數(shù)字信號處理項目設計資料(共12頁)

1、 數(shù)字(shz)信號處理B課程(kchng)項目實施(shsh)報告題目： 數(shù)字音效處理 組 號： 4 任課教師： 劉 凱 組 長： 11121626 盧 捷 20%成 員： 11121625 葛豪杰 20%成 員： 11121679 支鐘振 20%成 員： 11121620 孫物一 20%成 員： 11121885 葉 成 20%聯(lián)系方式：2013年10月15日一，項目(xingm)設計要求：1.1設計一個數(shù)字音效(yn xio)處理器，能夠實現(xiàn)語音信號的各種音效處理。要求：（1） 輸入語音信號源為實際(shj)環(huán)境采集語音；（2） 至少實現(xiàn)3種音效處理功能；（3）

2、 用人機交互界面操控、揚聲器/耳機輸出音效。二、 課程項目實施方案 一般的數(shù)字處理器，內部的架構普遍是由輸入部分和輸出部分組成，其中屬于音頻處理部分的功能一般如下：輸入部分一般會包括，輸入增益控制、輸入均衡調節(jié)、輸入端延時調節(jié)、輸入極性（相位）轉換等功能。而輸出部分一般有信號輸入分配路由選擇、高通濾波器、低通濾波器、均衡器、極性、增益、延時、限幅器啟動電平這樣幾個常見的功能。聲音是機械振動在彈性介質中傳播的機械波。聲音的強弱體現(xiàn)在聲波壓力的大小上，音調的高低體現(xiàn)在聲音的頻率上。聲音用電表示時，聲音信號在時間和幅度上都是連續(xù)的模擬信號。聲音信號的兩個基本參數(shù)是頻率和幅度。頻率是指信號每秒鐘變化的

3、次數(shù)，用Hz表示。幅度是指信號的強弱。 2.1數(shù)字音頻 數(shù)字音頻主要包括兩類：波形音頻和MIDI音頻。模擬聲音在時間和幅度上是連續(xù)的，聲音的數(shù)字化是通過采樣、量化和編碼，把模擬量表示的音頻信號轉換成由許多二進制數(shù)1和0組成的數(shù)字音頻信號。數(shù)字音頻是一個數(shù)據序列，在時間和幅度上是斷續(xù)的。計算機內的基本數(shù)制是二進制，為此我們要把聲音數(shù)據寫成計算機的數(shù)據格式。將連續(xù)的模擬音頻信號轉換成有限個數(shù)字表示的離散序列（即實現(xiàn)音頻數(shù)字化），在這一處理技術中，涉及到音頻的采樣、量化和編碼。2.2采樣和量化聲音進入計算機的第一步就是數(shù)字化，數(shù)字化實際上就是采樣和量化。連續(xù)時間的離散化通過采樣來實現(xiàn)，如果每隔相等的

4、一小段時間采樣一次，稱為均勻采樣(uniform sampling)；連續(xù)幅度的離散化通過量化(quantization)來實現(xiàn)，把信號的強度劃分成一小段一小段，如果幅度的劃分是等間隔的，就稱為線性量化，否則就稱為非線性量化。 在數(shù)字音頻技術中，把表示聲音強弱的模擬電壓用數(shù)字表示，如0.5V電壓用數(shù)字20表示，2V電壓是80表示。模擬電壓的幅度，即使在某電平范圍內，仍然可以有無窮多個，如1.2V,1.21V,1.215V。而用數(shù)字來表示音頻幅度時，只能把無窮多個電壓幅度用有限個數(shù)字表示。即把某一幅度范圍內的電壓用一個數(shù)字表示，這稱之為量化。聲音數(shù)字化需要注意兩個問題：1.每秒鐘需要采集多少個聲

5、音樣本，也就是采樣頻率(fs)是多少，2.每個聲音樣本的位數(shù)(bit per sample，bps)應該是多少，也就是量化精度。2.3音頻信號(xnho)的特點（1） 音頻信號是時間依賴的連續(xù)(linx)媒體。因此音頻處理的時序性要求很高，如果在時間上有 25ms 的延遲，人就會感到(gndo)斷續(xù)。（2） 理想的合成聲音應是立體聲。由于人接收聲音有兩個通道（左耳、右耳），因此計算機模擬自然聲音也應有兩個聲道，即立體聲。（3） 由于語音信號不僅僅是聲音的載體，同時情感等信息也包含其中，因此對語音信號的處理，要抽取語意等其它信息，如可能會涉及到語言學、社會學、聲學等。2.4設計思想從人與計算機交

