聲音的延時(shí)和混響仿真

1、武漢理工大學(xué)信息處理課群綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 聲音的延時(shí)和混響仿真初始條件：MATLAB軟件、Windows自帶的錄音功能要求完成的主要任務(wù): (1)利用Windows下的錄音機(jī)或其他軟件，錄制一段自己的語(yǔ)音信號(hào)，時(shí)間控制在1s左右，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣。(2)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析，畫(huà)出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。(3)將信號(hào)加入延時(shí)和混響，再分析其頻譜，并與原始信號(hào)頻譜進(jìn)行比較。(4)設(shè)計(jì)幾種特殊類型的濾波器：?jiǎn)位芈暈V波器，多重回聲濾波器，無(wú)限個(gè)回聲濾波器，全通結(jié)構(gòu)的混響器，并畫(huà)出濾波器的頻域響應(yīng)。(5)用自己

2、設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。(6)分析得到信號(hào)的頻譜，畫(huà)出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化。(7)回放語(yǔ)音信號(hào)。時(shí)間安排:序號(hào)階段內(nèi)容所需時(shí)間1根據(jù)課題的技術(shù)指標(biāo)，確定整體方案，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算2天2根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行全部或部分程序的編寫(xiě)與調(diào)試，并完成基本功能5天3總結(jié)編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告2天4答辯1天合 計(jì)10天指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘要IAbstractII1、 引言11.1 簡(jiǎn)介11.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求12、設(shè)計(jì)原理32.1 延時(shí)和混響的基本原理32.1.1基本原理32.1.2 延時(shí)42.1.3 混

3、響52.2 信號(hào)處理基本原理62.2.1離散傅立葉變換62.2.2濾波器設(shè)計(jì)63、系統(tǒng)框架及詳細(xì)設(shè)計(jì)83.1 總體方案83.2 程序流程圖93.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)103.3.1讀取語(yǔ)音信號(hào)103.3.2采樣后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜103.3.3信號(hào)的延時(shí)103.3.4信號(hào)的混響113.3.5單回聲濾波器113.3.6多重回聲濾波器123.3.7無(wú)限回聲濾波器123.3.8全通結(jié)構(gòu)的混響器133.3.9自己設(shè)計(jì)的LPF144 實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果分析164.1 原始采樣語(yǔ)音信號(hào)164.2 加延時(shí)的語(yǔ)音信號(hào)164.3 加混響的語(yǔ)音信號(hào)174.4 經(jīng)特殊類型濾波器的語(yǔ)音信號(hào)184.4.1單回聲濾波器184.4.2

4、多重回聲濾波器194.4.3無(wú)限個(gè)回聲濾波器204.4.4全通結(jié)構(gòu)的混響器194.5經(jīng)LPF的語(yǔ)音信號(hào)195總結(jié)23參考文獻(xiàn)24附錄25摘要語(yǔ)音信號(hào)處理是一門(mén)比較實(shí)用的專業(yè)課程，語(yǔ)音是人類獲取信息的重要來(lái)源和獲得信息的重要手段。通過(guò)語(yǔ)言相互傳遞信息是人類最重要的基本功能之一。語(yǔ)言是人類特有的功能，它是創(chuàng)造和發(fā)展幾千年人類文明史的根本手段，沒(méi)有語(yǔ)言就沒(méi)有今天的人類文明。語(yǔ)音是語(yǔ)言的聲學(xué)表現(xiàn)，是相互傳遞信息的最重要的手段。語(yǔ)音信號(hào)處理有兩個(gè)需要解決的問(wèn)題：語(yǔ)音的時(shí)變性和直接進(jìn)行DFT的龐大運(yùn)算量，其解決措施是加窗函數(shù)和運(yùn)用FFT變換。利用MATLAB語(yǔ)言強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理功能，我們可以將聲音文件

5、變換為離散的數(shù)據(jù)文件，然后利用其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力處理數(shù)據(jù)，如數(shù)字濾波、傅里葉變換、時(shí)域和頻域分析、聲音回放以及各種信號(hào)圖的呈現(xiàn)等，進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)處理和分析。聲音的延時(shí)和混響是改善聽(tīng)覺(jué)特性中最常用的效果器。延時(shí)是一種對(duì)信號(hào)進(jìn)行重復(fù)的效果，而混響通常是由上百萬(wàn)個(gè)延時(shí)組合而成的結(jié)果，它們?cè)谡Z(yǔ)音信號(hào)處理中有著非常廣泛的作用。本課程設(shè)計(jì)是對(duì)聲音的延時(shí)和混響的matlab仿真，報(bào)告結(jié)構(gòu)是先介紹聲音的延時(shí)和混響的基本原理以及語(yǔ)音信號(hào)處理的基本知識(shí)，然后對(duì)編寫(xiě)好的matlab程序進(jìn)行分析，最后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。關(guān)鍵字：語(yǔ)音信號(hào)，延時(shí)，混響，MATLAB仿真AbstractThe speech is an i

