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专业课程设计实验报告new数字信号处理课程设计报告课设题目：语音信号变声处理系统院 系：计算机科学系专 业：通信工程小组成员：郑昌栋 杭嘉琪 杜天送 刘 洋 周 俊 颜全稳指导教师：方荟 闽 江 学 院2013年12月26日摘要我们每个人的声音不同，源于我们的每个人的音色和音调不同，我们所说的男中音、男高音，就是音调的不同，而即便音调一致，我们依然能区分出两个不同人的声音，或不同乐器的声音，这就是音色的不同。变声器，正是借助对声音音色和音调的双重复合改变，实现输出声音的改变。在进行性别变声时，主要考虑基频和共振峰频率的变化。当基频伸展，共振峰频率也同时伸展时，可由男声变成女声，女声变成童声；反之，基频收缩，共振峰频率也同时收缩时，则由童声变女声，女声变男声。为了获得自然度、真实感较好的变声效果，基频和共振峰频率通常必须各自独立地伸缩变化。本次课程设计就是运用我们所学到的理论知识，用MATLAB软件来实现对语音信号的变声处理，理论联系实际，从而更好地掌握以及运用所学习的知识。目录目录3第一章 课程设计任务4第二章 变声器原理及设计方案52.1基本原理5第三章 变声器的实现及分析73.1信号变声器的实现73.2设计过程73.3仿真结果及分析10第四章 课设总结144.1小组总结144.2个人总结15参考文献16附录：17 第一章 课程设计任务电视台经常针对某些事件的知情者进行采访，为了保护知情者，经常改变说话人的声音，利用所学的知识，将其实现。1） 自己录制一段正常的声音文件，或者通过菜单选择的方式选择一段正常声音文件； 2） 能够播放该文件； 3） 对语音信号进行处理，要求处理后的语音信号基本不影响正常收听与理解；5） 对处理参数能够通过matlab界面进行调节，以对比不同处理效果； 6） 能够对处理后的声音文件与原始声音文件的频谱进行观察、分析。7） 编制GUI用户界面。任务分配：代码编写及运行调试：郑昌栋，杭嘉琪实验报告整理与编写：杜天送相关资料查询及整理：刘 洋实验方案设计与编写：周 俊Gui界面设计及制作：颜全稳第二章 变声器原理及设计方案2.1基本原理语音科学家将人类发声过程视作一个由声门源输送的气流经以声道、口、鼻腔组成的滤波器调制而成的。人类语音可分为有声语音和无声语音，前者是由声带振动激励的脉冲信号经声腔调制变成不同的音，它是人类语言中元音的基础，声带振动的频率称为基频。无声语音则是声带保持开启状态，禁止振动引发的。一般来说，由声门振动决定的基频跟说话人的性别特征有关，如下表，而无声语音则没有体现这个特征。说话人的个性化音色和语音的另外一个声学参数共振峰频率的分布有关。儿童由于声道短，其共振峰频率高于成年人，成年女性的声道一般短于成年男性，所以女性的共振峰频率一般高于男性。 表2.1 男声、女声和童声基频、共振峰频率关系表人群基频分布Hz共振峰频率分布男声50, 180偏低女声160, 380中童声400, 1000偏高由上可知，在进行性别变声时，主要考虑基频和共振峰频率的变化。当基频伸展，共振峰频率也同时伸展时，可由男声变成女声，女声变成童声；反之，基频收缩，共振峰频率也同时收缩时，则由童声变女声，女声变男声。为了获得自然度、真实感较好的变声效果，基频和共振峰频率通常必须各自独立地伸缩变化。共振峰频率的改变是基于重采样实现的，从重采样原理知道，这也同时引发了基频的变化，为保证基频变化和共振峰频率变化的独立、互不相关，在基频移动时必须考虑抵消重采样带来的偏移，理论上只要基频检测足够精确，确实可以保证基频改变和共振峰频率改变间的互不相关。2.2设计方案1：选取需要变声的原始语音信号；2: 得到原始语音信号的基音周期长度；3: 根据基音周期长度定位整个原始语音信号的每一个基音周期的位置；4: 在原始语音信号中的基音周期之间删除插入基音周期，得到缩短伸长的语音信号；5: 将缩短伸长的语音信号线性伸长压缩至与原始语音信号一致的长度，得到变声后的语音信号。第三章 变声器的实现及分析3.1信号变声器的实现进行频谱分析实现快、慢放频率语音信号读入 改变基频变声进行滤波处理语音信号恢复 图2.2语音处理实现框图实现步骤：1）语音信号的录制与读入。2）语音信号的频谱分析。3）实现慢录快放和快录慢放功能4）设计数字滤波器和画出其频率响应。5）用滤波器对信号进行滤波。6）比较滤波前后语音信号的波形及频谱。7）通过搬移、改变基波频率实现变声。8）语音信号恢复。9）在MATLAB下绘制出各个部分的输出波形，前后对比。