6、互的角度來看音頻信號相應的處理如下：（1） 人與計算機通信(計算機接收音頻信號)。音頻獲取，語音識別與理解。（2） 計算機與人通信(計算機輸出音頻)。 音頻合成（ 音樂合成，語音合成）、聲音定位（立體聲模擬、音頻/視頻同步）。（3） 人計算機人通信：人通過網絡，與處于異地的人進行語音通信，需要的音頻處理包括：語音采集、音頻編碼/解碼、音頻傳輸?shù)?。這里音頻編/解碼技術是信道利用率的關鍵。三，matlab程序部分3.1界面GUIGUI 是 Graphical User Interface 的簡稱，即圖形用戶界面，準確來說 GUI 就是屏幕產品的視覺體驗和互動操作部分。GUI 是一種結合計算機科學、

7、美學、心理學、行為學，及各商業(yè)領域需求分析的人機系統(tǒng)工程，強調人機環(huán)境三者作為一個系統(tǒng)進行總體設計。圖形用戶界面（GUI）是由圖形對象構成的用戶界面。在這里面最典型的就是GUI設計向導GUIDE，GUIDE能幫助用戶方便的設計出來各種復合要求的用戶界面。3.2濾波器：濾波是指改變信號中各個頻率分量的相對大小，或者抑制，甚至全部濾除某些全部分量的過程(guchng)。能夠完成濾波功能的系統(tǒng)即為濾波器。我們使用頻率選擇(xunz)濾波器，就是讓一個或者一組頻率范圍內的信號盡可能無失真地通過，且衰減或者完全抑制其余濾波范圍的信號。一、IIR數(shù)字(shz)濾波器的設計方法目前，IIR數(shù)字濾波器設計最通

8、用的方法是借助于模擬濾波器的設計方法。模擬濾波器設計已經有了一套相當成熟的方法，它不但有完整的設計公式，而且還有較為完整的圖表供查詢，因此，充分利用這些已有的資源將會給數(shù)字濾波器的設計帶來很大方便，IIR數(shù)字濾波器的設計步驟是：(1)按一定規(guī)則將給出的數(shù)字濾波器的技術指標轉換為模擬濾波器的技術指標；(2)根據轉換后的技術指標設計模擬低通濾波器H(s)；(3)在按一定規(guī)則將H(s)轉換為H(z)。若所設計的數(shù)字濾波器是低通的，那么上述設計工作可以結束，若所設計的是高通、帶通或者帶阻濾波器，那么還有步驟：(4)將高通、帶通或者帶阻數(shù)字濾波器的技術指標先轉化為低通濾波器的技術指標，然后按上述步驟(2

9、)設計出模擬低通濾波器H(s)，再由沖擊響應不變法或雙線性變換將H(s)轉換為所需的H(z)。s - z 映射的方法有：沖激響應不變法、階躍響應不變法、雙線性變換法等。下面討論雙線性變換法。雙線性變換法8是指首先(shuxin)把s 平面壓縮變換(binhun)到某一中介平面s1 的一條(y tio)橫帶(寬度為2T,即從- T到T) ,然后再利用的關系把s1平面上的這條橫帶變換到整個z 平面。這樣s 平面與z 平面是一一對應關系, 消除了多值變換性, 也就消除了頻譜混疊現(xiàn)象。s 平面到z 平面的變換可采用 (2-5) (2-6)令 ，有： (2-7)從s1 平面到z 平面的變換,即 (2-8

10、)代入上式，得到： (2-9) 一般來說，為使模擬濾波器的某一頻率與數(shù)字濾波器的任一頻率有對應關系，可引入代定常數(shù)c， (2-10)則 (2-11) 這種s 平面與z 平面間的單值映射關系就是雙線性變換。有了雙線性變換，模擬濾波器的數(shù)字化只須用進行置換。二巴特沃斯濾波器（buttlerworth）設計巴特沃斯濾波器的步驟 1.階數(shù)N QUOTE 2. 歸一化傳輸函數(shù)G（p）3. 將G（p）去歸一化特點：具有通帶內最大平坦的振幅特性，且隨f，幅頻特性單調。其幅度平方函數(shù)：(3-1)N為濾波器階數(shù)，如圖3-1圖3-1、 巴特沃斯濾波器振幅(zhnf)平方特性通帶： 使信號通過(tnggu)的頻帶阻

11、帶：抑制噪聲(zoshng)通過的頻帶過渡帶：通帶到阻帶間過渡的頻率范圍 c ：截止頻率。 過渡帶為零理想濾波器 阻帶|H(j )|=0 通帶內幅度|H(j)|=cons. H(j)的相位是線性的圖3-1中，N增加，通帶和阻帶的近似性越好，過渡帶越陡。通帶內，分母/c1, ( /c)2N1， ( /c)2N1, 增加， A(2)快速減小。=c, ,幅度衰減，相當于3db衰減點。振幅平方函數(shù)的極點 (3-2) 可見，Butter worth濾波器 的振幅平方函數(shù)有2N個極點，它們均勻對稱地分布在|S|=c的圓周上?？紤](kol)到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，知DF的系統(tǒng)(xtng)函數(shù)是由S平面左半部分(b

