【正文】 Dsp 課程設計 基于 Matlab 的聲音的延遲與混響 摘要 數(shù)字信號處理技術(shù)自誕生以來，有了快速的發(fā)展， 主要是研究用數(shù)字或符號序列表示和處理信號，被廣泛應用于各個領域。本次設計是用 MATLAB 語言對語音信號進行采樣分析，并設計數(shù)字濾波器對信號進行濾波，比較濾波前后信號特性的變化。用 MATLAB 提供的 GUI界面開發(fā)環(huán)境設計用戶圖形界面使布局編程簡化。 關鍵詞 Matlab 語音信號處理 正文 ： 數(shù)字信號處理是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興 而古老的學科，它在新的領域如生物醫(yī)學工程、聲學、雷達、地震不、語音通信、數(shù)據(jù)通信、核科學等學科發(fā)揮著重要的作用，而它所采用的各種方法及眾多應用已有悠久的歷史；同時也是一門具有很強的理論性與實踐性，且理論和技術(shù)發(fā)展都十分迅速的前沿性學科。隨著數(shù)字化時代的來臨，科學技術(shù)的進步而生產(chǎn)發(fā)展需求的與日俱增，促進了數(shù)字信號處理學科的發(fā)展，產(chǎn)生了各種巧妙的信號處理算法；特別是計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，為數(shù)字信號處理增添了巨大的生命力。 數(shù)字信號處理主要是研究用數(shù)字或符號序列表示和處理信號。處理的目的可以是削弱信號中的多余 內(nèi)容，濾除混雜的噪聲和干擾，或者是將信號變換為容易分析和識別的形式，便于估計和選擇它的特征參數(shù)。例如通過分析和運算，可以估計腦電圖或心電圖中的某種特征參數(shù)，幫助醫(yī)生查找病因和分析病情，確定合理的治療方案；又如，信號在傳輸時，要受到各種干擾，包括失真、衰落和混入的背景噪聲，信號處理要排除這些干擾。 聲音信號是一維連續(xù)信號 ,而計算機只能處理離散信號。為了從離散信號還原連續(xù)信號 ,根據(jù)采樣定理 ,可以確定采樣頻率的最小值。 wav 文件是一種數(shù)字聲音文件格式 ,本課程設計基于 Matlab 分析了 wav 聲音文件頻譜與聲音的關系 。通過采集個人的一段聲音進行頻譜分析等處理，然后設計數(shù)字濾波器處理這個原始聲音的 wav 文件 ,并比較濾波以后輸出聲音信號與原聲音信號的異同。 2 設計要求 (1)利用 Windows下的錄音機或其他軟件，錄制一段語音信號，時間控制在 1min左 右 。 (2)將音頻文件加載到 matlab 中，用合適的方式對信號經(jīng)行處理 (3)回答以下四個問題：為什么要選擇這段語音信號？你怎么處理這段語音信號？為什么你選擇用這種方式進行處理？處理結(jié)果是什么？ 3 設計的總體方案與原理 基本思路 根據(jù)設計要求，我們商定的處理方式是基于 matlab 來進行聲音的延遲與混響 設計流程 錄制一段語音信號，時長為 15s，并對錄制的信號進行采樣 語音信號的頻譜分析，畫出采樣后語音信號的時域波形和頻譜圖 將信號加入延時和混響，再分析其頻譜，并與原始信號頻譜進行比較 設計幾種特殊類型的濾波器：單回聲濾波器，多重回聲濾波器，無限個回聲濾波器，全通結(jié)構(gòu)的混響器，并畫出濾波器的頻域響應 用自己設計的濾波器對采集的語音信號進行濾波 分析得到信號的頻譜，畫出濾波后信號的時域波形和頻譜，并對濾波前后的信號進行對比，分析信號的變化 回放語音信號 設計的詳細原理 信號采樣 （ 1）采樣頻率 采樣頻率是指計算機每秒鐘采集多少個聲音樣本，采樣頻率越高，即 采樣的間隔時間越短，則在單位時間內(nèi)計算機得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對聲音波形的表示也越精確。只有采樣頻率高于聲音信號最高頻率的兩倍時，才能把數(shù)字信號表示的聲音還原成為原來的聲音。 （ 2）采樣位數(shù) 即采樣值或取樣值，用來衡量聲音波動變化的參數(shù)，是指聲卡在采集和播放聲音文件時所使用數(shù)字聲音信號的二進制位數(shù)。聲卡的位客觀地反映了數(shù)字聲音信號對輸入聲音信號描述的準確程度。聲卡的主要的作用之一是對聲音信息進行錄制與回放，在這個過程中采樣的位數(shù)和采樣的頻率決定了聲音采集的質(zhì)量。 混響與延時 (1)混響效果主 要是用于增加音源的融合感。自然音源的延時聲陣列非常密集、復雜，所以模擬混響效果的程序也復雜多變。常見參數(shù)有以下幾種： 混響時間：能逼真的模擬自然混響的數(shù)碼混響器上都有一套復雜的程序，其上雖然有很多技術(shù)參數(shù)可調(diào)，然而對這些技術(shù)參數(shù)的調(diào)整都不會比原有的效果更為自然，尤其是混響時間。 