3.2设计过程3.2.1 分帧处理对语音信号加Hamming窗处理，方法是用窗序列沿着语音样点值序列逐帧从左向右移动。Hamming窗的窗函数如下： =（4.1）确定了窗函数以后，对语音信号的分帧处理，实际上就是对各帧进行某 帧进行某种变换或运算。 3.2.2 计算预测系数3.2.3 计算激励信号对每帧语音信号s(n),和预测模型系数，用filter函数计算激励信号e(n)。此时应该注意在系数变化的情况下连续滤波，需要维持滤波器的状态不变，要利用filter函数的和参数。这里要利用_pre，利用_pre作为初始状态得到最终状态，本次循环得到的最终状态作为下次循环的初始状态，并把每次循环得到的激励保存下来。3.2.4 重建语音用计算得到的激励信号e(n)和预测模型系数，用fliter函数计算重建语音。同样要注意维持滤波器的状态不变。这里我们由激励得到语音，并且要利用_rec，利用_rec作为初始状态的到最终状态，本次循环得到的最终状态作为下次循环的初始状态，并且把每次循环得到的重建语音保存下来。3.2.5 基音周期基音周期是表征语音信号本质特征的参数，属于语音分析的范畴，只有准确分析并且提取出语音信号的特征参数，才能够利用这些参数进行语音合成处理。如果x(n)是一个周期为P的信号，则其自相关函数也是周期为P的信号，且在信号周期的整数倍处，自相关函数取最大值。语音的浊音信号具有准周期性，其自相关函数在基音周期的整数倍处取最大值。计算两相邻最大峰值间的距离，就可以估计出基因周期。MTWE601-003006-FLSC03.2.6 合成激励的能量根据线性预测分析的原理可知，求解p个线性预测系数的依据，是预测误差滤波器的输出方均值或输出功率最小。可称这一最小方均误差为正向预测误差功率，即=Ee(n)s(n)- s(n-1) =Ee(n)s(n)-Ee(n)s(n-i) (4.2)由于上式第二项为0，又： e(n)=s(n)-=s(n)- s(n-i) (4.3)将（4.3）代入（4.2）得：=Ee(n)s(n)=Es(n)s(n)-Es(n)s(n-i)=R(0)-R(i) (4.4)根据式（4.4）可以求得增益常数G。 =R(0)-R(i) (4.5) 从而可以得到： = （4.6）由前面计算预测系数的代码可以得到(代码里用E表示)，和计算得到的基音周期联立可以得到增益G。程序代码如下：3.2.7 变声处理变声的过程的实现思路与前面合成语音的思路基本相同，只是在两个地方有所不同：系统参数b，a不同，这里的b和a是要用经改变后的极点算出来的；生成激励信号时，用floor（PT/2）作为这里的PT。在变声的时候我们采用女生，小孩时变调不变速的滤波器：老人采用变速不变调滤波器：3.3仿真结果及分析3.3.1波形及频谱（1）原始信号波形及频谱： 采集到的男子声音信号大都分布在较低的频段上，即男子话音的基频较低（2）男生信号合成女生信号后波形及频谱： 变声前后，音频信号的时域波形被压缩，总体形状无太大变化。改变信号的基频可以实现语音的变调。零频和35000附近的信号被削弱，而对应于【10000，25000】频点部分的信号得到加强（3）男生信号合成小孩信号后波形及频谱：变声前后，音频信号的时域波形被压缩，总体形状无太大变化。改变信号的基频可以实现语音的变调。零频附近的信号被削弱，而对应于 【10000，24000】频点部分的信号得到加强 （4）男生信号合成老人信号后的波形及频谱：男声变老人声前后，音频的时域波形被展宽，总体形状变化不大。男声变老人声前后【0，15000】频点对应的信号和【25000，30000】频点对应的信号则被削弱3.3.2调试分析1、在对处理后的语音文件获取预测系数的时候一直为NaN将对语音文件的采样率改为22KHz后，能正常获取数据。2、用wavread读取48M的wav音频文件时一直读取不到。 改为读取只有几十K的文件后就能正常运行，猜测可能是文件太大。第四章 课设总结4.1小组总结此次课设题目为数字变声器设计，要求我们利用所学的信号处理、MATLAB知识完成任务。综合了过去三年所学的重要专业知识，可谓是对过去所学知识的一次全面考察。变声器的原理是通过改变输入声音频率，进而改变声音的音色、音调，使输出声音在感官上与原声音不同。变声器是借助对声音音色和音调的双重复合改变，实现输出声音的改变。通过自己发声，共振峰频率的改变是基于重采样实现的。接到课题后，我便积极准备，到图书馆查阅相关书籍，上网搜索有关内容，利用MATLAB实现仿真，并及时向指导老师回报进度，听取老师的意见和建议。最终，顺利完成了此次课设任务。采集到的男子声音信号大都分布在较低的频段上，而女子的声音信号大都分布在较高的频段上。