基于matlab的数字音效处理器

《数字信号处理》课程项目终期报告题目：数字音效处理器组号：78组长：成员：成员：成员：成员：联系方式：二零一三年十月十六日目录第一章绪论 (1)1.1 项目背景及研究意义 (1)1.2 数字信号处理概述1第二章总体方案设计32.1 项目需求分析32.2 开发平台及工具选择32.3 项目功能设计3第三章人机交互界面设计4第四章数字语音信号简单处理效果设计54.1 低音增强54.2 回声特效64.3 添加背景音乐84.4 回旋效果94.5 快/慢放特效 (11)第五章自适应语音分割、倒序135.1 目标实现135.2 原理简述135.3 实现步骤135.4 应用实践165.5 核心代码分析 (16)5.5 算法优化（快速自适应倒序） (18)第六章项目实施过程19第七章总结与展望 (20)7.1 项目总结207.2 项目展望20附录21参考文献37第一章绪论1.1 项目背景及研究意义随着科技的发展,数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)被广泛的应用在各种电子产品中,从便携的个人数字助手PDA(Personal Digital Assistant)到家庭影院,电子产品对人们的生活产生着巨大的影响。

人们不仅对图像的质量有很高的要求,近年来对声音质量的需求也与日俱增。

这种需求已经不单局限在聆听,而上升为一种听觉享受。

在实际生活中,除了符合建筑声学标准的录音室、音乐厅等外,一般的室内都很难达到比较完美的音质及效果,通常需要使用音效处理器来进行处理、美化，这使得音效器的发展,得到了更为广泛的关注。

1.2 项目背景及研究意义数字信号处理(DigitalSignalProcessing,DSP)是利用专门或通用的数字信号芯片,以数字计算的方法对信号进行处理,具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小等优点。

DSP有硬件、算法和理论等三个基础支撑着它的发展和应用。

硬件是指用VLSI(超大规模集成电路)实现的通用和专用芯片,目前许多芯片的运算速度已超过每秒几千万次,最高达到每秒16亿次,价格也大幅度降低。

在通信、电视、雷达和各种消费电子产品方面应用的软件和算法非常丰富,例如,信源编码(压缩)和解码、信道编码和解码,信号的调制与解调、噪声对消、信号加密与解密,电机的自动控制和各类信号的分析等。

知成体系的理论包括离散线性系统理论、离散和快速变换理论、数字滤波理论、信号检测理论、量化效应和误差理论、非线性谱估计理论以及小波变换理论等。

数字信号处理的应用领域十分广泛。

就所获取信号的来源而言，有通信信号的处理，雷达信号的处理，遥感信号的处理，控制信号的处理，生物医学信号的处理，地球物理信号的处理，振动信号的处理等。

若以所处理信号的特点来讲，又可分为语音信号处理，图像信号处理，一维信号处理和多维信号处理等。

无论哪方面的应用，首先须经过信息的获取或数据的采集过程得到所需的原始信号，如果原始信号是连续信号，还须经过抽样过程使之成为离散信号，再经过模数转换得到能为数字计算机或处理器所接受的二进制数字信号。

如果所收集到的数据已是离散数据，则只须经过模数转换即可得到二进制数码。

数字信号处理器的功能是将从原始信号抽样转换得来的数字信号按照一定的要求，例如滤波的要求，加以适当的处理，即得到所需的数字输出信号。

经过数模转换先将数字输出信号转换为离散信号，再经过保持电路将离散信号连接起来成为模拟输出信号，这样的处理系统适用于各种数字信号处理的应用，只不过专用处理器或所用软件有所不同而已。

语音信号处理是信号处理中的重要分支之一。

它包括的主要方面有：语音的识别，语言的理解，语音的合成,语音的增强,语音的数据压缩等。

各种应用均有其特殊问题。

语音识别是将待识别的语音信号的特征参数即时地提取出来，与已知的语音样本进行匹配，从而判定出待识别语音信号的音素属性。

关于语音识别方法，有统计模式语音识别，结构和语句模式语音识别，利用这些方法可以得到共振峰频率、音调、嗓音、噪声等重要参数，语音理解是人和计算机用自然语言对话的理论和技术基础。

语音合成的主要目的是使计算机能够讲话。

为此，首先需要研究清楚在发音时语音特征参数随时间的变化规律，然后利用适当的方法模拟发音的过程，合成为语言。

其他有关语言处理问题也各有其特点。

语音信号处理是发展智能计算机和智能机器人的基础，是制造声码器的依据。

语音信号处理是迅速发展中的一项信号处理技术。

第二章总体方案设计2.1 项目需求分析该项目题目是数字音效处理器。

要实现音效处理，大致可以分成三部分，即语音采集、语音处理、语音输出。

首先要有待处理的语音信号。

这个语音信号我们可以现场录制，也可以打开已经录制好语音文件；然后是语音处理，这部分由matlab程序实现；最后是语音输出，由计算机输出。

2.2开发平台Matlab 20082.3 项目功能设计第三章人机交互界面设计如上图，是我们最终的人机交互界面。

主要分成两个部分，语音采集部分以及特效播放部分。

左边是语音输入部分，包含两种方式：现场录音和打开文件。

左下方还有一个播放录音或文件的按钮，方便用户在语音输入结束后，试听输入的信号。

右边是播放特效部分，包括低音增强等六种特效，下方还有个另存为按钮以及效果选择下拉菜单，方便用户保存处理后的信号。

人机交互界面总体构图简洁，色彩柔和，布局合理，使用方便，在极大程度上方便了用户的使用，减少了学习使用的时间与成本。

第四章数字语音信号几种简单处理效果设计4.1 低音增强(1)原理简述低音增强特效，顾名思义就是讲声音信号的低音部分加强，是处理后的声音信号较原声音信号低频部分幅值增大。

