数字信号处理项目设计.docx

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1、 数字信号处理B课程项目实施报告题目： 数字音效处理 组 号： 4 任课教师： 刘 凯 组 长： 11121626 卢 捷 20%成 员： 11121625 葛豪杰 20%成 员： 11121679 支钟振 20%成 员： 11121620 孙物一 20%成 员： 11121885 叶 成 20%联系方式： 18817391974 2013年10月15日一，项目设计要求：1.1设计一个数字音效处理器，能够实现语音信号的各种音效处理。要求：（1） 输入语音信号源为实际环境采集语音；（2） 至少实现3种音效处理功能；（3） 用人机交互界面操控、扬声器/耳机输出音效。二、 课程项目实施方案 一般的数

2、字处理器，内部的架构普遍是由输入部分和输出部分组成，其中属于音频处理部分的功能一般如下：输入部分一般会包括，输入增益控制、输入均衡调节、输入端延时调节、输入极性（相位）转换等功能。而输出部分一般有信号输入分配路由选择、高通滤波器、低通滤波器、均衡器、极性、增益、延时、限幅器启动电平这样几个常见的功能。声音是机械振动在弹性介质中传播的机械波。声音的强弱体现在声波压力的大小上，音调的高低体现在声音的频率上。声音用电表示时，声音信号在时间和幅度上都是连续的模拟信号。声音信号的两个基本参数是频率和幅度。频率是指信号每秒钟变化的次数，用Hz表示。幅度是指信号的强弱。 2.1数字音频 数字音频主要包括两类

3、：波形音频和MIDI音频。模拟声音在时间和幅度上是连续的，声音的数字化是通过采样、量化和编码，把模拟量表示的音频信号转换成由许多二进制数1和0组成的数字音频信号。数字音频是一个数据序列，在时间和幅度上是断续的。计算机内的基本数制是二进制，为此我们要把声音数据写成计算机的数据格式。将连续的模拟音频信号转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化），在这一处理技术中，涉及到音频的采样、量化和编码。2.2采样和量化声音进入计算机的第一步就是数字化，数字化实际上就是采样和量化。连续时间的离散化通过采样来实现，如果每隔相等的一小段时间采样一次，称为均匀采样(uniform sampling)；连续幅

4、度的离散化通过量化(quantization)来实现，把信号的强度划分成一小段一小段，如果幅度的划分是等间隔的，就称为线性量化，否则就称为非线性量化。 在数字音频技术中，把表示声音强弱的模拟电压用数字表示，如0.5V电压用数字20表示，2V电压是80表示。模拟电压的幅度，即使在某电平范围内，仍然可以有无穷多个，如1.2V,1.21V,1.215V。而用数字来表示音频幅度时，只能把无穷多个电压幅度用有限个数字表示。即把某一幅度范围内的电压用一个数字表示，这称之为量化。声音数字化需要注意两个问题：1.每秒钟需要采集多少个声音样本，也就是采样频率(fs)是多少，2.每个声音样本的位数(bit per

5、 sample，bps)应该是多少，也就是量化精度。2.3音频信号的特点（1） 音频信号是时间依赖的连续媒体。因此音频处理的时序性要求很高，如果在时间上有 25ms 的延迟，人就会感到断续。（2） 理想的合成声音应是立体声。由于人接收声音有两个通道（左耳、右耳），因此计算机模拟自然声音也应有两个声道，即立体声。（3） 由于语音信号不仅仅是声音的载体，同时情感等信息也包含其中，因此对语音信号的处理，要抽取语意等其它信息，如可能会涉及到语言学、社会学、声学等。2.4设计思想从人与计算机交互的角度来看音频信号相应的处理如下：（1） 人与计算机通信(计算机接收音频信号)。音频获取，语音识别与理解。（2