即男子话音的基频较低，女子的话音基频较高。信号经过滤波器处理后，保留了有效的频率成分，一定程度上去除了干扰信号。对于男子的声音影响较小，原因为男子的话音有用信号大都分布在较低的频段上，通过低通滤波器后，噪声等无用信号被滤除。改变信号的基频可以实现语音的变调。变声前后，音频的时域波形基本变化不大，而信号的频域波形发生较大变动。男声变女声后信号的频谱被搬到较高的频带上，男声变童音后，信号的频谱被搬移到更高的地方。女声变男声则反过来。通过改变输出频率，可以实现声音的提速或减速播放。将频率乘以大于一的数后，可以实现减速播放效果。将频率乘以（0，1）内的数后，可以实现减速播放效果。男声变老人的声音可以通过变速实现，变速不变调。改变输出速度而不用改变声音频率。通过这次课设，我对理论知识的掌握更加牢固，而且把理论与实践联系在一起，提高了自己的实践能力。而且我认识到了同学之间的相互合作的重要性，还提高了自己如何在众多的资料中找到对自己有用的信息。要想把所学的内容融会贯通，只学好课本知识是不够的，要把所学习的知识加以利用，这次课设就给了我们很好的机会，让我们不仅巩固了课本知识，还从理论上升到了实际。从课题的中心来看，课题是希望将数字信号处理技术应用于某一实际领域，这里就是指对语音的处理。作为存储于计算机中的语音信号，其本身就是离散化了的向量，我们只需将这些离散的量提取出来，就可以对其进行处理了。在这里，用到了处理数字信号的强有力工具MATLAB，通过MATLAB里几个命令函数的调用，很轻易的在实际化语音与数字信号的理论之间搭了一座桥。通过这次的课程设计，熟悉并掌握了MATLAB 中有关语音信号的读取，频谱分析，频谱的搬移和基频、语速的改变来实现变声，分析其频谱，并与原始信号频谱进行比较。4.2个人总结郑昌栋：通过本次课程设计，我在代码编写过程中认识到认真，严谨的重要性；以及调试过程中需要极大的耐心，最重要的是团队协作，也学习到了matlab的基本使用和编程的一些技巧。颜全稳： 通过对于gui界面的设计制作，更加熟悉掌握matlab软件，同时温习数字信号处理这么课程。杜天送：在本次课程设计中，我负责课程设计报告的整理与编写。通过整理报告，我对于matlab的基本编程方式以及基本运用有了新的认识，我的分析能力、独立思考能力都得到了一定程度的提高。杭嘉琪：通过这次课程设计，我知道到了matlab的基本编程方式以及方法的基本运用，因为我是负责代码一块的，所以深刻体会到了一个好的方案是编好程序的前提。在编写的过程中认识到了很多以前都不知道的方法，同时对matlab有了深刻的了解。刘 洋：在本次课程设计当中，主要负责找资料。遇到问题在网上或者相关书籍寻找解决方法。通过这次课程设计。提高了自己的耐心以及细心。周 俊：通过这次课程设计，我明白了良好的设计方案更能有助于课程设计的进展，而且方案并不是一成不变的，从问题中不断改进更加有利于我们理解问题；同时在本次中我也更近一步理解了matlab的运用。参考文献1 高西全、丁玉美编著.数字信号处理.西安:西安电子科技大学出版社，2008.2 刘树棠译.数字信号处理使用MATLAB.西安:西安交通大学出版社，2002.3 孙卓、岳振军，一种汉语语音变换技术，电声技术，2007.4 罗军辉等编著.MATLAB7.0在数字信号处理中的应用.北京：机械工业出版社，2005.5 陈怀琛等编著.MATLAB及在电子信息课中的应用.北京：电子工业出版社，2002.6 胡广书编著.数字信号处理理论、算法与实现.北京：清华大学出版社，2002.7 梁虹等编.信号与线性系统分析基于MATLAB的方法与实现.北京：高等教育出版社，2006.8 刘卫国主编.MATLAB程序设计与应用（第二版）. 北京：高等教育出版社，2006.附录：global music;music=0;s,fs,nbits = wavread(录音.wav); s = s/max(s);L = length(s); S=fft(s,L);axes(handles.axes1);plot(s);title(原语音信号波形);axes(handles.axes2);plot(abs(S);title(原语音信号频谱);music=audioplayer(s,fs);play(music);% - Executes on button press in pushbutton2.function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to pushbutton2 