6、mportant means of access to important sources of information and use of information. Its mankind's most important and most effective, the most common and easiest to exchange information in the form of transmission of information by voice. Speech Signal Processing is a very rapid development, it

7、is widely used in cutting-edge interdisciplinary, but it is also a comprehensive applied research an interdisciplinary and emerging technologies.Speech Signal Processing There are two problems to be solved: time-varying voice and a huge amount of calculation directly DFT, the solution is for the use

8、 of windowing functions and FFT transform. Using MATLAB language powerful data analysis and processing functions, we can sound files converted into discrete data file, and then use its powerful matrix computation ability to process data, such as digital filtering, Fourier transform, time domain and

9、frequency domain analysis, sound playback and presenting various figures, etc., voice signal processing and analysis.Sound delay and reverb is to improve the auditory characteristics of the most commonly used effects. Delay is a signal repetition effect, and reverb is usually caused by millions of d

10、elay from the combination of effects, they have a very wide range of applications in speech signal processing. This course is designed to MATLAB simulation of sound delay and reverb, the reporting structure is to introduce delay and reverb sound background and knowledge related to speech signal proc

11、essing MATLAB, and MATLAB program to write good code analysis key Finally, a detailed analysis of their simulation results.Keywords: speech signal, delay, reverb, MATLAB simulationII1、引言1.1簡(jiǎn)介通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)信號(hào)處理的理解，學(xué)會(huì)查尋資料方案比較，以及分析設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)。培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理等信息處理知識(shí)，分析和解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)需要選學(xué)參考書(shū)，查

12、閱手冊(cè)，圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力，通過(guò)獨(dú)立思考深入鉆研有關(guān)問(wèn)題，學(xué)會(huì)自己分析解決問(wèn)題的方法。培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和科學(xué)態(tài)度，使學(xué)生逐步建立正確的生產(chǎn)觀點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和全局觀點(diǎn)。每個(gè)學(xué)生在課程設(shè)計(jì)選題中選做一個(gè)專題，學(xué)會(huì)用MATLAB 語(yǔ)言編寫(xiě)信號(hào)與系統(tǒng)及數(shù)字信號(hào)處理的仿真程序；認(rèn)真分析每個(gè)題目的具體要求；上機(jī)前初步編好程序，上機(jī)時(shí)認(rèn)真調(diào)試程序；課程設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)提交符合格式要求的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1、設(shè)計(jì)任務(wù)(1)利用Windows下的錄音機(jī)或其他軟件，錄制一段自己的語(yǔ)音信號(hào)，時(shí)間控制在1s左右，并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行采樣。(2)語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析，畫(huà)出采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖。(

13、3)將信號(hào)加入延時(shí)和混響，再分析其頻譜，并與原始信號(hào)頻譜進(jìn)行比較。(4)設(shè)計(jì)幾種特殊類型的濾波器：?jiǎn)位芈暈V波器，多重回聲濾波器，無(wú)限個(gè)回聲濾波器，全通結(jié)構(gòu)的混響器，并畫(huà)出濾波器的頻域響應(yīng)。(5)用自己設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波。(6)分析得到信號(hào)的頻譜，畫(huà)出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜，并對(duì)濾波前后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，分析信號(hào)的變化。(7)回放語(yǔ)音信號(hào)。2、設(shè)計(jì)要求(1)熟悉離散信號(hào)和系統(tǒng)的時(shí)域特性。(2)熟悉語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)。(3)掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念，基本理論和基本方法。(4)掌握序列快速傅里葉變換方法。(5)學(xué)會(huì)MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序設(shè)計(jì)方法。(6)掌握MAT

14、LAB設(shè)計(jì)各種數(shù)字濾波器的方法和對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波的方法2、設(shè)計(jì)原理2.1延時(shí)和混響的基本原理2.1.1基本原理聲音是通過(guò)媒質(zhì)傳入人的聽(tīng)覺(jué)器官的。媒質(zhì)，既是聲音的傳播途徑，也是聲音的載體。用一個(gè)日常生活中司空見(jiàn)慣的例子來(lái)說(shuō)，媒質(zhì)就像湖中傳遞波浪的湖水。在平靜的湖面投人一塊石子，石子擊起水波，波紋越來(lái)越大，水波越傳越遠(yuǎn)。這湖水，就是傳播水波的媒質(zhì)。聲音也是如此:當(dāng)某一聲源發(fā)音，空氣中波源的震蕩就會(huì)改變周圍空氣的靜止?fàn)顟B(tài)，使之形成時(shí)而壓縮，時(shí)而稀疏的前進(jìn)波，聲波就這樣不斷地散發(fā)開(kāi)去，傳播聲音的媒質(zhì)就是空氣。在閉室中，當(dāng)聲源發(fā)出一個(gè)聲音信號(hào)(例如是一個(gè)脈沖聲信號(hào))時(shí)，位于室內(nèi)任何一點(diǎn)的聽(tīng)者所接收到的聲音

