数字信号处理课程设计.docx
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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
2015年12月21日
安徽大学电子学院通信工程系
1、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；
2、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：
注意：
在时刻n处
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
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
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、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+
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：
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：
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：
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：
3.3和声部分设计原理
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：
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（[mn]）
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（[mnp...]）
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）;
fori=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）;
fori=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
fori=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））;
title（'和声幅频'）;
subplot（2,1,2）;
plot（angle（Y））;
title（'和声相频'）;
sound（y4,fs）;
（2）实验结果：
4.4.5简易的界面设计
4.5实验结果分析
通过实验得到的频谱图分析发现，多重回声效果叫单回声效果更加明显，如果延时调试得当，会得到更好的回声效果，混响较前两者更加明显，和声的效果由于叠加的声音较少导致效果不明显，但可以分辨出和声效果与会声效果的区别。
（完整程序代码见附录一）
五、设计总结
本次DSP课程设计，我主要做的是混响部分的设计。
通过编程与GUI界面的实现，完成回声信号产生器的基本功能与混响、和声功能的实现。
通过实验得到的频谱图分析发现，多重回声效果较单回声效果更加明显，如果延时得当，会得到很好的回声效果，产生类似在演唱会现场的效果，自然混响的效果则较前两个更加明显，和声的效果由于人数较少不太明显，但能确实的分辨出和声效果与回声效果的区别。
5.1课程设计的可取之处：
1.回声信号产生器可设置N的值自主选择产生多少次的回声，并且可设置回声的延时时长。
2.可对声音信号进行不同的混响及和音效果。
5.2课程设计的不足
1.回声信号采用点增多，执行程序时间过长，在GUI演示时已经体现出来
2.GUI界面插入背景图片会影响下静态文本框界面，因而造成不太美观
5.3编程中遇到的问题
1.之前并没有接触过matlab这个软件，所以从软件的安装到后期的编程都学习了很多的知识，包括从图书馆借的书和利用网络资源进行学习。
2.分析声音信号时，要注意选择单声道信号进行分析。
由于起初并没有进行选择,出现了很多问题。
至于单声道问题，我觉得应该是对信号的收集是单边调制的缘故。
3.在读取语音信号程序中，用”[x,fs,bits]=wavread（‘y’,[140000]）”读取出现音频读不全的现象，后来改动数值40000读取的声音更多，但后来又读取较长音频文件时发现仍不能完全读出，所以后来就缺省采样位数[140000]，最终实现了声音的完美呈现。
六、收获与感受
通过实验，是我对MATLAB有了一个基础的了解，在学习MATLAB编程中需要很多的参考书，要尽量多的熟悉matlab自带的函数及其作用，因为matlab的自带函数特别多，基本上能够满足一般的数据和矩阵的计算，所以基本上不用你自己编函数。
这一点对程序非常有帮助，可以使程序简单，运行效率高，可以节省很多时间。
本次课设中用了很多MATLAB自带的函数，使程序变得很简单而有效。
在编程的过程中学习，程序需要什么知识再去补充，编程是一点一点积累的，所以需要做一些随手笔记什么的。
课题需要什么函数，需要什么模块就应该去着重看那个知识点，就应该一步一步学，如果太急于把所有东西都学到，也是不好的，更是实现不了的。
总之，通过这次学习，我了解了一下这个软件总体的功能，以及通过自己编写一些代码也学到了一些用法和知识。
我相信通过不时的积累，我会慢慢的学会使用MATLAB。
七、参考文献
[1]《数字信号处理》，朱军，合肥工业大学出版社
[2]《MATLAB6.5及其在信号处理中的应用》王宏，清华大学出版社，2004
[3]《数字信号处理教程[M]》,程佩青，清华大学出版社，2002
附录一
functionvarargout=cy（varargin）
%CYMATLABcodeforcy.fig
%CY,byitself,createsanewCYorraisestheexisting
%singleton*.
%
%H=CYreturnsthehandletoanewCYorthehandleto
%theexistingsingleton*.
%
%CY（'CALLBACK',hObject,eventData,handles,...）callsthelocal
%functionnamedCALLBACKinCY.Mwiththegiveninputarguments.
%
%CY（'Property','Value',...）createsanewCYorraisesthe
%existingsingleton*.Startingfromtheleft,propertyvaluepairsare
%appliedtotheGUIbeforecy_OpeningFcngetscalled.An
%unrecognizedpropertynameorinvalidvaluemakespropertyapplication
%stop.Allinputsarepassedtocy_OpeningFcnviavarargin.
%
%*SeeGUIOptionsonGUIDE'sToolsmenu.Choose"GUIallowsonlyone
%instancetorun（singleton）".
%
%Seealso:
GUIDE,GUIDATA,GUIHANDLES
%Edittheabovetexttomodifytheresponsetohelpcy
%LastModifiedbyGUIDEv2.521-Dec-201520:
51:
55
%Begininitializationcode-DONOTEDIT
gui_Singleton=1;
gui_State=struct（'gui_Name',mfilename,...
'gui_Singleton',gui_Singleton,...
'gui_OpeningFcn',@cy_OpeningFcn,...
'gui_OutputFcn',@cy_OutputFcn,...
'gui_LayoutFcn',[],...
'gui_Callback',[]）;
ifnargin&&ischar（varargin{1}）
gui_State.gui_Callback=str2func（varargin{1}）;
end
ifnargout
[varargout{1:
nargout}]=gui_mainfcn（gui_State,varargin{:
}）;
else
gui_mainfcn（gui_State,varargin{:
}）;
end
%Endinitializationcode-DONOTEDIT
%---Executesjustbeforecyismadevisible.
functioncy_OpeningFcn（hObject,eventdata,handles,varargin）
%Thisfunctionhasnooutputargs,seeOutputFcn.
%hObjecthandletofigure
%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB
%handlesstructurewithhandlesanduserdata（seeGUIDATA）
%varargincommandlineargumentstocy（seeVARARGIN）
%Choosedefaultcommandlineoutputforcy
handles.output=hObject;
%Updatehandlesstructure
guidata（hObject,handles）;
%UIWAITmakescywaitforuserresponse（seeUIRESUME）
%uiwait（handles.figure1）;
%---Outputsfromthisfunctionarereturnedtothecommandline.
functionvarargout=cy_OutputFcn（hObject,eventdata,handles）
%varargoutcellarrayforreturningoutputargs（seeVARARGOUT）;
%hObjecthandletofigure
%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB
%handlesstructurewithhandlesanduserdata（seeGUIDATA）
%Getdefaultcommandlineoutputfromhandlesstructure
varargout{1}=handles.output;
%---Executesonbuttonpressinpushbutton1.
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