12、fen)的極點(SP3，SP4，SP5)組成的，它們分別為：(3-3)系統(tǒng)函數(shù)為： (3-4)令 ，得歸一化的三階BF： (3-5)如果要還原的話，則有(3-6) Matlab模擬巴特沃斯低通濾波器Wp=2*pi*1000;Ws=2*pi*2000;Ap=2;As=30; n,Wn=buttord(Wp,Ws,Ap,As,s); b,a=butter(n,Wn,s); figure(1); freqs(b,a,20000) 下限頻率1000Hz，上限頻率2000Hz，通帶內最多下降3db，通帶外衰減大于30db。3.3錄音(l yn)部分fs=8000; duration=8; nbits=1

13、6;waveFile=d:xm.wav;y=wavrecord(duration*fs); wavwrite(y,fs,nbits,waveFile); 直接(zhji)調用matlab內部(nib)函數(shù)wavrecord對麥克風的信號進行錄制，并使用wavwrite函數(shù)將其存儲到預先設置好的位置，以方便下一次的調用。Duration為錄制長度，以秒為單位。Nbits為每個點的分辨率。3.4聲音混疊y, fs, nbits=wavread(d:bbb.wav); x,fs,nbits=wavread(d:aaa.wav,length(y); c=10*x+10*y;sound(c);3.5快放

14、與慢放快放部分(b fen)y, fs=wavread(d:aaa.wav);wavplay(5*y, 2.0*fs);如果改變采樣頻率，就會改變整個信號(xnho)的時間，從而影響音調。慢放部分(b fen)y, fs=wavread(d:aaa.wav);wavplay(10*y, 0.6*fs);3.6倒放 y, fs=wavread(d:aaa.wav); wavplay(10*flipud(y), fs);將聲音信號上下顛倒，聽到的聲音基本是一樣的。但是如果前后顛倒，聽到的聲音就如同錄音帶倒放的聲音，聽起來很像某種外國語音。3.7回聲x, fs=wavread(d:aaa.wav);

15、 z=zeros(1000,1);x; x1=x;zeros(1000,1); y1=x1+z; sound(10*y1,fs);3.8加噪聲x1,fs=wavread(d:aaa.wav);t=0:1/fs:(length(x1)-1)/fs; d=0.03*cos(2*pi*5000*t); x2=x1+d;sound(10*x2,fs); 3.9除噪除噪即是讓帶有各種噪音的信號通過特定上下截止頻率的濾波器，使不需要的信號被剔除(tch)，留下需要的語音信號，并盡可能的保持其不失真。 x1,fs=wavread(d:aaa.wav);t=0:1/fs:(length(x1)-1)/fs;

16、Au=0.03;d=Au*cos(2*pi*5000*t); x2=x1+d;wp=0.25*pi;ws=0.3*pi; Rp=3;Rs=15;Fs=fs;Ts=1/Fs;wp1=2/Ts*tan(wp/2); ws1=2/Ts*tan(ws/2); N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,s);Z,P,K=buttap(N); Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn); bz,az=bilinear(b,a,Fs); f1=filter(bz,az,x2);sound(10*f1,Fs); 總結(zngji)這次課程項目讓我們比上學期

17、(xuq)信號與系統(tǒng)（2）時更加(gnji)熟練的使用matlab，并新增了界面部分的設計。通過這次項目更加顯現(xiàn)出了matlab這款軟件功能的強大，其自帶了很多實用的函數(shù)，如wavrecord和wavwrite函數(shù)，一個是錄制聲音，一個是存儲，如果自己能夠再加上適當?shù)臑V波那么錄下來聲音的效果應該是極好的。通過這個項目也讓我們明白了對于濾波器來說，無論是電路上的，還是在軟件上都是有一定的難度的，在設計濾波器的過程中發(fā)現(xiàn)聲音信號經過濾波器之后發(fā)生的很大的，整個聲音都有失真，這說明我們設計的濾波器的性能不是太好，有一定的功能但是不是很精細。還有感覺GUI真是一個方便操作的圖形操作系統(tǒng)，只要通過很簡單的拖動和一定的修改就可以產生你所看到的界面的代碼，然后在添加一點東西，各個鍵都有了自己的功能。GUI當然不是只有這么簡單，只要深入研究就可以做出漂亮的界面。項目之中涉及到了很多的我們學到的知識，比如fft變換和濾波器的設計等等，當然這都是不需要我們自己計算的，只要輸入一點簡