15、中，應(yīng)包含兩部分成份，一部分是由聲源直接傳到聽(tīng)者的聲音，我們稱其為“直達(dá)聲”。另一部分是聲波傳到墻壁或障礙物處反射出的聲音，其中有一些被聽(tīng)者接收到，另外一些又會(huì)傳到其它墻壁處再次發(fā)生反射，反射后的聲音中又有一些被聽(tīng)者接收到，類似地持續(xù)下去，將聽(tīng)者接收到的這部分聲音，統(tǒng)稱為“反射聲”。從時(shí)間上看，反射聲較直達(dá)聲落后(或稱為延遲聲)，從能量角度看，由于每經(jīng)一次反射都會(huì)有部分能量被吸收，因此反射聲是一系列能量逐漸衰減的延遲聲。延時(shí)效果又叫延時(shí)，是一種對(duì)信號(hào)的重復(fù)的效果，就是我們說(shuō)的回聲，如喂-喂-喂-喂。混響通常是由上百萬(wàn)個(gè)的延時(shí)組合而成，這些延時(shí)效果混合在一起，聽(tīng)起來(lái)像聲音的尾巴，想象一下你在教堂

16、里或地窖里，你說(shuō)“喂”時(shí)，延音逐漸減弱，聽(tīng)起來(lái)并不是不斷重復(fù)的聲音，而只是某種更加華麗的效果，混響就是用于類似這樣的情況。數(shù)字效果器中混響和延時(shí)效果的生成，是我們采用人為的方法來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)室內(nèi)聲場(chǎng)的自然效果。聽(tīng)眾在房間中聽(tīng)到的聲音有來(lái)自聲源的直達(dá)聲、經(jīng)房間周圍界面多次反射的早期反射聲、比直達(dá)聲晚到 50ms以上的密集的多次反射聲（混響聲）和比直達(dá)聲晚到 100ms以上的后期反射聲形成的回聲。直達(dá)聲是聲源直接傳播到聽(tīng)眾的聲音，也是聽(tīng)眾最先聽(tīng)到的聲音。它的貢獻(xiàn)是傳遞聲音的信息、提高聲音的清晰度、提供聲源的方向和聲壓級(jí)的主要來(lái)源。直達(dá)聲聲壓級(jí)的傳播衰減與距離的平方成反比，即距離增加一倍，聲壓級(jí)減小 6

17、d，與房間吸聲特性無(wú)關(guān)。早期反射聲又稱近次反射聲，是聲源發(fā)出的聲音經(jīng)周圍界面（墻壁及天花板、地面）反射 12次后、比直達(dá)聲晚到 50ms以內(nèi)的全部反射聲都屬于早期反射聲。它的貢獻(xiàn)是提高聲壓級(jí)、提高聲音清晰度。它的傳播衰減與反射界面的吸聲特性有關(guān)。耳朵無(wú)法把它與直達(dá)聲區(qū)分。比直達(dá)聲晚到 50ms以上的密集的多次反射聲都稱為混響聲。它的貢獻(xiàn)是使聲場(chǎng)變得均勻、音質(zhì)豐滿，可以幫助人們辨別房間的封閉空間特性（房間容積和空間高度）。但它不包含信息量，對(duì)直達(dá)聲會(huì)產(chǎn)生掩蔽效應(yīng)，降低聲音的清晰度。超過(guò) 100ms的混響聲變成回聲。超過(guò) 100ms延時(shí)的混響聲開(kāi)始具有回聲感覺(jué)了?；芈暱梢鹁薮蟮目臻g感，但同時(shí)也嚴(yán)

18、重的影響系統(tǒng)的聲音清晰度。2.1.2 延時(shí)延時(shí)就是將音源延遲一段時(shí)間后，再欲播放的效果處理。依其延遲時(shí)間的不同，可分別產(chǎn)生合唱、鑲邊、回音等效果。當(dāng)延遲時(shí)間在335ms之間時(shí)人耳感覺(jué)不到滯后音的存在，并且他與原音源疊加后，會(huì)因其相位干涉而產(chǎn)生"梳狀濾波"效應(yīng)，這就是鑲邊效果。如果延遲時(shí)間在50ms以上時(shí)，其延遲音就清晰可辨，此時(shí)的處理效果才是回音。回音處理一般都是用于產(chǎn)生簡(jiǎn)單的混響效果。延時(shí)、合唱、鑲邊、回音等效果的可調(diào)參數(shù)都差不多，具體有以下幾項(xiàng)：（1）延時(shí)時(shí)間（Dly），即主延時(shí)電路的延時(shí)時(shí)間調(diào)整。（2）反饋增益（FB Gain），即延時(shí)反饋的增益控制。（3）反饋高頻比

