数字信号处理 课 程 设 计

《数字信号处理课程设计》

课程总结报告

题目运用matlab的数字音效处理系统设计

学院电子信息工程学院

专业通信工程

姓名赵亚

学号P2*******

队员吴双胜程勇

20 15 年 12月 21日

安徽大学电子学院通信工程系

目录

一、设计的目的和意义--------------------------------------------- 4

1.1设计的目的和意义------------------------------------------------ 4 1.2关于MATLAB软件：------------------------------------------- 4

1.3课题要求及分工--------------------------------------------------- 5

二、实现方案--------------------------------------------------------- 5

2.1总体方案------------------------------------------------------------ 5

2.2设计流程图--------------------------------------------------------- 6

三、设计原理 ---------------------------------------------------------- 7

3.1回声部分设计------------------------------------------------------ 7 3.2混响部分设计------------------------------------------------------ 8

3.3和声部分设计------------------------------------------------------ 8

四、设计过程 ---------------------------------------------------------- 9

4.1设计方案------------------------------------------------------------ 9 4.2实验程序---------------------------------------------------------- 10 4.2.1原始信号分析 ------------------------------------------------- 10 4.2.2回声信号的产生与分析 ------------------------------------- 12 4.2.3混响的产生与分析 ------------------------------------------- 16 4.2.4和声的产生与分析 ------------------------------------------- 19 4.4.5简易的界面设计 ---------------------------------------------- 21 4.5实验结果分析---------------------------------------------------- 21

五、设计总结 -------------------------------------------------------- 22

5.1课程设计的可取之处：---------------------------------------- 22 5.2课程设计的不足------------------------------------------------- 22

5.3编程中遇到的问题---------------------------------------------- 22

六、收获与感受 ----------------------------------------------------- 23

七、参考文献 -------------------------------------------------------- 24

一、设计的目的和意义

1.1设计的目的和意义

现在随着时代的发展，人类已开始进入了信息化时代，用现代手段研究语音信号，使人们能更加有效地产生、传输、存储、获取和应用语音信息，这对于促进社会的发展具有十分重要的意义。学习了数字信号处理以及相关课程，就想自己动手做一段音频处理，来锻炼自己的动手能力，把知识学以致用。

一般的录音是单声道的，放音时也是由一个扬声器发出声音，感觉不到立体感，因此就需要我们对声音进行处理，使得声音信号在平时听起来也可以产生立体感。

综合所学的数字信号处理知识，利用MATLAB语言编程进行单回声、多回声、混音和和声的设计，并对处理后的信号进行频谱分析，实现的单回声、多回声、混音及和声的产生。同时通过处理音乐，我们也能更加的了解编码，熟悉运用MATLAB软件来处理音乐、声音，并熟悉数字信号处理方面的理论知识。

1.2关于MATLAB软件：

1.MATLAB语言具备高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；

2. 具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；

3. 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；

4. 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，

为用户提供了大量方便实用的处理工具。

1.3课题要求

1.课题要求

(1).录制采集一段自己的语音信号；

(2).设计滤波器，实现单回声、多回声、混响效果和和声效果；

二、实现方案

2.1总体方案

首先，对原始的音频信号进行频谱分析；然后通过数字信号处理对原声信号进行延时，衰减，产生单回声信号及多回声信号，通过图形与原声信号进行比较。

混响效果主要是用于增加音源的融合感。自然音源的延时声阵列非常密集、复杂，所以模拟混响效果也复杂多变。声音在一个密闭的控件到达听众时，包含直达声、早期的反射和混响几部分。早期的反射有几个空间上临近的直达声的基本延迟和衰减组成，而混响则有密集的回声组成。

当振幅有少量变换并声音之间有很少的时间差别时，会产生和声效果。延时可用如下函数实现：

))(1(2

)(0n CO S R

n ωβ

-=

注意：在时刻n 处)(n β的值通常是一个非整数值，在实际视线中，输出样本值需要用到内插法进行计算。

2.2设计流程图

1.通过计算机中的y=fft(x)傅里叶变换，对原声信号和回声信号进行频谱分析。

2.通过设计FIR 、IIR 滤波器对原声信号进行衰减、延时产生一次、

打开界面选择功

能

原信号分析

输出原信号分析波形

原信号取样 设计一个FIR 滤波器，进行延时及衰减处理，得到回声信号。

频谱分析，绘出信号的频谱图以及时域波形

单回声

设计一个IIR 滤波器，进行延时及衰减处理，得到回声信号。将每一级回声相对于上一级回声一次衰减和延时R 个周期

频谱分析，绘出信号的频谱图以及时域波形

多回声 设计全通滤波器，进行延时和叠加，达到混响效果。

频谱分析，绘出信号的频谱图以及时域波形

混响

设计滤波器，把原信号进行不同延迟和衰减，叠加达到和声效果。

频谱分析，绘出信号的频谱图以及时域波形

和声

多次（次数可通过N 改变，此处以三次为例）。

三、设计原理

3.1回声部分设计原理

回声的定义：当声音投射到距离声源有一段距离的大面积上时，声能的一部分被吸收，而另一部分声能会被反射会俩，如果听者听到由声源直接发出的声和反射回来的声的时间间隔超过1/10秒，就能分辨这是两个声音，将返回的声音成为“回声”。 1、单回声滤波器：

