基于Matlab的语音滤波处理

数字信号处理课程设计基于matlab的语音信号处理摘要利用所学习的数字信号处理知识，设计了一个有趣的音效处理系统，首先设计了几种不同的滤波器对声音进行滤波处理，分析了时域和频域的变化，比较了经过滤波处理后的声音与原来的声音有何变化。同时设计实现了语音的倒放，变速播放，回响，音调转换等处理效果，其中音调转换部分使用了重新采样改变基频，再进行时长规整的算法。基于MATLAB的语音信号处理语音信号的采集录制或者截取一段音乐，时间在1分钟左右，存为.wav的文件。然后利用wavread对语音信号进行采样。我们一共选择了3段语音，其中d.wav真心英雄（周华健）（男声）man.wav我的歌声里（自己录制）（男声）girl.wav看的最远的地方（张韶涵）（女声）语音信号的频谱分析使用matlab画出语音信号的时域波形;然后对语音号进行快速傅里叶变换,得到信号的频谱特性，画出频谱图，分析频率成分。这里我们分析的是d.wav，通过分析知道频率分布在0—10KHz，主要分布在低频。数字滤波器设计这里我们设计了4种滤波器对语音进行处理，分别为椭圆低通滤波，椭圆高通滤波，等波纹逼近法FIR带通滤波器，双线性变换法切比雪夫数字高通滤波器，绘制出相应的幅度、相位谱图，滤波后的波形、频谱图。各滤波器的设计如下：椭圆低通滤波器：fb＝1200Hz,fc＝1400Hz,As＝100dB,Ap＝1dB椭圆高通滤波器：fc＝4800Hz,fb＝5000HzAs＝100dB,Ap＝1dB等波纹逼近法设计FIR带通滤波器fb1＝1200Hz,fb2＝3000Hz,fc1＝1000Hz,fc2＝3000Hz,As＝100dB,Ap＝1dB双线性变换法切比雪夫数字高通滤波器fc＝4800Hz,fb＝5000HzAs＝100dB,Ap＝1dB滤波处理后，我们用函数sound()可以对声音进行回放,调用格式：sound(x,fs,bits);感觉滤波前后的声音。语音的低频部分沉稳，空间感较强;中频部分音质一般;高频部分音质非常尖锐，略微有尖音。此外中高频的幅度都不大，回放时音量较低。语音变速播放改变语音的播放速度也就是改变采样间隔（即改变了采样频率），但是这个频实现率依然要在2f(Nyquistrate)之上，否则就会产生失真。%变速-慢放%w=0.9;M=w*fs;%w1为快放，w1为慢放sound(x,M,nbits);语音倒放使用flipud()倒置语音矩阵，逆序输出音频即可。回响效果回声在时域上幅值减小了，频域上的特征不变，只需要把原信号添加一个延时（delay）和对时域的幅度添加一个参数.然后和原信号叠加即可获得回响效果。实现男女声转换音效效果我们使用另外写的voice(x,f)函数实现音调转换，x为需要转换的声音，通过抽取插值更改采样率来改变基频，当f1时音调降低;f1音调升高。然后再进行时长整合使语音文件恢复原来的时长。时长整合使用重叠叠加算法来实现。经过我们试听，转换效果还是很好的。总结体会通过对声音信号的滤波处理，比较其前后变化，感受到了滤波器在声音信号处理当中的作用，同时在实践中掌握了滤波器的基本设计方法，加深了对各种类型的数字滤波器特性的理解。我们通过对声音的各种变换，产生了多种不同的音效，也体会到了语音处理的魅力。在课程设计过程中，我们发现自己对Matlab的应用还是不够熟练，基础不够扎实，花了不少时间编写调试。代码附录%读取声音信号%[y,fs,nbits]=wavread('d');%读取声音文件x=y(:,1);%读入的y矩阵有两列,取第1列N=length(x);n=0:N-1;X=fft(x);%傅里叶变换Fs=2*fs;%2倍频T=1/Fs;f=n/N*Fs;figure;subplot(2,1,1);plot(n,x);%声音的时域波形title('原声音的波形');xlabel('t/s');ylabel('magnitude');subplot(2,1,2);plot(f,abs(X));%声音的频谱title('原声音的频谱');xlabel('frequency/Hz');ylabel('magnitude');%滤波器设计%%椭圆低通滤波器%fp1=1200;fs1=1400;%低通滤波器通带截止频率1200Hz和阻带截止频率1400Hzwp1=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y1=filter(B,A,x);%滤波器软件实现%低通滤波器绘图部分%figure;freqz(B,A);figure;subplot(2,1,1);t=n*T;plot(t,y1);xlabel('t/s');ylabel('magnitude');title('低通滤波后的波形');axis([0,t(end),min(y1),1.2*max(y1)])%坐标范围subplot(2,1,2);plot(f,abs(fft(y1)));%椭圆高通滤波器%fp2=4800;fs2=5000;%高通滤波器通带截止频率5000Hz和阻带截止频率4800Hzwp2=2*fp2/Fs;ws2=2*fs2/Fs;rp=1;as=100;[N2,wp2]=ellipord(wp2,ws2,rp,as);[B2,A2]=ellip(N2,rp,as,wp2,'high');%计算高通滤波器模拟滤波器系统函数系数y2=filter(B2,A2,x);%滤波器软件实现%高通滤波器绘图部分%figure;freqz(B2,A2);figure;subplot(2,1,1);t=n*T;plot(t,y2);xlabel('t/s');ylabel('magnitude');title('高通滤波后的波形');axis([0,t(end),min(y2),1.2*max(y