19、（Hi Ratio），即反饋回路上的高頻衰減控制。（4）調(diào)制頻率（Freq），指主延時(shí)的調(diào)頻周期。（5）調(diào)制深度（Depth），指上述調(diào)頻電路的調(diào)制深度。（6）高頻增益（HF），指高頻均衡控制。（7）預(yù)延時(shí)（Ini Dly），指主延時(shí)電路預(yù)延時(shí)時(shí)間調(diào)整。（8）均衡頻率（EQ F），這里的頻率均衡用于音色調(diào)整，此為均衡的中點(diǎn)頻率選擇。由于延時(shí)產(chǎn)生的效果都比較復(fù)雜多變，如果不是效果處理專家，建議使用設(shè)備提供的預(yù)置參數(shù)，因?yàn)檫@些預(yù)置參數(shù)給出的處理效果一般都比較好。2.1.3 混響數(shù)字混響可以通過(guò)用人工創(chuàng)作的回音并將它加入原始信號(hào)里，從而把隔音錄音室里錄制的聲音轉(zhuǎn)換為一種自然的聲音形式；回音可以簡(jiǎn)單地

20、由延遲單元產(chǎn)生?；祉懶Ч饕怯糜谠黾右粼吹娜诤细?。自然音源的延時(shí)聲陣列非常密集、復(fù)雜，所以模擬混響效果的程序也復(fù)雜多變。常見(jiàn)參數(shù)有以下幾種：（1）混響時(shí)間：能逼真的模擬自然混響的數(shù)碼混響器上都有一套復(fù)雜的程序，其上雖然有很多技術(shù)參數(shù)可調(diào)，然而對(duì)這些技術(shù)參數(shù)的調(diào)整都不會(huì)比原有的效果更為自然，尤其是混響時(shí)間。（2）高頻滾降：此項(xiàng)參數(shù)用于模擬自然混響當(dāng)中，空氣對(duì)高頻的吸收效應(yīng)，以產(chǎn)生較為自然的混響效果。一般高頻混降的可調(diào)范圍為0.11.0。此值較高時(shí)，混響效果也較接近自然混響；此值較低時(shí)，混響效果則較清澈。（3）擴(kuò)散度：此項(xiàng)參數(shù)可調(diào)整混響聲陣密度的增長(zhǎng)速度，其可調(diào)范圍為010，其值較高時(shí)，混響效果

21、比較豐厚、溫暖；其值較低時(shí)，混響效果則較空曠、冷僻。（4）預(yù)延時(shí)：自然混響聲陣的建立都會(huì)延遲一段時(shí)間，預(yù)延時(shí)即為模擬次效應(yīng)而設(shè)置。（5）聲陣密度：此項(xiàng)參數(shù)可調(diào)整聲陣的密度，其值較高時(shí)，混響效果較為溫暖，但有明顯的聲染色；其值較低時(shí)，混響效果較深邃，切聲染色也較弱。（6）頻率調(diào)制：這是一項(xiàng)技術(shù)性的參數(shù)，因?yàn)殡娮踊祉懙穆曣嚸芏缺茸匀换祉懴∈?，為了使混響的聲音比較平滑、連貫，需要對(duì)混響聲陣列的延時(shí)時(shí)間進(jìn)行調(diào)制。此項(xiàng)技術(shù)可以有效的消除延時(shí)聲陣列的段裂聲，可以增加混響聲的柔和感。（7）調(diào)治深度：指上述調(diào)頻電路的調(diào)治深度。2.2 信號(hào)處理基本原理2.2.1 離散傅立葉變換在MATLAB的信號(hào)處理工具箱中函

22、數(shù)FFT和IFFT用于快速傅立葉變換和逆變換。下面介紹這些函數(shù)。函數(shù)FFT用于序列快速傅立葉變換。函數(shù)的一種調(diào)用格式為 ：y=fft(x) 其中，x是序列，y是序列的FFT，x可以為一向量或矩陣，若x為一向量，y是x的FFT。且和x相同長(zhǎng)度。若x為一矩陣，則y是對(duì)矩陣的每一列向量進(jìn)行FFT。如果x長(zhǎng)度是2的冪次方，函數(shù)fft執(zhí)行高速基2FFT算法；否則fft執(zhí)行一種混合基的離散傅立葉變換算法，計(jì)算速度較慢。函數(shù)FFT的另一種調(diào)用格式 ：y=fft(x,N)式中，x，y意義同前，N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行N點(diǎn)的FFT。若x為向量且長(zhǎng)度小于N，則函數(shù)將x補(bǔ)零至長(zhǎng)度N。若向量x的長(zhǎng)度大于N，則函

23、數(shù)截短x使之長(zhǎng)度為N。若x 為矩陣，按相同方法對(duì)x進(jìn)行處理。經(jīng)函數(shù)fft求得的序列y一般是復(fù)序列，通常要求其幅值和相位。MATLAB提供求復(fù)數(shù)的幅值和相位函數(shù)：abs，angle，這些函數(shù)一般和FFT同時(shí)使用。用MATLAB工具箱函數(shù)fft進(jìn)行頻譜分析時(shí)需注意：（1）函數(shù)fft返回值y的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性。（2）頻率計(jì)算。作FFT分析時(shí)，幅值大小與FFT選擇點(diǎn)數(shù)有關(guān)，但不影響分析結(jié)果。2.2.2 濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的作用是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性對(duì)輸入信號(hào)波形(或頻譜)進(jìn)行加工處理，或者說(shuō)利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換。數(shù)字濾波器可以理解為是一個(gè)計(jì)算程序或算法，將代表輸入信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列