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)global music;music=0;s,fs,nbits = wavread(录音.wav); FL = 80; WL = 240; P = 10; s= s/max(s); L = length(s); FN = floor(L/FL)-2; Ec = zeros(L,1); ZiPre = zeros(P,1); Sre = zeros(L,1); ZiPre = zeros(P,1); EcS= zeros(L,1); Ssn = zeros(L,1); LastSn = 0; ZiSn = zeros(P,1); EcSnT = zeros(L,1); SsnT = zeros(L,1); LastSnT = 0; ZiSn_t = zeros(P,1); v=.5;EcSnV = zeros(vL,1); SsnV = zeros(vL,1); LastSnV = 0; ZiSnV = zeros(P,1); hw = hamming(WL); for n = 3:FN SW = s(n*FL-WL+1:n*FL).*hw; A E = lpc(SW, P); SF = s(n-1)*FL+1:n*FL); Ec1,ZiPre = filter(A,1,SF,ZiPre); Ec(n-1)*FL+1:n*FL) = Ec1; Sre1,ZiPre = filter(1,A,Ec1,ZiPre); Sre(n-1)*FL+1:n*FL) = Sre1; s_Pitch = Ec(n*FL-222:n*FL); PT = findpitch(s_Pitch); G = sqrt(E*PT); TempSn = 1:n*FL-LastSn; EcSn1 = zeros(length(TempSn),1); EcSn1(mod(TempSn,PT)=0) = G; EcSn1 = EcSn1(n-1)*FL-LastSn+1:n*FL-LastSn); Ssn1,ZiSn = filter(1,A,EcSn1,ZiSn); EcSn(n-1)*FL+1:n*FL) = EcSn1; Ssn(n-1)*FL+1:n*FL) = Ssn1; LastSn = LastSn+PT*floor(n*FL-LastSn)/PT); PT1 =floor(PT/2); poles = roots(A); deltaOMG =150*2*pi/fs; for p=1:10 if imag(poles(p)0 poles(p) = poles(p)*exp(j*deltaOMG); elseif imag(poles(p)0 poles(p) = poles(p)*exp(-j*deltaOMG); end end A1=poly(poles); TempSnT = 1:n*FL-LastSnT; EcSn1T = zeros(length(TempSnT),1); EcSn1T(mod(TempSnT,PT1)=0) = G; EcSn1T = EcSn1T(n-1)*FL-LastSnT+1:n*FL-LastSnT); Ssn1T,ZiSn_t = filter(1,A1,EcSn1T,ZiSn_t); EcSnT(n-1)*FL+1:n*FL) = EcSn1T; SsnT(n-1)*FL+1:n*FL) = Ssn1T; LastSnT = LastSnT+PT1*floor(n*FL-LastSnT)/PT1); end S=fft(SsnT,L);axes(handles.axes3);plot(SsnT),title(合成女生信号波形) ,XLim(0,length(EcSnT);axes(handles.axes4);plot(abs(S), title(合成女生信号频谱), XLim(0,length(SsnT);music=audioplayer(SsnT,fs);play(music);County continuation records has examined and approved the draft, spirit, believe, comprehensive Yearbook of zhuanglang already prepared draft, entered the phase of evaluation. 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