2)])subplot(2,1,2);plot(f,abs(fft(y2)));%等波纹逼近法设计ＦＩＲ带通滤波器及滤波[I,fs,nbits]=wavread('d');y=I(:,1);fp1=1200;fp2=3000;fc1=1000;fc2=3200;FS=2*fs;rp=1;rs=100;f=[fc1,fp1,fp2,fc2];m=[0,1,0];dat1=(10^(rp/20)-1)/(10^(rp/20)+1);dat2=10^(-rs/20);rip=[dat2,dat1,dat2];[M,fo,mo,w]=remezord(f,m,rip,FS);M=M+1;hn=remez(M,fo,mo,w);figure(1);freqz(hn);Y=fft(y);y1=fftfilt(hn,y);%用remez设计的滤波器进行滤波Y1=fft(y1);n=0:length(y)-1;figure(2);subplot(221);plot(y);title('未滤波语音波形');subplot(222);plot(y1);title('等波纹逼近法滤波后语音波形');subplot(223);plot(n,Y);title('未滤波语音频谱');subplot(224);plot(n,Y1);title('等波纹逼近法滤波后语音频谱');sound(y1,fs,nbits);%滤波后语音回放%cheby1设计模拟高通滤波器再经双线性变换法设计成数字高通滤波器fp=5000;fc=4800;rp=1;rs=100;FS=2*fs;wpz=2*pi*fp/FS;wsz=2*pi*fc/FS;wp=2*tan(wpz/2)*FS;ws=2*tan(wsz/2)*FS;%预畸校正转换指标[N,wpo]=cheb1ord(wp,ws,rp,rs,'s');[BH,AH]=cheby1(N,rp,wpo,'high','s');[Bz,Az]=bilinear(BH,AH,FS);w=0:0.01*pi:pi;[h,w]=freqz(Bz,Az,w);plot(w/pi,20*log(abs(h)),'k');axis([0,1,-800,100]);xlabel('w/pi');ylabel('幅度/dB');grid;title('cheby1数字高通滤波器');Y=fft(y);y1=filter(Bz,Az,y);Y1=fft(y1);n=0:length(y)-1;figure(2);subplot(221);plot(y);title('未滤波语音波形');subplot(222);plot(y1);title('cheby滤波后语音波形');subplot(223);plot(n,Y);title('未滤波语音频谱');subplot(224);plot(n,Y1);title('cheby滤波后语音频谱');sound(y1,fs,nbits);%滤波后语音回放%播放声音%sound(x,fs,nbits);%原声sound(5*y1,fs,nbits);%低通sound(5*y2,fs,nbits);%高通%变速-慢放%w=0.9;M=w*fs;%w1为快放，w1为慢放sound(x,M,nbits);%语音倒放%y0=flipud(x);sound(y0);%回声%z=[zeros(5000,1);x];%延时5000个点x1=[x;zeros(5000,1)];%使原声音长度与延时后相等y1=x1+0.4*z;%原声+延时衰减figure;plot(y1);title('加入回声的波形');sound(5*y1,fs,nbits);%调用函数voice()实现音调转换%%男声转换为女声%[y,fs,nbits]=wavread('man');%读取声音文件x=y(:,1);%读入的y矩阵有两列,取第1列y1=voice(x,0.71);%调整voice()第2个参数转换音调,1降调,1升调,y1为x转换后的声音N=length(x);M=length(y1);n=0:N-1;m=0:M-1;X=fft(x);Y=fft(y1);%傅里叶变换Fs=2*fs;%2倍频T=1/Fs;T1=1/Fs*0.71;f=n/N*Fs;f1=m/M*Fs/0.71;t=n*T;t1=m*T1;figure;subplot(2,1,1);plot(t,x);xlabel('t/s');ylabel('magnitude');title('转换前的波形');subplot(2,1,2);plot(t1,y1);xlabel('t/s');ylabel('magnitude');title('转换后的波形');figure;subplot(2,1,1);plot(f,abs(X));xlabel('frequency/Hz');ylabel('magnitude');title('转换前的频谱');subplot(2,1,2);plot(f1,abs(Y));xlabel('frequency/Hz');ylabel('magnitude');title('转换后的频谱');sound(y1,fs,nbits);%女声转换为男声%[y,fs,nbits]=wavread('girl');%读取声音文件x=y(:,1);%读入的y矩阵有两列,取第1列sound(voice(x,1.3),fs,nbits);%调整voice()第2个参数转换音调,1降调,1升调functionY=voice(x,f)%更改采样率使基频改变f1降低;f1升高f=round(f*1000);d=resample(x,f,1000);%时长整合使语音文件恢复原来时长W=400;Wov=W/2;Kmax=W*2;Wsim=Wov;xdecim=8;kdecim=