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7声音延迟和混响仿真分析.doc

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.28M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘要
    Abstract
    绪论
    1设计要求
    1.1设计任务
    1.2设计要求
    2课题描述
    2.1课题背景及意义
    2.2课题目标
    3 设计原理
    3.1语音信号的采样
    3.2时域分析
    3.3频域分析
    3.4 延时
    3.5 混响
    3.6 滤波器的设计
    4 设计步骤
    4.1 总体设计流程图
    4.2 详细设计
    4.2.1 语音的录制
    4.2.2 原始信号
    4.2.3 延时
    4.2.4 混响
    4.2.5 单回声滤波器
    4.2.6 多回声滤波器
    4.2.7 无限回声滤波器
    4.2.8 全通滤波器
    4.2.9自己设计的滤波器
    6程序
    参考文献
    课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目:声音的延时和混响仿真 初始条件：MATLAB 软件，电脑 要求完成的主要任务: (1)利用 Windows 下的录音机或其他软件，录制一段自己的语音信号，时间控制在 10s 左右，并对录制的信号进行采样。 (2)语音信号的频谱分析，画出采样后语音信号的时域波形和频谱图。将信号加入延 时和混响，再分析其频谱，并与原始信号频谱进行比较。 (3)设计几种特殊类型的滤波器：单回声滤波器，多重回声滤波器，无限个回声滤波 器，全通结构的混响器，并画出滤波器的频域响应。用自己设计的滤波器对采集的语音信 号进行滤波。 (4)分析得到信号的频谱，画出滤波后信号的时域波形和频谱，并对滤波前后的信号 进行对比，分析信号的变化。 (5)回放语音信号。 时间安排： 序号 阶段内容 所需时间 搜集学习资料 编写程序并仿真调试 撰写报告 答辩 1 2 3 4 合 计 2 天 5 天 2 天 1 天 10 天 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
    武汉理工大学《信息群处理课程设计》报告 目 录 摘要................................................................................................................................I ABSTRACT.................................................................................................................II 绪论.............................................................................................................................III 1 设计要求 ................................................................................................................... 1 1.1 设计任务............................................................................................................ 1 1.2 设计要求............................................................................................................ 1 2 课题描述 ................................................................................................................... 1 2.1 课题背景及意义................................................................................................ 1 2.2 课题目标............................................................................................................ 2 3 设计原理 ................................................................................................................... 2 3.1 语音信号的采样.................................................................................................2 3.2 时域分析.............................................................................................................3 3.3 频域分析.............................................................................................................3 3.4 延时.................................................................................................................... 4 3.5 混响.................................................................................................................... 5 3.6 滤波器的设计.................................................................................................... 6 4 设计步骤 ................................................................................................................... 