（2）实现步骤首先使用低通滤波器将声音信号的高频部分滤去，得到只包含低频部分的声音信号，将该信号乘以一个系数后增大，然后与原声音信号叠加，这样得到的新的声音信号频谱分布不发生改变，但是低频部分的幅值明显增大。

实现流程图如下：（3）效果实现语音播放后明显感觉到声音变得浑厚有力，有力量感。

下图是与声音信号的频域幅度图与低音增强后的频域幅度谱，从图中可以明显看到，低音增强后的信号在低频部分的幅度得到明显加强。

（4）应用实践低音增强效果可以用在家庭音响上，可以提升声音的力量感，震撼感。

我们现在家庭娱乐中常使用的“低音炮”用的就是低音增强的原理。

（5）核心代码分析[x,fs,nbits]=wavread('1112'); %读声音文件fp1=1000;fs1=2200; %设定低通滤波器通带截止频率和阻带截止频率wp1=2*fp1/Fs; ws1=2*fs1/Fs;rp=1;as=100;[N1,wp1]=ellipord(wp1,ws1,rp,as); %计算椭圆低通模拟滤波器的阶数和通带边界频率[B,A]=ellip(N1,rp,as,wp1); %计算低通滤波器模拟滤波器系统函数系数x1=filter(B,A,x); %低通滤波，得到含有低频部分的信号y=x+x1*2 %语音信号叠加，得到低音增强后的信号4.2回声特效（1）原理简述回声是我们在日常生活中常会遇到一种声音信号，回声就是原声经过物体反射回来后与原声叠加后形成的效应。

当回声的距离小于一定距离时，回声不能被人耳感知，变现为原声的加强；当回声距离大于一定距离时，回声能被人耳感知，能够感觉到在原声停止后一段时间后，再次听到此声音，并且响度相对减小。

简单来说，就是延迟、衰减、叠加。

（2）实现步骤回声是原声延迟衰减后与原声叠加。

声音信号在matlab中以矩阵的形式存储。

一般是N行2列的矩阵（这里指双声道声音），N是声音的点数长度。

为了做到延迟效应，我们在原矩阵x的前面加上（接上）一段m行2列的为零矩阵，得到矩阵x1，这样如果将矩阵x,x1从同一起点观看，那么矩阵x1相当于时间x 延时了一段时间。

延时的时间与添加的零矩阵的长度以及采样频率有关。

那么只要将x与x1相叠加，就可以得到回声效果。

这里要注意，由于矩阵相加时要满足矩阵形式相同，所以还要在原来的x后面也接上一段m行2列的为零矩阵，同时为了回声效果的逼真性，还要给x1倍乘一个小于1的系数。

实现流程图如下：矩阵运算流程如下：（3）效果实现输出的声音人耳听起来有明显的回声效果。

下图是原声、延迟的声音以及叠加后声音信号的时域图。

（4）应用实践利用数字信号处理得到的回声可以在需要的情况下模拟回声效果，以适应需求。

（5）核心代码分析[x,fs,nbits]=wavread('1112',1156384); %读取文件x1=[zeros(4000,2);x];%前“添”零，声音延时x2=[x;zeros(4000,2)];%后“添”零，使原声音长度与延时后相等y1=x1*0.8+x2; %回声衰减并与原声叠加4.3添加背景音乐（1）原理简述原理较为简单，即两个矩阵的相加。

（2）实现步骤首先将两个需要叠加的矩阵处理使得形式一致（行列数相等），然后叠加即可。

（3）效果实现可是实现为一段人说话声，唱歌声，朗诵声添加背景音乐，其本质是语音序列的叠加，所以可实现两段语音序列的叠加。

（4）应用实践为一段人说话声，唱歌声，朗诵声添加背景音乐等，其本质是语音序列的叠加，所以可实现两段语音序列的叠加。

（5）核心代码分析较为简单，此处省略。

4.4回旋特效（1）原理简述回旋特效是我们根据效果来命名的，是将声音的左右声道分时播放，也就是说，在第一段时间内，左声道有声音，下一段时间内，右声道有声音，依次交替。

（2）实现步骤对声音信号矩阵按行进行遍历，设定点数长度，依次交替分别使左、右声道的某段信号的值在该取样点段内置零。

或者利用矩阵运算的方法实现。

实现步骤如下：（3）效果实现播放处理后的语音，耳机（非立体声耳机）的左右耳机轮流有声音，即当左边耳机有声音时，右边耳机没有，反之亦然。

这样就会产生声源在不断回转，声音有种回旋的效果。

下面是原声以及处理后的左右声道的时域图：矩阵运算流程如下：（4）应用实践在某些音乐作品中可以产生声源回旋变换的特效,增强音乐的丰富性。

（5）核心代码分析y=zeros(400000,2);%定义一个矩阵[x,fs,nbits]=wavread('1112'，400000); %读声音文件for i=1:400000y(i,:)=x(i,:); %新建信号序列，用于运算endx1=reshape(y,40000,20); %将信号分成了10段20列for i=1:2:10x1(:,i)=0; %1~10列,将单数列置零，即实现左声道的回旋endfor i=12:2:20x1(:,i)=0; %11~20列,将双数列置零，即实现右声道的回旋endx5=reshape(x1,400000,2); %重排序列,变成N行2列的序列sound(x5*2,fs); %单声道播放后,声音幅度有减小，这里做补偿4.5快/慢放特效（1）原理简述快慢放的原理就是在单位长的时间内播放比原声包含更多或更少的信息的语音序列。