24、轉(zhuǎn)化為代表輸出信號(hào)的數(shù)字時(shí)間序列，并在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，使信號(hào)按預(yù)定的形式變化。特殊濾波器的系統(tǒng)函數(shù)：（1）單回聲濾波器的系統(tǒng)函數(shù)：H(z)= <1 （式2.1）（2）多重回聲濾波器的系統(tǒng)函數(shù) ：H(z)= <1 （式2.2）（3）無(wú)限個(gè)回聲濾波器的系統(tǒng)函數(shù):H(z)= <1 （式2.3）（4）全通結(jié)構(gòu)的混響器的系統(tǒng)函數(shù):H(z)= <1 （式2.4）系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)，實(shí)質(zhì)上就是輸入信號(hào)通過(guò)離散時(shí)間LTI系統(tǒng)后的頻譜進(jìn)行不同選擇處理的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程稱為濾波。因此，在MATLAB的信息處理工具箱中，提供了一維濾波器函數(shù)filter和二維濾波器函數(shù)filter2。函數(shù)filt

25、er的調(diào)用格式為 ：y=filter(b,a,x)該格式采用數(shù)字濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，既可以用于IIR濾波器，也可以用于FIR濾波器。其中向量b和a分別表示系統(tǒng)函數(shù)的分子、分母多項(xiàng)式的系數(shù)，若a1，此時(shí)表示FIR濾波器，否則就是IIR濾波器。該函數(shù)是利用給出的向量b和a，對(duì)x中的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，結(jié)果放入向量y。3、系統(tǒng)框架和詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1總體方案根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)以及具體要求，MATLAB程序的設(shè)計(jì)可以按照如圖3-1所示的總體方案程序總體結(jié)構(gòu)框圖來(lái)設(shè)計(jì)。圖3.1程序總體框圖3.2 程序流程圖根據(jù)上節(jié)的圖3-1所示的總體方案程序總體結(jié)構(gòu)框圖，結(jié)合相關(guān)的MATLAB函數(shù)，設(shè)計(jì)出如圖3-2所示

26、的MATLAB程序流程圖。圖3.2 MATLAB程序流程圖3.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)3.3.1讀取語(yǔ)音信號(hào)x,fs=audioread(filename); %讀取信號(hào)可以使用matlab中的audioread函數(shù)把錄制好的語(yǔ)音信號(hào)文件讀入。3.3.2采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜x,fs=audioread(filename);x=x(:,1); %只讀取單聲道，便于畫(huà)時(shí)域波形和頻譜圖sound(5*x,fs); %對(duì)聲音的回放figure;subplot(2,1,1);plot(x);grid on; %畫(huà)出時(shí)域波形title('采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');fx=fft(x); f

27、x=fftshift(fx);subplot(2,1,2); %對(duì)信號(hào)做FFT變換derta=fs/length(x); %計(jì)算頻譜間隔plot(-fs/2:derta:fs/2-derta,abs(fx);grid on; %畫(huà)出頻譜圖title('采樣后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');其中，x,fs=audioread(filename);用于讀取語(yǔ)音，采樣值放在向量x中，fs表示采樣頻率(Hz)。Sound函數(shù)用來(lái)對(duì)于聲音的回放，x代表一個(gè)信號(hào)。fft函數(shù)是用于求解傅里葉變換，得出采樣信號(hào)。3.3.3信號(hào)的延時(shí)dx=zeros(2000,1);x; figure; %信號(hào)的延時(shí)su

28、bplot(2,1,1);plot(z); grid on;title('加延時(shí)后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形'); fdx=fft(dx); derta=fs/length(dx);plot(-fs/2:derta:fs/2-derta,abs(fdx);grid on;title('加延時(shí)后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');其中，用zeros函數(shù)來(lái)使信號(hào)延時(shí)，zeros是用來(lái)生成全0矩陣的，比如，zeros(M，N) 表示的是M行*N列的0矩陣。3.3.4信號(hào)的混響x=x;zeros(2000,1); %對(duì)原信號(hào)延長(zhǎng)至與延時(shí)信號(hào)相同的長(zhǎng)度ax=x+dx; %將延長(zhǎng)的原信號(hào)與延時(shí)信

29、號(hào)相加得到混響信號(hào)figure;subplot(2,1,1);plot(ax);grid on;title('加混響后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');fax=fft(ax);fax=fftshift(fax);subplot(2,1,2);derta=fs/length(ax);plot(-fs/2:derta:fs/2-derta,abs(fax);grid on;title('加混響后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行延時(shí)后，在使原語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度變換得與延時(shí)的信號(hào)同長(zhǎng)，最后時(shí)這兩個(gè)信號(hào)相加便可以得到混響后的信號(hào)。3.3.5單回聲濾波器a=0.5;r=2000;Bz

