声 3 3 数字变声器的软件实现与仿真结果数字变声器的软件实现与仿真结果 代码部分 选择音频文件 filename pathname uigetfile wav ALL FILES select voice file if isequal filename pathname 0 0 return end str pathname filename temp Fs audioread str temp1 resample temp 80 441 handles y1 temp handles y temp1 handles Fs Fs guidata hObject handles 原音播放 c handles Fs sound handles y1 c plot handles axes1 handles y1 title handles axes1 时域图 ysize size handles y1 y1 fft handles y length handles y1 ysize size y1 plot handles axes2 abs y1 1 ysize 2 xlabel handles axes2 频率 ylabel handles axes2 幅度 title handles axes2 频率特性 男声变女声 FL 80 WL 240 P 10 x1 handles y fs handles Fs x1 resample x1 1 8000 fs fs 8000 x1 x1 0 000001 randn length x1 1 x1 x1 max x1 L length x1 FN floor L FL 2 exc zeros L 1 zi pre zeros P 1 x1 rec zeros L 1 zi rec zeros P 1 exc syn zeros L 1 x1 syn zeros L 1 last syn 0 zi syn zeros P 1 exc syn t zeros L 1 x1 syn t zeros L 1 last syn t 0 zi syn t zeros P 1 hw hamming WL for n 3 FN x1 w x1 n FL WL 1 n FL hw A E lpc x1 w P x1 f x1 n 1 FL 1 n FL exc1 zi pre filter A 1 x1 f zi pre exc n 1 FL 1 n FL exc1 x1 rec1 zi rec filter 1 A exc1 zi rec x1 rec n 1 FL 1 n FL x1 rec1 x1 Pitch exc n FL 222 n FL PT findpitch x1 Pitch G sqrt E PT PT1 floor PT 2 poles roots A deltaOMG 190 2 pi 8000 for p 1 10 if imag poles p 0 poles p poles p exp j deltaOMG elseif imag poles p 0 poles p poles p exp 1i deltaOMG elseif imag poles p 0 poles p poles p exp 1i deltaOMG end end A1 poly poles tempn syn t 1 n FL last syn t exc syn1 t zeros length tempn syn t 1 exc syn1 t mod tempn syn t PT1 0 G 算出脉冲 exc syn1 t exc syn1 t n 1 FL last syn t 1 n FL last syn t s syn1 t zi syn t filter 1 A1 exc syn1 t zi syn t exc syn t n 1 FL 1 n FL exc syn1 t 计算得到的合成激励 s syn t n 1 FL 1 n FL s syn1 t 计算得到的合成语音 last syn t last syn t PT1 floor n FL last syn t PT1 end sound s syn t Fs plot handles axes1 s syn t title handles axes1 时域 ysize size s syn t y fft s syn t length s syn t ysize size y plot handles axes2 abs y xlabel handles axes2 频率 ylabel handles axes2 振幅 title handles axes2 频域 仿真图形 1 男原声播放 女原声播放 2 男声变女声 3 女声变男声 4 4 结束语结束语 经过对数字变声器的设计 我收获很多 自己也感觉到数字信号处理的应用和 matlab 的强 大 同时网络是学习的重要工具 能在网络上获得好多资料 在这里非常感谢曹老师给我 的这次机会 也感谢老师和同学们的热心的帮助 参考文献参考文献 1 程佩青 数字信号处理教程 清华大学出版社 2007 2 2 张威 MATLAB 基础与编程入门 第二版 西安电子科技大学出版社