回声可以由简单的延时单元产生。直达声和在R 抽样周期后出现的一种单个回音可以用FIR 滤波器产生。微分方程为：

y(n)=x(n)+αx(n-R)

该差分方程的系统函数可表示为：

H （z ）=1+R z -α

传递函数的幅频响应形状像梳子，这种滤波器又叫做梳状滤波器 此滤波器为FIR 滤波器，其结构图如下：

α

图2.2FIR 滤波器结构

2、多重回声滤波器：

y(n)

x(n)

R

z

-

为了产生以间隔R 个抽样周期分开的具有指数衰减振幅的多重回声，可用一个以下形式传输函数的IIR 滤波器：

R NR

N R

N R

R

z z z

z

z

z H 1)1(1

N 2211```1)(-------?-?-=

?++?+?+=ααα

αα

无限个振幅以指数衰减间隔为R 个抽样周期的多重回声可用以下形式传输函数的IIR 滤波器生成：

1,11

)(

z

z H IIR 滤波器结构图:

图2.3IIR 滤波器结构图

3.2混响部分设计原理

混响则有密集的回声组成。上述多重回声滤波器不能提供自然声音混响。有其幅频特性可知其幅度响应对于所有频率不是常数，不能达到应产生的效果。为了产生更真实的混响效果，采用全通结构的混响器器，其传输函数为：

1,1)(

R z z z H

3.3和声部分设计原理

x(n)

y(n)

R z -

和声是对原始信号进行不同程度的衰减和延时，最后这些信号和原信号进行叠加会产生和声效果。延时可用如下函数实现：

()()n cos 12

)(0ωβ-=

R

n 四、设计过程 4.1设计方案

1.读取语音信号与回放

一段合适的原声信号，用

“[x,fs]=audioread('d:\v4.mp3');”来读取录制好的语音信号，这是以采样频率fs 来读取语音，并将采样信号值放入x 中。 用sound(x,fs)对声音信号进行回放。 2.傅里叶变换FFT

傅里叶变换调用格式：y=fft(x)

其中，x 是序列，y 是序列的FFT,x 可以为一向量或矩阵，若x 为一向量，y 是x 的FFT 。且和x 相同长度。若x 为一矩阵，则y 是对矩阵的每一列向量进行FFT 。如果x 长度是2的幂次方，函数fft 执行高速基-2FFT 算法；否则fft 执行一种混合基离散傅里叶变换算法，计算速度大较慢。 3.函数filter

函数filter 的调用格式为：y=filter(b,a,x)

该格式采用数字滤波器对数据进行滤波，既可以用于IIR 滤波器，也可以用于FIR 滤波器。其中向量b 和a 分别表示系统函数的分子、分母多项式的系数，若a=1,此时表示FIR 滤波器，否则就是IIR 滤波

器。该函数是利用给出的向量b和a,对x中的数据进行滤波，结果放入向量y。

4.函数zearos

函数的一种调用格式为：B=zeros(n)

返回一个n*n的矩阵，其元素都为0，如果参数n不是一个标量就会报错。

函数的另一种调用格式为：B=zeros(m,n)或B=zeros([m n])

返回一个m*n的零矩阵。

函数的另一种调用格式为：B=zeros(m,n,p,...)或B=zeros([m n p ...])

返回一个m*n*p*...的零矩阵。注意：参数m,n,p都是非负整数，负整数都会看成0。

4.2实验程序

4.2.1原始信号分析

读取一段语音信号，画出其时域波形图，用fft对语音信号进行傅里叶变换，并画出其相位与幅值。

（1）实验程序：

[x,fs]=audioread('d:\v4.mp3');

x=x(:,1);

n1=0:2000;

N=size(x,1);

figure(1);

subplot(2,1,1);

plot(x);

title('原始信号的时域波形');

Y=fft(x);

subplot(2,1,2);

plot(n1(1:1000),Y(1:1000));

title('原始信号的频谱图');

figure(2);

subplot(2,1,1);

plot(abs(Y));

title('幅值');

subplot(2,1,2);

plot(angle(Y));

title('相位');

sound(x,fs);

