數(shù)字信號課程設(shè)計--基于matlab的語音濾波實驗

1、<p><b>　　數(shù)字信號課程設(shè)計</b></p><p>　　題目：基于MATLAB的語音濾波實驗</p><p>　　姓名： </p><p>　　班級： 電信1002班 </p><p>　　學號： <

2、;/p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　數(shù)字信號處理是研究用數(shù)字方法對信號進行分析、變換、濾波、檢測、調(diào)制、解調(diào)以及快速算法的一門技術(shù)學科。但很多人認為：數(shù)字信號處理主要是研究有關(guān)數(shù)字濾波技術(shù)、離散變換快速算法和譜分析方法。隨著數(shù)字電路與系統(tǒng)技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)也相應地得到發(fā)展，其應用領(lǐng)域十分廣泛。語音信號處理是研究用數(shù)字信號處

3、理技術(shù)和語音學知識對語音信號進行處理的新興學科，是目前發(fā)展最為迅速的學科之一，所以對其研究就顯得尤為重要。</p><p>　　Matlab語言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強大的計算機應用軟件，它可以講聲音文件變成離散的數(shù)據(jù)文件，然后用其強大的矩陣運算能力處理數(shù)據(jù)。這為本次課程設(shè)計提供了強大并良好的環(huán)境。</p><p>　　本設(shè)計要求自己通過手機清唱一段歌曲，并用windows自帶的錄音

4、機錄制下來，保存格式為.wav格式，而且要求對所錄的語音進行頻率均衡和加入混響效果。從網(wǎng)上下載相應的歌曲伴奏，經(jīng)過截取、加噪、消噪后，與混響后的清唱語音進行合成，制作成一首歌曲。采用語音合成可幫助學生加強理解，利用MATLAB濾波器可以很容易地實現(xiàn)語音信號的消噪過程，利用MATLAB的聲音處理函數(shù)設(shè)計語音合成實驗，配合語音媒體播放器可以很方便地將經(jīng)過數(shù)字處理后的語音效果直觀地體現(xiàn)出來，對于學生深刻理解數(shù)字信號處理中抽象數(shù)學運算的現(xiàn)實物理

5、意義很有幫助。</p><p>　　關(guān)鍵字：信號處理 語音合成 加噪 混響</p><p><b>　　一．設(shè)計目的與任務(wù)</b></p><p>　　首先錄制一段清唱歌曲語音信號，對其進行分析；然后在時域用數(shù)字信號處理的方法將信號進行人為地加噪與去噪處理，再進行延時混響處理。從網(wǎng)上下載一段該歌曲的伴奏，對伴奏進行截取、格式轉(zhuǎn)換

6、后，與伴唱歌曲進行合成，制作成一首歌曲，試聽效果，并與原始伴唱語音信號進行比較差別。通過數(shù)字信號處理的課程設(shè)計，鞏固和運用數(shù)字信號處理課程中的理論知識和實踐技能，掌握最基本的運用Matlab軟件處理信號的理論和方法，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決問題的能力。</p><p><b>　　二.設(shè)計的基本要求</b></p><p>　　錄制的語音清晰，分析語音信號的特點；

7、</p><p>　　探討語音分析、加噪、去噪、混響以及合成的基本方法；</p><p>　　寫出各個步驟的Matlab的程序代碼；</p><p>　　分析錄制的語音信號的時域波形；分析加噪、去噪與合成前后的語音信號波形；</p><p>　　熟悉加強濾波器的設(shè)計原理和濾波的過程；</p><p><b>

8、　　三．設(shè)計流程</b></p><p>　　圖1 語音合成流程圖</p><p>　　整體思路是先把歌曲清唱部分和伴奏部分分別錄制下來。清唱部分先進行加噪，然后進行去噪處理，再進行延時混響處理，最后就可以與伴奏部分進行合成。在伴奏處理部分，由于清唱時的節(jié)奏與伴奏的節(jié)奏可能不一致，因此需要將伴奏或清唱部分進行延時處理，最后進行合成即可。</p><p>

9、<b>　　四．實現(xiàn)過程</b></p><p>　　4.1 語音信號的采集</p><p>　　此次課程設(shè)計采用的語音信號是我清唱的歌曲《夢想天空分外藍》，錄音長度為一分零一秒，錄制軟件使用的是Windows自帶的錄音機，其保存形式為.wav文件。在準備伴奏是考慮過將網(wǎng)上下載下來的MP3格式的伴奏進行格式轉(zhuǎn)換，使其格式變成.wav的文件，但是發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換后的文件比原始文

10、件大很多，處理起來不方便，因此放棄了該打算，轉(zhuǎn)而采用使用播放器播放后錄音的方法。</p><p>　　4.２語音信號的處理</p><p>　?。矗玻薄∏宄Z音信號的加噪</p><p>　　將采集好的清唱語音用Matlab打開，使用的語句格式是x=wavread(‘YY.wav’)，fs為采樣頻率（Hz），本課程設(shè)計中的語音信號采樣頻率都為fs=44100Hz。