6、） 计算机与人通信(计算机输出音频)。 音频合成（ 音乐合成，语音合成）、声音定位（立体声模拟、音频/视频同步）。（3） 人计算机人通信：人通过网络，与处于异地的人进行语音通信，需要的音频处理包括：语音采集、音频编码/解码、音频传输等。这里音频编/解码技术是信道利用率的关键。三，matlab程序部分3.1界面GUIGUI 是 Graphical User Interface 的简称，即图形用户界面，准确来说 GUI 就是屏幕产品的视觉体验和互动操作部分。GUI 是一种结合计算机科学、美学、心理学、行为学，及各商业领域需求分析的人机系统工程，强调人机环境三者作为一个系统进行总体设计。图形用户界面

7、（GUI）是由图形对象构成的用户界面。在这里面最典型的就是GUI设计向导GUIDE，GUIDE能帮助用户方便的设计出来各种复合要求的用户界面。3.2滤波器：滤波是指改变信号中各个频率分量的相对大小，或者抑制，甚至全部滤除某些全部分量的过程。能够完成滤波功能的系统即为滤波器。我们使用频率选择滤波器，就是让一个或者一组频率范围内的信号尽可能无失真地通过，且衰减或者完全抑制其余滤波范围的信号。一、IIR数字滤波器的设计方法目前，IIR数字滤波器设计最通用的方法是借助于模拟滤波器的设计方法。模拟滤波器设计已经有了一套相当成熟的方法，它不但有完整的设计公式，而且还有较为完整的图表供查询，因此，充分利用这

8、些已有的资源将会给数字滤波器的设计带来很大方便，IIR数字滤波器的设计步骤是：(1)按一定规则将给出的数字滤波器的技术指标转换为模拟滤波器的技术指标；(2)根据转换后的技术指标设计模拟低通滤波器H(s)；(3)在按一定规则将H(s)转换为H(z)。若所设计的数字滤波器是低通的，那么上述设计工作可以结束，若所设计的是高通、带通或者带阻滤波器，那么还有步骤：(4)将高通、带通或者带阻数字滤波器的技术指标先转化为低通滤波器的技术指标，然后按上述步骤(2)设计出模拟低通滤波器H(s)，再由冲击响应不变法或双线性变换将H(s)转换为所需的H(z)。s - z 映射的方法有：冲激响应不变法、阶跃响应不变法

9、、双线性变换法等。下面讨论双线性变换法。双线性变换法8是指首先把s 平面压缩变换到某一中介平面s1 的一条横带(宽度为2T,即从- T到T) ,然后再利用的关系把s1平面上的这条横带变换到整个z 平面。这样s 平面与z 平面是一一对应关系, 消除了多值变换性, 也就消除了频谱混叠现象。s 平面到z 平面的变换可采用 (2-5) (2-6)令 ，有： (2-7)从s1 平面到z 平面的变换,即 (2-8)代入上式，得到： (2-9) 一般来说，为使模拟滤波器的某一频率与数字滤波器的任一频率有对应关系，可引入代定常数c， (2-10)则 (2-11) 这种s 平面与z 平面间的单值映射关系就是双线

10、性变换。有了双线性变换，模拟滤波器的数字化只须用进行置换。二巴特沃斯滤波器（buttlerworth）设计巴特沃斯滤波器的步骤 1.阶数N 2. 归一化传输函数G（p）3. 将G（p）去归一化特点：具有通带内最大平坦的振幅特性，且随f，幅频特性单调。其幅度平方函数：(3-1)N为滤波器阶数，如图3-1图3-1、 巴特沃斯滤波器振幅平方特性通带： 使信号通过的频带阻带：抑制噪声通过的频带过渡带：通带到阻带间过渡的频率范围 c ：截止频率。 过渡带为零理想滤波器 阻带|H(j )|=0 通带内幅度|H(j)|=cons. H(j)的相位是线性的图3-1中，N增加，通带和阻带的近似性越好，过渡带越陡