30、0=1,zeros(1,r-1),a; Az0=(1);freqz(Bz0,Az0);title('單回聲濾波器');snf=x+a*dx;figure;subplot(2,1,1);plot(snf);grid on;title('經(jīng)單回聲濾波后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');fsnf=fft(snf);fsnf=fftshift(fsnf);subplot(2,1,2);derta=fs/length(snf);plot(-fs/2:derta:fs/2-derta,abs(fsnf);grid on;title('經(jīng)單回聲濾波后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖')

31、;disp('按enter鍵播放錄音');input('');clc;sound(snf,fs);disp('按enter鍵繼續(xù)');input('');clc;其中，用函數(shù)snf=x+a*dx來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行單回聲濾波。用freqz函數(shù)畫(huà)出單回聲濾波器的頻率響應(yīng)圖。再用fft函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，就可以得出對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形和頻譜圖。3.3.6多重回聲濾波器a=0.5;N=10;Bz1=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-aN; Az1=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-a; freqz(Bz1,Az1);title(

32、9;多重回聲濾波器')mnf=filter(Bz1,Az1,x);figure;subplot(2,1,1);plot(mnf);grid on;title('經(jīng)多重回聲濾波后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');fmnf=fft(mnf);fmnf=fftshift(fmnf);subplot(2,1,2);derta=fs/length(mnf);plot(-fs/2:derta:fs/2-derta,abs(fmnf);grid on;title('經(jīng)多重回聲濾波后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');disp('按enter鍵播放錄音');input('

33、;');clc;sound(mnf,fs);disp('按enter鍵繼續(xù)');input('');clc;其中，編寫(xiě)出如上對(duì)應(yīng)的多重回聲濾波器函數(shù)，然后用filter函數(shù)調(diào)用濾波器，用freqz函數(shù)畫(huà)出多重回聲濾波器的頻率響應(yīng)圖。再用fft函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，就可以得出對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形和頻譜圖。3.3.7無(wú)限回聲濾波器a=0.5; Bz=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1; Az=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-a; freqz(Bz,Az); title('無(wú)限回聲濾波器')inf=filter(Bz,Az,x); f

34、igure;subplot(2,1,1);plot(inf); grid on;title('經(jīng)無(wú)限回聲濾波后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');finf=fft(inf); finf=fftshift(finf);subplot(2,1,2);derta=fs/length(inf);plot(-fs/2:derta:fs/2-derta,abs(finf);grid on;title('經(jīng)無(wú)限回聲濾波后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');disp('按enter鍵播放錄音');input('');clc;sound(inf,fs);disp('

35、按enter鍵繼續(xù)');input('');clc;其中，編寫(xiě)出如上對(duì)應(yīng)的無(wú)限回聲濾波器函數(shù)，然后用filter函數(shù)調(diào)用濾波器，用freqz函數(shù)畫(huà)出無(wú)限回聲濾波器的頻率響應(yīng)圖。再用fft函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，就可以得出對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形和頻譜圖。3.3.8全通結(jié)構(gòu)的混響器a=0.5; Bz4=a,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1; Az4=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,a;freqz(Bz4,Az4); title('全通結(jié)構(gòu)混響器')af=filter(Bz4,Az4,x); figure;subplot(2,1,1);plot(af); g

36、rid on;title('經(jīng)全通結(jié)構(gòu)混響器后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');faf=fft(af); faf=fftshift(faf);subplot(2,1,2);derta=fs/length(faf);plot(-fs/2:derta:fs/2-derta,abs(faf);grid on;title('經(jīng)全通結(jié)構(gòu)混響器后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');disp('按enter鍵播放錄音');input('');clc;sound(af,fs);disp('按enter鍵繼續(xù)');input('');clc

37、;同理，得出全通結(jié)構(gòu)濾波器的函數(shù)，用filter函數(shù)調(diào)用濾波器，用freqz函數(shù)畫(huà)出全通結(jié)構(gòu)混響器的頻率響應(yīng)圖。再用fft函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，就可以得出對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形和頻譜圖。3.3.9自己設(shè)計(jì)的LPFx1,fs=audioread('sound.wav');x1=x1(:,1);t=0:1/44100:(size(x1)-1)/44100;wp=0.25*pi;ws=0.3*pi;Rp=1;Rs=15;Fs=44100;Ts=1/Fs;wp1=2/Ts*tan(wp/2); ws1=2/Ts*tan(ws/2); N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,'

38、;s');Z,P,K=buttap(N); Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn);bz,az=bilinear(b,a,Fs); freqz(bz,az);f1=filter(bz,az,x1);figure;subplot(2,2,1);plot(t,x1); title('濾波前的時(shí)域波形');subplot(2,2,3);plot(t,f1); title('濾波后的時(shí)域波形');F0=fft(f1,1024);f=fs*(0:511)/1024;y2=fft(x1,1024);subplot(2,2