8 4.1 总体设计流程图 ................................................8 4.2 详细设计............................................................................................................ 9 4.2.1 语音的录制................................................................................................ 9 4.2.2 原始信号.................................................................................................... 9 4.2.3 延时.......................................................................................................... 10 4.2.4 混响.......................................................................................................... 11 4.2.5 单回声滤波器.......................................................................................... 12 4.2.6 多回声滤波器.......................................................................................... 13 4.2.7 无限回声滤波器...................................................................................... 15 4.2.8 全通滤波器.............................................................................................. 16 4.2.9 自己设计的滤波器................................................................................... 17 5 总结 .............................................................19 6 程序.......................................................................................................................... 20 参考文献..................................................................................................................... 25
    武汉理工大学《信息群处理课程设计》报告 摘要 Matlab 语言是一种数据分析和处理功能十分强大的计算机应用软件，它可 以将声音文件变换为离散的数据文件，然后利用其强大的矩阵运算能力处理数 据，如数字滤波、傅里叶变换、时域和频域分析、声音回放以及各种图的呈现等， 它的信号处理与分析工具箱为语音信号分析提供了十分丰富的功能函数，利用这 些功能函数可以快捷而又方便地完成语音信号的处理和分析。 本课程设计基于 Matlab 分析 wav 声音文件频谱与声音的关系。通过采集个 人的一段声音进行频谱分析等处理，然后设计数字滤波器处理这个原始声音的 wav 文件,并比较经过单回声滤波器、多回声滤波器、无限回声滤波器、全通滤 波器滤波以后输出声音信号与原声音信号的异同。 关键词 语音信号处理 MATLAB 语言 滤波器 频谱分析 I
    武汉理工大学《信息群处理课程设计》报告 Abstract Matlab is a data analysis and processing function of very powerful computer application software, it can sound file transform into discrete data file, and then use the powerful matrix calculation ability of data processing, such as digital filtering, Fourier transform, the time domain and frequency domain analysis, sound playback and various graph presentation, signal processing and analysis of its toolkit for speech signal analysis provides very rich functions, use of these functions can be fast and conveniently complete the processing and analysis of speech signal. This course is designed based on Matlab analysis of the relationship between the spectrum of wav sound files and sound. Through the acquisition of a sound for the processing of spectrum analysis, and design the digital filter processing to the original sound WAV files, and compared after a single echo filter, multi echo filter, infinite echo filter, allpass filter output similarities and differences between the sound signal and the original voice signal. Keywords Speech signal processing Spectral analysis of MATLAB Filter Spectrum analysis II