高頻滾降：此項參數(shù)用于模擬自然混響當中，空氣對高頻的吸收效應，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 ~。此值較高時，混響效果也較接近自然混響；此值較低時，混響效果則較清澈。 擴散度：此項參數(shù)可調(diào)整混響聲陣密度 的增長速度，其可調(diào)范圍為 0~10，其值較高時，混響效果比較豐厚、溫暖；其值較低時，混響效果則較空曠、冷僻。 預延時：自然混響聲陣的建立都會延遲一段時間，預延時即為模擬次效應而設置。 聲陣密度：此項參數(shù)可調(diào)整聲陣的密度，其值較高時，混響效果較為溫暖，但有明顯的聲染色；其值較低時，混響效果較深邃，切聲染色也較弱。 頻率調(diào)制：這是一項技術(shù)性的參數(shù)，因為電子混響的聲陣密度比自然混響稀疏，為了使混響的聲音比較平滑、連貫，需要對混響聲陣列的延時時間進行調(diào)制。此項技術(shù)可以有效的消除延時聲陣列的段裂聲，可以增加混響聲的柔和 感。 調(diào)治深度：指上述調(diào)頻電路的調(diào)治深度。 (2)延時就是將音源延遲一段時間后，再欲播放的效果處理。依其延遲時間的不同，可分別產(chǎn)生合唱、鑲邊、回音等效果。 當延遲時間在 3~35ms之間時人耳感覺不到滯后音的存在，并且他與原音源疊加后，會因其相位干涉而產(chǎn)生 梳狀濾波 效應，這就是鑲邊效果。如果延遲時間在 50ms以上時，其延遲音就清晰可辨，此時的處理效果才是回音。回音處理一般都是用于產(chǎn)生簡單的混響效果。 延時、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： *延時時間（ Dly），即主延時電路的延時時 間調(diào)整。 *反饋增益（ FB Gain），即延時反饋的增益控制。 *反饋高頻比（ Hi Ratio），即反饋回路上的高頻衰減控制。 *調(diào)制頻率（ Freq），指主延時的調(diào)頻周期。 *調(diào)制深度（ Depth），指上述調(diào)頻電路的調(diào)制深度。 *高頻增益（ HF），指高頻均衡控制。 *預延時（ Ini Dly），指主延時電路預延時時間調(diào)整。 *均衡頻率（ EQ F），這里的頻率均衡用于音色調(diào)整，此為均衡的中點頻率選擇。 由于延時產(chǎn)生的效果都比較復雜多變，如果不是效果處理專家，建議使用設備提供的預置參數(shù)，因為這些預置參數(shù)給出的處理 效果一般都比較好。 濾波器設計 本次設計用 IIR濾波器對信號進行濾波，函數(shù)名為 filter 函數(shù) filter的調(diào)用格式為 y=filter(b,a,x) 該格式采用數(shù)字濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波，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、分母多項式的系數(shù)，若 a＝ 1，此時表示 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 x中的數(shù)據(jù)進行濾波，結(jié)果放入向量 y。 （ 1）單回聲濾波器 回音可以由簡單的延時單元產(chǎn)生。直達聲和在 R 抽樣周 期后出現(xiàn)的一種單個回音，可以用 FIR 濾波器產(chǎn)生，微分方程為： y[n]=x[n]+α x[nR] |α |1 傳輸函數(shù)為： H(z)=1+α zR 傳遞函數(shù)的幅頻響應形狀象梳子，這種濾波器又叫梳狀濾波器。 （ 2）多重回聲濾波器 為了產(chǎn)生以間隔 R個抽樣周期分開的具有指數(shù)衰減振幅的多重回聲，可用一個以下形式傳輸函數(shù)的 FIR 濾波器：RNRNRNNRRzzzzzzH ??????????????? ????? 111)( )1(122 ? 無限個振幅以指數(shù)衰減間隔為 R 個抽樣周期的多重回聲可用以下形式傳輸函數(shù)的 IIR 濾波器生成： 1||1 1)( ???? ?? RzzH IIR 多重回聲濾波器的基本頻率 FR=Fs/R，通常鎖定在伴音設備的基頻上，比如基鼓拍子。 （ 3）無限個回聲濾波器的系統(tǒng)函數(shù) : RRazzzH???? 1)( , a 1 （ 4）全通結(jié)構(gòu)的混響器的系統(tǒng)函數(shù) : 全通濾波器的傳遞函數(shù)公式為 H(Z)=y(Z)/X(Z)=(K+Z^(m))/(1K*Z^(m)) 其中 m 為回聲延時取樣， k 為反饋系數(shù)。 