（2）实验结果

4.2.2回声信号的产生

对原始信号取出单声道信号，并用filter函数对其进行衰减和延时，得到回声信号。

1、FIR滤波器产生一次回声

（1）实验程序：

[x,fs]=audioread('d:\v4.mp3');

R=5000;

n1=0:2000;

num=[1,zeros(1,R-1),0.8];

den=[1];

y=filter(num,den,x);

figure(1);

subplot(2,1,1);

plot(y);

title('单回声后信号时域波形');

y1=fft(y);

subplot(2,1,2);

plot(n1(1:1000),y1(1:1000));

title('单回声后信号频谱图');

figure(2);

subplot(2,1,1);

plot(abs(y1));

title('单回声后信号幅值');

subplot(2,1,2);

plot(angle(y1));

title('单回声后信号相频响应');

sound(y,fs);

（2）实验结果：

2.IIR滤波器产生多次回声：

yy2=filter(1,[1,zeros(1,80000/(N+1)),0.7]，[b’,zeros(1,40000)]);通过改变的N 的数值可设置回声的次数，

（1）实验程序：

[x,fs]=audioread('d:\v4.mp3');

N=3;

a=0.8;

R=5000;

n1=0:2000;

num=[1,zeros(1,N*R-1),0.8^N];

den=[1,zeros(1,N*R-1),0.8];

z=filter(num,den,x);

figure(1);

subplot(2,1,1);

plot(z);

title('多回声后信号时域波形');

z1=fft(z);

subplot(2,1,2);

plot(n1(1:1000),z1(1:1000));

title('多回声后信号频谱图');

figure(2);

subplot(2,1,1);

plot(abs(z1));

title('多回声后信号幅频响应');

subplot(2,1,2);

plot(angle(z1));

title('多回声后信号相频响应');

sound(z,fs);

（2）实验结果：

4.2.3混响的产生

在整理资料时发现，其中对原信号的读取位数大小和FFT变换的点数都会影响其频谱图。

（1）实验程序：

[x,fs]=audioread('d:\v4.mp3');

N1=3;

a1=0.6;

R1=2000;

n1=0:2000;

num1=[1,zeros(1,N1*R1-1),0.6^N1];

den1=[1,zeros(1,R1-1),0.6];

p1=filter(num1,den1,x);

N2=4;

a2=0.7;

R2=2000;

num2=[1,zeros(1,N2*R2-1),0.7^N2]; den2=[1,zeros(1,R2-1),0.7];

p2=filter(num2,den2,x);

p3=p1+p2;

a8=0.8;

R8=1100;

num11=[0.8,zeros(1,R8-1),1];

den11=[1,zeros(1,R8-1),0.8];

p4=filter(num11,den11,p3);

y=x+p4;

[h1,w1]=freqz(num1,den1);

[h2,w2]=freqz(num2,den2);

[h3,w3]=freqz(num11,den11);

H=(h1+h2).*h3;

figure(1);

subplot(2,1,1);

plot(y);

title('混响时域波形');

y1=fft(y);

subplot(2,1,2);

plot(n1(1:1000),y1(1:1000));

title('混响频谱图');

figure(2)

subplot(2,1,1);

H1=fft(y);

plot(abs(H1));

title('混响信号幅频响应');

subplot(2,1,2);

plot(angle(H1));

title('混响信号相频响应');

sound(y,fs);

（2）实验结果：

4.2.4和声的产生

和声是对原始信号进行不同程度的衰减和延时，最后这些信号和原信号进行叠加产生的：

（1）实验程序：

[x,fs]=audioread('d:\v4.mp3');

x1=x(1:526463);

N=length(x);

for i=1:N;

w1=2*pi;

a1=0.6;

R1=800;

D1=R1/2*(1-cos(w1*i)/fs);

DC1=ceil(D1);

if (D1<=(i-1));

y1(i)=a1*(x(i-DC1)+(x(i-DC1+1)-x(i-DC1))*(DC1-D1));

end

end

N=length(x);

for i=1:N;

w2=2*2*pi;

a2=0.5;

R2=600;

D2=R2/2*(1-cos(w2*i)/fs);

DC2=ceil(D2);

if (D2<=(i-1));

y2(i)=a2*(x(i-DC2)+(x(i-DC2+1)-x(i-DC2))*(DC2-D2)); end

end

for i=1:N;

w3=2*3*pi;

a3=0.7;

R3=750;

D3=R3/2*(1-cos(w3*i)/fs);

DC3=ceil(D3);

if (D3<=(i-1));

y3(i)=a3*(x(i-DC3)+(x(i-DC3+1)-x(i-DC3))*(DC3-D3)); end

end

y4=x1+y2+y3;

sound(y4,fs);

figure(1)

subplot(2,1,1);

Y=fft(y4);

plot(abs(Y));