    武汉理工大学《信息群处理课程设计》报告 绪论 数字信号处理主要是研究用数字或符号序列表示和处理信号。处理的目的可 以是削弱信号中的多余内容，滤除混杂的噪声和干扰，或者是将信号变换为容易 分析和识别的形式，便于估计和选择它的特征参数。 语音信号分析是语音信号处理的前提和基础，只有分析出可表示语音信号本 质特征的参数，才有可能利用这些参数进行高效的语音通信、语音合成和语音识 别等处理。而且，语音合成的音质好坏，语音识别率的高低，也都取决于对语音 信号分桥的准确性和精确性。因此语音信号分析在语音信号处理应用中具有举足 轻重的地位。根据所分析出的参数的性质的不同，可将语音信号分析分为时域分 析、频域分析、倒领域分析等；时域分析方法具有简单、计算量小、物理意义明 确等优点，但由于语音信号最重要的感知特性反映在功率谱中，而相位变化只起 着很小的作用，所以相对于时域分析来说频域分析更为重要。本文将简要介绍时 域分析、频域分析。 声音信号是一维连续信号,而计算机只能处理离散信号。为了从离散信号还 原连续信号,根据采样定理,可以确定采样频率的最小值。wav 文件是一种数字声 音文件格式,本课程设计基于 Matlab 分析了 wav 声音文件频谱与声音的关系。通 过采集个人的一段声音进行频谱分析等处理，然后设计数字滤波器处理这个原始 声音的 wav 文件,并比较滤波以后输出声音信号与原声音信号的异同。 III
    武汉理工大学《信息群处理课程设计》报告 1 设计要求 1.1 设计任务 (1)利用 Windows 下的录音机或其他软件，录制一段自己的语音信号，时间 控制在 10s 左右，并对录制的信号进行采样。 (2)语音信号的频谱分析，画出采样后语音信号的时域波形和频谱图。 (3)将信号加入延时和混响，再分析其频谱，并与原始信号频谱进行比较。 (4)设计几种特殊类型的滤波器：单回声滤波器，多重回声滤波器，无限个 回声滤波器，全通结构的混响器，并画出滤波器的频域响应。 (5)用自己设计的滤波器对采集的语音信号进行滤波。 (6)分析得到信号的频谱，画出滤波后信号的时域波形和频谱，并对滤波前 后的信号进行对比，分析信号的变化。 (7)回放语音信号。 1.2 设计要求 (1)熟悉离散信号和系统的时域特性。 (2)熟悉语音信号的特点。 (3)掌握数字信号处理的基本概念，基本理论和基本方法。 (4)掌握序列快速傅里叶变换方法。 (5)学会 MATLAB 的使用，掌握 MATLAB 的程序设计方法。 (6)掌握 MATLAB 设计各种数字滤波器的方法和对信号进行滤波的方法 2 课题描述 2.1 课题背景及意义 语音信号处理是一门比较实用的电子工程的专业课程，语音是人类获取信息 的重要来源和利用信息的重要手段。通过语言相互传递信息是人类最重要的基本 功能之一。语言是人类特有的功能，它是创造和记载几千年人类文明史的根本手 段，没有语言就没有今天的人类文明。语音是语言的声学表现，是相互传递信息 的最重要的手段，是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息的形式。 近年来,随着计算机及大规模数字集成电路的迅速发展,语音数字信号处理 1
    武汉理工大学《信息群处理课程设计》报告 得到了相应的发展。语音信号分析模拟、语音合成、语音识别等的研究已较成熟。 各种声码器、声控器、语声识别系统、语声合成器等已逐渐有商品出现。 2.2 课题目标 对于录制一个 wav 语音文件，对其进行采样信号、对加入延时和混响后的信 号和通过几种特殊滤波器后的信号分别画出对应的时域波形和频谱图，并对比进 行分析。 3 设计原理 3.1 语音信号的采样 (1)采样频率 采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样本，是描述声音文件的音质、音 调，衡量声卡、声音文件的质量标准。采样频率越高，即采样的间隔时间越短， 则在单位时间内计算机得到的声音样本数据就越多，对声音波形的表示也越精 确。这就是说采样频率是衡量声卡采集、记录和还原声音文件的质量标准。 (2)采样位数 采样位数即采样值或取样值，用来衡量声音波动变化的参数，是指声卡在采 集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数。采样频率是指录音设备 在一秒钟内对声音信号的采样次数，采样频率越高声音的还原就越真实越自然。 采样位数和采样率对于音频接口来说是最为重要的两个指标，也是选择音频 接口的两个重要标准。无论采样频率如何，理论上来说采样的位数决定了音频数 据最大的力度范围。每增加一个采样位数相当于力度范围增加了 6dB。采样位数 越多则捕捉到的信号越精确。对于采样率来说你可以想象它类似于一个照相机， 44.1kHz 意味着音频流进入计算机时计算机每秒会对其拍照达 441000 次。显然 采样率越高，计算机摄取的图片越多，对于原始音频的还原也越加精确。 (3)采样定理 在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率 fsmax 大于信号最高频率 fmax 的 2 倍时，即：fsmax>=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信 号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的 5～10 倍，采样定 2
    武汉理工大学《信息群处理课程设计》报告 理又称奈奎斯特定理。1924 年奈奎斯特(Nyquist)就推导出：在理想低通信道的 最大码元传输速率=2W*log2 N (其中 W 是理想低通信道的带宽,N 是电平强度)。 3.2 时域分析 语音信号的时域分析就是分析和提取语音信号的时域参数。进行语音分析 时，最先接触到并且也是最直观的是它的时域波形。语音信号本身就是时域信号， 因而时域分析是最早使用，也是应用最广泛的一种分析方法，这种方法直接利用 语音信号的时域波形。时域分析通常用于最基本的参数分析及应用，如语音的分 割、预处理、大分类等。 这种分析方法的特点是： ①表示语音信号比较直观、物理意义明确。 ②实现起来比较简单、运算且少。 ③可以得到语音的一些重要的参数。 ④只使用示波器等通用设备，使用较为简单等。 3.3 频域分析 在 MATLAB 的信号处理工具箱中函数 FFT 和 IFFT 用于快速傅立叶变换和逆变 换。下面介绍这些函数： （1）函数 FFT 用于序列快速傅立叶变换。 函数的一种调用格式为：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 行一种混合基的离散傅立叶变换算法，计算速度较慢。 （2）函数 FFT 的另一种调用格式为：y=fft(x,N) 式中，x，y 意义同前，N 为正整数。 函数执行 N 点的 FFT。若 x 为向量且长度小于 N，则函数将 x 补零至长度 N。 若向量 x 的长度大于 N，则函数截短 x 使之长度为 N。若 x 为矩阵，按相同方法 对 x 进行处理。 （3）经函数 fft 求得的序列 y 一般是复序列，通常要求其幅值和相位。MATLAB 3
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