11、。通带内，分母/c1, ( /c)2N1， ( /c)2N1, 增加， A(2)快速减小。=c, ,幅度衰减，相当于3db衰减点。振幅平方函数的极点 (3-2) 可见，Butter worth滤波器 的振幅平方函数有2N个极点，它们均匀对称地分布在|S|=c的圆周上。考虑到系统的稳定性，知DF的系统函数是由S平面左半部分的极点(SP3，SP4，SP5)组成的，它们分别为：(3-3)系统函数为： (3-4)令 ，得归一化的三阶BF： (3-5)如果要还原的话，则有(3-6) Matlab模拟巴特沃斯低通滤波器Wp=2*pi*1000;Ws=2*pi*2000;Ap=2;As=30; n,Wn=b

12、uttord(Wp,Ws,Ap,As,s); b,a=butter(n,Wn,s); figure(1); freqs(b,a,20000) 下限频率1000Hz，上限频率2000Hz，通带内最多下降3db，通带外衰减大于30db。3.3录音部分fs=8000; duration=8; nbits=16;waveFile=d:xm.wav;y=wavrecord(duration*fs); wavwrite(y,fs,nbits,waveFile); 直接调用matlab内部函数wavrecord对麦克风的信号进行录制，并使用wavwrite函数将其存储到预先设置好的位置，以方便下一次的调用。

13、Duration为录制长度，以秒为单位。Nbits为每个点的分辨率。3.4声音混叠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快放与慢放快放部分y, fs=wavread(d:aaa.wav);wavplay(5*y, 2.0*fs);如果改变采样频率，就会改变整个信号的时间，从而影响音调。慢放部分y, fs=wavread(d:aaa.wav);wavplay(10*y, 0.6*fs);3.6倒放 y, fs=wavread(d:aaa.wa

14、v); wavplay(10*flipud(y), fs);将声音信号上下颠倒，听到的声音基本是一样的。但是如果前后颠倒，听到的声音就如同录音带倒放的声音，听起来很像某种外国语音。3.7回声x, fs=wavread(d:aaa.wav); z=zeros(1000,1);x; x1=x;zeros(1000,1); y1=x1+z; sound(10*y1,fs);3.8加噪声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

15、噪即是让带有各种噪音的信号通过特定上下截止频率的滤波器，使不需要的信号被剔除，留下需要的语音信号，并尽可能的保持其不失真。 x1,fs=wavread(d:aaa.wav);t=0:1/fs:(length(x1)-1)/fs; 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=zp2t

16、f(Z,P,K);b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn); bz,az=bilinear(b,a,Fs); f1=filter(bz,az,x2);sound(10*f1,Fs); 总结这次课程项目让我们比上学期信号与系统（2）时更加熟练的使用matlab，并新增了界面部分的设计。通过这次项目更加显现出了matlab这款软件功能的强大，其自带了很多实用的函数，如wavrecord和wavwrite函数，一个是录制声音，一个是存储，如果自己能够再加上适当的滤波那么录下来声音的效果应该是极好的。通过这个项目也让我们明白了对于滤波器来说，无论是电路上的，还是在软件上都是有一定的难度的，在设计滤波

17、器的过程中发现声音信号经过滤波器之后发生的很大的，整个声音都有失真，这说明我们设计的滤波器的性能不是太好，有一定的功能但是不是很精细。还有感觉GUI真是一个方便操作的图形操作系统，只要通过很简单的拖动和一定的修改就可以产生你所看到的界面的代码，然后在添加一点东西，各个键都有了自己的功能。GUI当然不是只有这么简单，只要深入研究就可以做出漂亮的界面。项目之中涉及到了很多的我们学到的知识，比如fft变换和滤波器的设计等等，当然这都是不需要我们自己计算的，只要输入一点简单的参数就可以出结果。但是这都是软件带给我们的方便，自己的理论知识也是很重要的，所以也要重视这一块。这样项目就是加深我们对于知识的理解，这样就非常的好。分工情况： 1. 查找和收集资料：葛豪杰、卢捷、支钟振2. 初期报告：卢捷、叶成3. 编程：孙物一、支钟振4. 调试：葛豪杰、叶成5. 最终报告：孙物一