39、,2);plot(f,abs(y2(1:512); title('濾波前的頻譜')xlabel('Hz');ylabel('fuzhi');subplot(2,2,4);F1=plot(f,abs(F0(1:512); title('濾波后的頻譜');xlabel('Hz');ylabel('fuzhi');disp('按enter鍵繼續(xù)');input('');clc;sound(f1,fs);本節(jié)采用的濾波器是巴特沃斯低通濾波器，然后通過(guò)雙線性變換法將模擬濾波器變

40、換為數(shù)字濾波器，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的低通濾波。用freqz函數(shù)畫(huà)出低通濾波器的頻率響應(yīng)圖。再用fft函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，就可以得出對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形和頻譜圖。4、實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果分析4.1原始采樣語(yǔ)音信號(hào)圖4.1原語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖結(jié)果分析：由圖可以得到，經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，很容易看出人類語(yǔ)音信號(hào)的大部分能量主要集中在低頻段，頻帶大致位于300Hz到3400Hz。偶爾有些高頻分量可能是由于周圍的環(huán)境噪聲引起。4.2加延時(shí)的語(yǔ)音信號(hào)圖4.2 延時(shí)后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖結(jié)果分析：對(duì)語(yǔ)音信號(hào)延時(shí)2000后，時(shí)域波形向右移動(dòng)2000，波形沒(méi)有發(fā)生變化。延時(shí)后，信號(hào)頻譜的幅值有所變化，但頻譜

41、形狀不變。由傅里葉變換的性質(zhì)可以知道，信號(hào)在時(shí)域的移位，等效于在頻域乘以常數(shù)。4.3加混響的語(yǔ)音信號(hào)圖4.3混響后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖結(jié)果分析：在加入混響以后，語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形幅值有所增加，波形形狀也發(fā)生變化，時(shí)域拓寬，等效于兩個(gè)相差固定延時(shí)的波形進(jìn)行疊加。，語(yǔ)音信號(hào)的頻譜幅值增大，回放的語(yǔ)音聲音變得融合，能聽(tīng)到回音。4.4經(jīng)特殊類型濾波器的語(yǔ)音信號(hào)4.4.1單回聲濾波器圖4.4經(jīng)單回聲濾波器后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖圖4.5單回聲濾波器頻率響應(yīng)圖結(jié)果分析：由運(yùn)行結(jié)果可以看出，時(shí)域波形的幅值變大，毛刺變多，頻譜的中心頻率兩邊的頻率分量展寬、幅值變大，回放的聲音立體感變強(qiáng)。4.4.2多重回聲濾

42、波器圖4.6經(jīng)多重回聲濾波器后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖圖4.7多重回聲濾波器頻率響應(yīng)圖結(jié)果分析：由運(yùn)行結(jié)果可以看出，時(shí)域波形的幅值變大，毛刺變得更多，頻譜的中心頻率幅值變大，回放的聲音立體感變的更強(qiáng)。4.4.3無(wú)限個(gè)回聲濾波器圖4.8經(jīng)無(wú)限回聲濾波器后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖圖4.9無(wú)限回聲濾波器頻率響應(yīng)圖結(jié)果分析：由運(yùn)行結(jié)果可以看出，時(shí)域波形的幅值變大，頻譜的中心頻率不變，中心頻率兩邊的頻率分量變得密集、幅值變小，回放的聲音變得清晰，音量變大。4.4.4全通結(jié)構(gòu)的混響器圖4.10經(jīng)全通結(jié)構(gòu)混響器后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖圖4.11全通結(jié)構(gòu)混響器頻率響應(yīng)圖結(jié)果分析：由運(yùn)行結(jié)果可以看出，語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波

43、形和頻譜幅度和形狀基本不變，回放的聲音跟原語(yǔ)音信號(hào)很接近。4.5經(jīng)LPF的語(yǔ)音信號(hào)圖4.12經(jīng)低通濾波器后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖圖4.13巴特沃茲低通濾波器頻率響應(yīng)圖結(jié)果分析：由運(yùn)行結(jié)果可以看出，語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形的幅值稍微降低，形狀基本不變。而從頻譜圖可以明顯看出，語(yǔ)音信號(hào)的高頻部分被低通濾波器濾除了，回放的聲音跟原語(yǔ)音信號(hào)相比比較濁重。5總結(jié)信息處理課群綜合設(shè)計(jì)對(duì)我來(lái)說(shuō)是一次很好的鍛煉，不僅鞏固了以前學(xué)過(guò)的數(shù)字信號(hào)理論知識(shí)，還學(xué)習(xí)到了許多與語(yǔ)音信號(hào)處理有關(guān)的知識(shí)，熟練了使用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理仿真的能力。剛開(kāi)始拿到題目時(shí)，覺(jué)得不是很難，但是認(rèn)真地做起來(lái)發(fā)現(xiàn)還是有一定的難度的。