用直接 1型表示這個傳遞函數(shù)則為： y(n)=k*x(n)+x(nm)+k*y(nm) 可見其實際上是一個簡單的 IIR 濾波器，時間 n的輸出有時間 n的輸入和 m 點之前的輸入與輸出計算而得。由于這個 IIR 濾波器的頻率響應為水平直線，所以被稱為全通濾波器。 GUI 界面 圖形用戶界面 GUI (Graphics User Interface) 是由各種圖形對象 ,如圖形窗口、圖軸、菜單、按鈕、文本框等構(gòu)建的用戶界面 ,是人機交流信息的工具和方法。 GUI 設計即可以基本的 MATLAB 程序設計為主 ,也可以鼠標為主利用 GUIDE 工具進行設計。 GUIDE ( Graphics User Interface Design Environ2ment) 是一個專用于GUI 程序設計的快速開發(fā)環(huán)境 ,使用者通過鼠標就能迅速地產(chǎn)生各種 GUI 控件 ,并隨心所欲地改變它們的外形、大小及顏色等 ,從而幫助用戶方便地設計出各種符合要求的圖形 用戶界面。調(diào)用 GUIDE 的方法有 2 種 ,在 MATLAB 命令窗口中輸入 guide 命令 ,或在 MATLAB 主菜單中點擊 File → New → GUI 即可打開一個可編輯的新窗口。 在 GUIDE 設計環(huán)境中 ,需要用到的工具有屬性編輯器、控件布置編輯器、菜單編 輯器、對象瀏覽器、網(wǎng)格標尺設置編輯器以及 GUI 應用屬性設置編輯器等。 GUI 設計面板是 GUI 設計工具應用的平臺 ,面板上部提供了菜單和常用工具按鈕 ,左邊提供了多種 GUI 控件 ,如按鈕、單選按鈕、復選框、文本框等。進行 GUI 設計時 ,首先單擊 GUI 面板左邊所需的控件 ,然后在右邊的圖形界面編輯區(qū)中再次單擊某一恰當?shù)奈恢?,這時將在該位置上為圖形界面添加一相應的控件 ,接下來 ,通過屬性編輯器和對齊編輯器對各控件設置相關屬性和進行界面布置 ,以完善界面功能。 程序流程 4 程序設計步驟 （ 1） GUI 界面的設計 function varargout = untitled(varargin) gui_Singleton = 1。 gui_State = struct(39。gui_Name39。, mfilename, ... 39。gui_Singleton39。, gui_Singleton, ... 39。gui_OpeningF39。, @untitled_OpeningF, ... 39。gui_OutputF39。, @untitled_OutputF, ... 39。gui_LayoutF39。, [] , ... 39。gui_Callback39。, [])。 if nargin amp。amp。 ischar(varargin{1}) = str2func(varargin{1})。 end if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainf(gui_State, varargin{:})。 else gui_mainf(gui_State, varargin{:})。 end function untitled_OpeningF(hObject, eventdata, handles, varargin) = hObject。 guidata(hObject, handles)。 function varargout = untitled_OutputF(hObject, eventdata, handles) varargout{1} = 。 （ 2） 原始語音信號時域波形和頻譜 function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) [y,fs,bits]=wavread(39。C:\Users\Administrator\Desktop\ 音 頻 信號 .wav39。)。%讀取原始音頻信號 y=y(:,1)。%只取單信道 sound(y,fs,bits)。%播放原始信號 Y=fft(y)。%對原始信號取傅里葉變換 subplot(2,2,1:2)。plot(y)。title(39。原始信號時域波形 39。)。 subplot(2,2,3)。plot(abs(Y))。title(39。原始信號幅頻 39。)。 subplot(2,2,4)。plot(angle(Y))。title(39。原始信號相頻 39。)。 （ 3） 采樣后語音信號的時域波形和頻譜 function pushbutton2_Callback(hObjec