数字变声器的设计-兰州理工大学

1*******************实践教学*******************兰州理工大学计算机与通信学院2012年春季学期计算机通信与网络课程设计题目：数字变声器设计专业班级：通信工程一班姓名：学号：指导教师：蔺莹成绩：2摘要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。目前，语音伪装系统（变声器）被广泛应用于社会的各个领域。语音伪装设备经常出现在以下几个方面：为了防止打击报复，保护举报人的人身安全的匿名举报系统；记者采访时对采访对象声音的处理，保护被采访人的安全；应用于电台或电视台，可对热线电话进行声音的处理。独居女士和小孩；可用变声器应付骚扰电话和陌生人来访。另外，在智能手机或者平板电脑等便携式移动终端中利用变声器开发的小游戏等。因此，变声器的应用范围及其广泛。关键字：变声器共振峰频率语音伪装3目录摘要........................................................................................................................2目录........................................................................................................................3第一章数字变声器概述......................................................................................41.1变声器定义..............................................................................................41.2变声器原理概述......................................................................................4第二章变声器原理及实现..................................................................................52.1基本原理..................................................................................................52.2数字变声器的实现..................................................................................62.3数字变声器的MATLAB实现...............................................................72.4仿真结果及分析....................................................................................122.5结果分析................................................................................................16第三章课设总结................................................................................................17参考文献..............................................................................................................19致谢......................................................................................................................204第一章数字变声器概述1.1变声器定义变声器是通过改变输入音频的音色、音调，将变声后的音频输出的工具。根据变声器材质不同，变声器分为变声器硬件和变声器软件。变声器硬件，即通过硬件实现变声的工具，譬如，知名动画名侦探柯南中，柯南侦破案件时扮演毛利小五郎时，使用的蝴蝶结，就是一种变声器，柯南正是通过这一蝴蝶结，模拟成毛利小五郎的声音，进行案件侦破的，这一变声器可称之为蝴蝶结变声器。变声器软件，即通过软件实现变声的工具，软件类变声器，运行平台皆为电脑系统。1.2变声器原理概述无论是硬件变声器，还是软件变声器，其原理都是，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。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。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。保证变声效果的自然度主要是没有采用基音检测将基音移动和共振峰变化彻底隔离的缘故。重采样使得信号的样本数目增加或减少，若以不变的采样频率播放，速度会变慢或变快，因此需要进行保持声调不变的变速处理（变速不变调），恢复到原来的样本数目。同时为了改变信号的基频，还必须对信号进行变调处理即基频移动，在运用变调因子时，必须抵消重采样引起的基频变化。5第二章变声器原理及实现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如图2.1。6图2.1基频和共振峰频率分布的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数字变声器的实现频率图2.2语音处理实现框图共振峰频率基频男声区女声区童声区v1v2V1男声变童声V2男声变女声语音信号读入进行频谱分析实现快、慢放语音信号恢复改变基频变声进行滤波处理7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。2.3数字变声器的MATLAB实现各部分程序如下：%读取声音信号并处理[x,fs]=wavread('gg');%读声音文件N=length(x);n=[0:N-1];X=fft(x);%读入音频傅里叶变换Fs=1*fs;T=1/Fs;f=n/N*Fs;%点数转换成频率figure(1);subplot(2,1,1);plot(n,x);%画出原声音信号title('原声音信号')ylabel('Y');xlabel('X');subplot(2,1,2);8plot(f,abs(X));%原声音信号的幅度谱title('语音的幅度谱');ylabel('Y');xlabel('X');sound(x,fs);%提速处理与播放w=1.6;M=w*fs;%1.6被语速的快放sound(x,M);%减速处理与播放w=0.6;M=w*fs;%0.6被语速的慢放sound(x,M);%语音信号恢复s=ifft(X);figure(2)subplot(2,1,2);plot(s);%恢复的语音信号title('恢复的语音信号');ylabel('Y');xlabel('X');subplot(2,1,1);plot(x);%恢复的语音信号title('读入的语音信号');ylabel('Y');xlabel('X');%低通滤波器的设计9fp1=1200;fs1=1500;%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);%计算低通滤波器阶数和通带边界频率[B,A]=ellip(N1,rp,as,wp1);%计算低通滤波器系统函数系数y1=filter(B,A,x);%滤波器软件实现Y1=abs(fft(y1));%低通滤波器设计与输出figure(3)subplot(2,1,1);t=n*T;plot(t,y1);title('滤波后的音频信号');xlabel('X');ylabel('Y');subplot(2,1,2);plot(f,abs(fft(y1)));title('滤波后的幅度谱');xlabel('X');ylabel('Y');sound(y1,fs);%男声变童声[y2,fs]=wavread('gg');p=fft(y2);xaa=p;N=500;pa=[0.3*xaa(1:N),2.5*xaa(1:180000),0.3*xaa(1:N)];Y1=3*real(ifft(pa));figure(4)10subplot(2,1,2);plot(Y1);%变声后的音频输出title('变声后的音频输出');xlabel('X');ylabel('Y');sound(Y1,fs);subplot(2,1,1);plot(x);%读入的原始音频title('读入的原始音频');xlabel('X');ylabel('Y');figure(5)subplot(2,1,1);plot(abs(X));%原始音频的幅度谱title('原始音频的幅度谱');xlabel('X');ylabel('Y');subplot(2,1,2);plot(abs(pa));%变声后的幅度谱title('变声后的幅度谱');xlabel('X');ylabel('Y');%男声变老人声[y2,fs]=wavread('gg');p=fft(y2);xaa=p;N=500;pa=[0.