11、在語音信號中加入噪聲，程序如下：</p><p>　　x1=wavread('清唱.wav');%讀取語音信號,‘清唱’中無噪聲.</p><p>　　fs=44100; %原語音信的采樣率為44100Hz</p><p>　　fn=1000;　　　　　　　%設(shè)定噪聲的頻率為1000Hz</p><p&g

12、t;　　fn1=2000;　　　　　　　%設(shè)定噪聲的頻率為２000Hz</p><p>　　fn2=3000;　　　　　　　%設(shè)定噪聲的頻率為３000Hz</p><p>　　t=1:length(x1); %設(shè)置噪聲的度度跟原語音信一樣長,</p><p>　　x2=0.05*sin(2*pi*fn/fs*t);%產(chǎn)生幅度為2頻率為fn的正弦波作為噪

13、聲.</p><p>　　x3=0.05*sin(2*pi*fn1/fs*t);%產(chǎn)生幅度為2頻率為fn的正弦波作為噪聲.</p><p>　　x4=0.05*sin(2*pi*fn2/fs*t);%產(chǎn)生幅度為2頻率為fn的正弦波作為噪聲.</p><p>　　x=x1+x2'+x3'+x4'; %將原子核語音信號跟噪聲相加,x為帶有噪聲的語

14、音信號.</p><p>　　wavwrite(x,44100,'加噪清唱.wav');%將帶有噪聲的語音信號轉(zhuǎn)換為聲音,加噪清唱中將有噪聲</p><p>　　在課程設(shè)計過程中，曾嘗試直接過對原清唱語音信號進行頻譜分析，但由于文件太大超出了內(nèi)存，因此采用了先對原清唱信號進行抽樣，后對壓縮清唱信號進行頻譜分析的方法。原清唱信號抽樣程序如下：</p><p

15、>　　y=wavread('清唱.wav'); %y讀取原語音文件的數(shù)據(jù),變成一維數(shù)組</p><p>　　n=length(y); %取原語音文件的長度</p><p>　　s=4; %設(shè)置抽取倍率為2,也可設(shè)置為大于2的整數(shù)</p><p>　　y1=zeros(1,fix(n/s));

16、%定義y1為一空數(shù)組,fix()為向下取整</p><p>　　for i=1:fix(n/s) %for循環(huán)為實現(xiàn)s倍率抽取</p><p>　　y1(i)=y(s*i); %對y1重新賦值</p><p><b>　　end</b></p><p>　　wavwrite(y1',4410

17、0/4,'壓縮清唱.wav'); %將抽取后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為.wav文件，44100/s為播放時的數(shù)據(jù)讀取速率</p><p>　　加噪前后的頻譜圖如下：</p><p>　　剛開始試聽的時候，噪聲很大，原清唱信號被蓋住，影響濾波效果，因此再多次實驗后，將噪聲幅度衰減到原來的0.05以后比較好，加噪后的信號中清唱信號才能被識別出來。</p><p>　　

18、４．２２　清唱語音信號的消噪</p><p>　　打開Matlab，使用的語句格式ｘ=wavread(‘YY.wav’)將‘加噪清唱.wav’打開，用Matlab自帶的濾波器設(shè)計工具進行濾波器的設(shè)計，然后進行去噪處理，程序如下：</p><p>　　x=wavread('加噪清唱.wav');%讀取原語音信號,原清唱信號中帶有噪聲.</p><p>

19、　　y=filter(hn，1,x); </p><p>　　%Bndstop,FIR,Equiripple,Minimum order,Fs=44100,Fpass1=960,Fstop1=980,Fstop2=1020,Fpass2=1040,Apass1=1,Astop=60,Apass2=1</p><p>　　wavwrite(y,44100,'消噪1K赫茲清唱.w

20、av');</p><p>　　y1=filter(hn1,1,y); </p><p>　　%Bndstop,FIR,Equiripple,Minimum order,Fs=44100,Fpass1=1960,Fstop1=1980,Fstop2=2020,Fpass2=2040,Apass1=1,Astop=60,Apass2=1</p><p>

21、;　　wavwrite(y1,44100,'消噪2K赫茲清唱.wav');%將經(jīng)帶阻濾波消噪后的信號轉(zhuǎn)換為語音,lei3中將不再有噪聲</p><p>　　y2=filter(hn2,1,y1); %Bndstop,FIR,Equiripple,Minimum order,Fs=44100,Fpass1=2960,Fstop1=2980,Fstop2=3020,Fpass2=3050,Apass1

22、=1,Astop=60,Apass2=1</p><p>　　wavwrite(y2,44100,'消噪清唱.wav');%將經(jīng)帶阻濾波消噪后的信號轉(zhuǎn)換為語音,‘消噪清唱’中將不再有噪聲，頻譜分析圖如下：</p><p>　　從圖中可以看出濾波后的噪聲幅度很小，因此實現(xiàn)了濾波的效果。</p><p>　?。矗?　清唱語音信號的延時混響處理</

