专业课程设计实验报告new.doc

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 5
2.1基本原理 5
第三章 变声器的实现及分析 7
3.1信号变声器的实现 7
3.2设计过程 7
3.3仿真结果及分析 10
第四章 课设总结 14
4.1小组总结 14
4.2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-FLSC0
3.2.6 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
=E{e(n)[s(n)- s(n-1)]}
=E[e(n)s(n)]-E[e(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：
=E[e(n)s(n)]=E[s(n)s(n)]-E[s(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(v\L,1);
SsnV = zeros(v\L,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. Civil air defense work20