44、于是便去圖書(shū)館找各種關(guān)于MATLAB與語(yǔ)音信號(hào)處理相關(guān)的資料書(shū)，掌握了一些語(yǔ)音信號(hào)處理的基本知識(shí)和技能，漸漸有了自己的設(shè)計(jì)方案，然后便開(kāi)始動(dòng)手實(shí)踐起來(lái)，動(dòng)手實(shí)踐的過(guò)程也是充滿困難的，經(jīng)過(guò)很多次仿真才成功。但最令人欣慰的就是學(xué)到了很多有用的知識(shí)和技能。在自己的努力與同學(xué)老師的幫助指導(dǎo)下，終于在一周的時(shí)間內(nèi)完成了相應(yīng)的程序代碼的編寫(xiě)，然后就是寫(xiě)報(bào)告了，寫(xiě)報(bào)告向來(lái)是我的弱項(xiàng)，花了兩三天的時(shí)間終于完成了報(bào)告的書(shū)寫(xiě)，至此差不多就完成了課設(shè)的任務(wù)。最后，要感謝李瑞芳老師對(duì)我們認(rèn)真負(fù)責(zé)地指導(dǎo)，還有身邊幫助我的同學(xué)，有了你們我才能順順利利地完成了整個(gè)課設(shè)。這次課程設(shè)計(jì)受益匪淺，使我的能力有了很大的提升。參考文

45、獻(xiàn)1 趙力，語(yǔ)音信號(hào)處理，機(jī)械工業(yè)出版社， 2009.062 楊述斌，數(shù)字信號(hào)處理實(shí)踐教程，華中科技大學(xué)出版社.3 孫祥，徐流美，吳清MATLAB7.0基礎(chǔ)教程清華大學(xué)出版社，20064 劉泉,信號(hào)與系統(tǒng), 高等教育出版社, 2006年5 劉泉,數(shù)字信號(hào)處理,電子工業(yè)出版社,2008年6 Edward W. Kamen, Bonnie S.Heck 編,信號(hào)與系統(tǒng)基礎(chǔ)應(yīng)用Web 和MATLAB（第二版），科學(xué)出版社，2002 年附錄程序代碼：%采樣后語(yǔ)音信號(hào)x,fs=audioread('錄音.m4a');x=x(:,1);figure;subplot(2,1,1);

46、plot(x);grid on;title('采樣后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');fx=fft(x);fx=fftshift(fx);subplot(2,1,2);derta=fs/length(x);plot(-fs/2:derta:fs/2-derta,abs(fx);grid on;title('采樣后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');disp('按enter鍵播放語(yǔ)音');input('');clc;sound(x,fs);disp('按enter鍵繼續(xù)');input('');clc;%加延時(shí)后的語(yǔ)音信號(hào)d

47、x=zeros(2000,1);x;figure;subplot(2,1,1);plot(dx);grid on;title('加延時(shí)后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');fdx=fft(dx);fdx=fftshift(fdx);subplot(2,1,2);derta=fs/length(dx);plot(-fs/2:derta:fs/2-derta,abs(fdx);grid on;title('加延時(shí)后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');disp('按enter鍵播放語(yǔ)音');input('');clc;sound(dx,fs);disp('

48、;按enter鍵繼續(xù)');input('');clc;%加混響后的語(yǔ)音信號(hào)x=x;zeros(2000,1);ax=x+dx;figure;subplot(2,1,1);plot(ax);grid on;title('加混響后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');fax=fft(ax);fax=fftshift(fax);subplot(2,1,2);derta=fs/length(ax);plot(-fs/2:derta:fs/2-derta,abs(fax);grid on;title('加混響后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');disp('按ente

49、r鍵播放語(yǔ)音');input('');clc;sound(ax,fs);disp('按enter鍵繼續(xù)');input('');clc;%經(jīng)單回聲濾波器后的語(yǔ)音信號(hào)a=0.5;snf=x+a*dx;figure;subplot(2,1,1);plot(snf);grid on;title('經(jīng)單回聲濾波器后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');fsnf=fft(snf);fsnf=fftshift(fsnf);subplot(2,1,2);derta=fs/length(snf);plot(-fs/2:derta:fs/2-derta,

50、abs(fsnf);grid on;title('經(jīng)單回聲濾波器后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');disp('按enter鍵播放語(yǔ)音');input('');clc;sound(snf,fs);disp('按enter鍵繼續(xù)');input('');clc;%經(jīng)多重回聲濾波器后的語(yǔ)音信號(hào) a=0.5;N=5;Bz1=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-aN; Az1=1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-a; mnf=filter(Bz1,Az1,x);figure;subplot(2,1,1);plot(mnf)

51、;grid on;title('經(jīng)多重回聲濾波器后語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形');fmnf=fft(mnf);fmnf=fftshift(fmnf);subplot(2,1,2);derta=fs/length(mnf);plot(-fs/2:derta:fs/2-derta,abs(fmnf);grid on;title('經(jīng)多重回聲濾波器后語(yǔ)音信號(hào)的頻譜圖');disp('按enter鍵播放語(yǔ)音');input('');clc;sound(mnf,fs);disp('按enter鍵繼續(xù)');input('');clc;%經(jīng)無(wú)限個(gè)回聲濾波器后的語(yǔ)音信號(hào)a=0.5; Bz=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1; Az=1,