23、p><p>　　在消噪后，‘消噪清唱’中雖然沒有了噪聲，但清唱效果不太好，因此將消噪的信號進行延時混響處理，以期得到更好的效果，程序如下：</p><p>　　x=wavread('消噪清唱.wav'); %讀入原始聲音</p><p>　　n=1200; %設(shè)定延

24、遲時間t=n/fs秒,改變該數(shù)據(jù)可改變混響深度(時間間隔)</p><p>　　N=60; %y設(shè)定延遲級數(shù)為N級,改變該數(shù)據(jù)可改變次數(shù)</p><p>　　x1=[x;zeros(N*n,1)]; %將x通過補零延長到經(jīng)N級延時后的長度</p><p>　　for i

25、=1:N %進行N次延時,第一次延時在x前補n 個0,后補(N-1)*n個0</p><p>　　x2=[zeros(i*n,1);x;zeros((N-i)*n,1)]; %第i次延時在x前補i*n個0,后補(N-i)*n個0</p><p>　　x1=x1+1/(2*i)*x2; %將經(jīng)延

26、時的信號x1跟x逐次相加</p><p><b>　　end</b></p><p>　　wavwrite(x1,44100,'混響清唱.wav'); %將混響后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為聲音</p><p>　　４．２4　伴奏的延時處理</p><p>　　由于清唱時的節(jié)奏與伴奏的節(jié)奏不一致，因此需要

27、將伴奏或處理完成后的清唱進行延時處理，此次采用的是將伴奏部分進行延時處理，使其一致，程序如下：</p><p>　　x=wavread('伴奏.wav'); %讀入原始聲音</p><p><b>　　i=10;</b></p><p>　　n=2200;%設(shè)定延遲時間t=n/fs秒,改變該數(shù)據(jù)可改

28、變混響深度(時間間隔)</p><p>　　x2=[zeros(n*i,1);x]; %第i次延時在x前補i*n個0,后補(N-i)*n個0</p><p>　　wavwrite(x2,44100,'延時伴奏.wav'); %將混響后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為聲音</p><p>　　4.３語音信號的合成</p><p>　

29、　將已經(jīng)處理好的清唱信號與伴奏信號進行合成，程序如下：</p><p>　　x1=2*wavread('混響清唱.wav');%讀取原語音信號,混響清唱中無噪聲.</p><p>　　x2=2.1*wavread('延時伴奏.wav');%讀取原語音信號,延時伴奏中無噪聲.</p><p>　　lx1=length(x1);</

30、p><p>　　lx2=length(x2);</p><p>　　if(lx1>=lx2) </p><p>　　x2=[x2',zeros(1,lx1-lx2)];</p><p><b>　　else </b></p><p>　　x1=[x1',zeros(1,l

31、x2-lx1)];</p><p><b>　　end </b></p><p>　　x=x1'+x2; %將原子核語音信號跟噪聲相加,x為帶有噪聲的語音信號.</p><p>　　wavwrite(x,44100,'合成.wav');</p><p>　　

32、最后合成‘合成.wav’文件，最終順利完成該課程設(shè)計。</p><p>　　4.４ 課程設(shè)計主意事項：</p><p>　　一、錄制伴唱語音的時候應盡量選擇相對安靜的環(huán)境，在電腦上錄制最好使用比較好的錄音設(shè)備，這樣錄制的效果會比較好。</p><p>　　二、在設(shè)計濾波器的時候，應該先找出噪聲的頻率，再設(shè)計濾波器。對加噪的清唱語音信號應該連續(xù)濾波。若噪聲信號太強，即

33、幅度太大時應當先對噪聲幅度進行衰減，否則濾波效果不太理想。</p><p>　　三、在進行語音合成的時候應該對程序進行仔細的分析，如果伴奏的聲音大，伴唱的聲音小，那么就應該吧伴奏的聲音進行適度的衰減，從而保證伴奏與伴唱的幅度相匹配。</p><p><b>　　結(jié)語：</b></p><p>　　此次課程設(shè)計過程中，遇到了很多的困難與問題，但最

34、終在老師及同學的幫助之下順利地完成了課程設(shè)計。此次課程采用了高效快捷的開發(fā)工具——MATLAB，實現(xiàn)了信號的采集，信號的加噪并設(shè)計濾波器進行消噪處理，信號的延時混響處理，伴奏部分的延時，以及最后的合成。但在此期間也有不少值得改進的問題，比如在加噪部分時，剛開始所加的噪聲的幅度遠遠超過了語音信號的幅度，因此在加載噪聲后生成的語音信號中，原語音信號被噪聲基本覆蓋了。經(jīng)過多次試驗后發(fā)現(xiàn)，應該適度減低噪聲的幅度，才能達到更好的濾波效果，從而更好