数字信号 音乐声处理

课 程 设 计 报 告

课程名称        数字信号处理           

课题名称         音乐声处理            

专    业          通信工程             

班    级                    

学    号               

姓    名               

指导教师      彭 祯     罗敬                    

2013年  9  月   8 日

湖南工程学院

课 程 设 计 任 务 书

课程名称     数字信号处理     

课    题         音乐声处理         

专业班级                

学生姓名                      

学    号                  

指导老师              彭祯  罗敬            

审    批                                

任务书下达日期 2013 年 9月 1日

任务完成日期   2013 年 9月 8日

1 课程设计题目与目的

通过对常用数字滤波器的设计和实现，掌握数字信号处理的工作原理及设计方法；熟悉设计数字滤波器的方法，掌握利用数字滤波器对信号进行滤波的方法，掌握数字滤波器的计算机仿真，并能够对设计结果加以分析。几乎所有的音乐节目都分两阶段产生，每个单独的乐器声音都录制到单轨中，然后对每个轨道信号进行处理，以增加特殊音效并合成。用数字信号处理技术实现声音信号的回声生成、混响与和声。

2 课程设计的原理

2.1 单回声滤波器

  回音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] |α|<1

传输函数为：

H(z)=1+αz-R

传递函数的幅频响应形状象梳子，这种滤波器又叫梳状滤波器。

2.2 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FIR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多重回声滤波器的基本频率FR=Fs/R，通常锁定在伴音设备的基频上，比如基鼓拍子。

2.3 混响

声音在一个封闭的空间中到达听众时，包含几个部分：直达声、早期的反射和混响。早期的反射由几个空间上邻近的直达声的基本延迟和衰减组成，而混响则由密集的回声组成。上述多重回声滤波器不能提供自然声音混响。由其幅频特性可知，其幅度响应对于所有频率不是常数，收听效果不能令人满意。其次每秒回声数量太少会引起合成声的颤动，需要每秒约1000个回音才能生成没有颤动的反射声。为了生成更真实的混响，提出一种有全通结构的混响器，传输函数为：

自然声音混响可由全通混响器和多重回响互联。系统框图如下图所示：

3 课程设计设计步骤及结果分析

3.1 设计步骤

(1)录制一个声音信号，对声音信号做延迟单元，产生回声，再与原信号做叠加，产生回声效果。取同一声音信号，通过全通滤波器，使该信号获得不同的延时，将信号叠加，模仿出自然声音混响，这里设计了两个全通滤波器，根据需求可增加全通滤波器个数，以达到更好的效果。利用Windows自带的录音机，录制一段自己的话音，时间在10s内，存为*.WAV的文件。然后在Matlab软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数

(2)设计单回声滤波器，实现单回声效果。给出单回声滤波器冲激响应及幅频响应。给出加入单回声前后信号频谱。

(3)设计多重回声滤波器，实现多重回声效果。给出多重回声滤波器冲激响应及幅频响应。给出加入多重回声后信号频谱。

设计全通混响器，实现混响效果。给出全通滤波器冲激响应及幅频响应。给出加入全通滤波器后信号频谱。

3.2 结果分析

3.2.1 单回声滤波器

clc,clear,close all

[x,fs,bits]=wavread('123.wav'); 

wavplay(x,fs); 

pause(5);

a=0.8;

R=5000;

num=[1,zeros(1,R-1),0.8];  

den=[1];

y=filter(num,den,x);  

wavplay(y,fs);

pause(5);

x1=fft(x);

subplot(3,2,1);

plot(abs(x1));

title('单回声前信号幅频响应');

subplot(3,2,2);

plot(angle(x1));

title('单回声前相频响应');

y1=fft(y);  

subplot(3,2,3);

plot(abs(y1));

title('单回声后信号幅频响应');

subplot(3,2,4);

plot(angle(y1));

title('单回声后信号相频响应');

[h,w]=freqz(num,den); 

subplot(3,2,5);

plot(abs(h));

title('单回声滤波器幅频响应');

y2=ifft(h);  

subplot(3,2,6);

stem(abs(y2));

title('单回声滤波器冲激响应');

3.2.2 多重回声滤波器

clc,clear,close all

[x,fs,bits]=wavread('123.wav'); 

wavplay(x,fs); 

pause(5);

N=5;

a=0.8;

R=8000;

num=[1,zeros(1,N*R-1),-0.8^N];

den=[1,zeros(1,R-1),-0.8];

z=filter(num,den,x);

wavplay(z,fs);

z1=fft(z);

subplot(2,2,1);

plot(abs(z1));

title('多重回声后幅频响应');

subplot(2,2,2);

plot(angle(z1));

title('多重回声后相频响应');

[h,w]=freqz(num,den);

subplot(2,2,3);

plot(abs(h));

title('多重回声滤波器幅频响应');

z2=ifft(h);

subplot(2,2,4);

stem(abs(z2));

title('多重回声滤波器冲激响应');

3.2.3 全通滤波器

clc,clear,close all

[x,fs,bits]=wavread('123.wav'); 

wavplay(x,fs); 

pause(5);

subplot(2,2,1);

[h,w]=freqz(num,den);

plot(abs(h));

title('全通滤波器幅频响应');

y1=ifft(h);

subplot(2,2,2);

stem(abs(y1));

title('全通滤波器冲激响应');

y2=fft(y);

subplot(2,2,3);

plot(abs(y2));

title('全通滤波后信号幅频响应');

subplot(2,2,4);

plot(angle(y2));

title('全通滤波后信号相频响应');

3.2.4 自然混响

clc,clear,close all

[x,fs,bits]=wavread('123.wav'); 

wavplay(x,fs); 

pause(5);

N1=3;

a1=0.6;

R1=2000;

num1=[1,zeros(1,N1*R1-1),-0.6^N1];

den1=[1,zeros(1,R1-1),-0.6];

p1=filter(num1,den1,x);

%多重回声滤波器2

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);

N3=5;

a3=0.7;

R3=2000;

num3=[1,zeros(1,N3*R3-1),-0.7^N3];

den3=[1,zeros(1,R3-1),-0.7];

p3=filter(num3,den3,x);

N4=6;

a4=0.8;

R4=1900;

num4=[1,zeros(1,N4*R4-1),-0.8^N4];

den4=[1,zeros(1,R4-1),-0.8];

p4=filter(num4,den4,x);

p8=p1+p2+p3+p4;

a8=0.8;

R8=1100;

num11=[0.8,zeros(1,R8-1),1];

den11=[1,zeros(1,R8-1),0.8];

p5=filter(num11,den11,p8);

a9=0.7;

R9=2300;

num12=[0.7,zeros(1,R9-1),1];

den12=[1,zeros(1,R9-1),0.7];

p6=filter(num12,den12,p5);

y=x+p6;

wavplay(y,fs);

3.2实验结果分析

   通过实验得到的频谱图分析发现，多重回声效果较单回声效果更加明显，如果延时调试得当，会得到很好的回声效果，产生类似在音乐厅的效果，自然混响的效果则较前两者更加明显。

4 心得体会

附件：

clc,clear,close all

[x,fs,bits]=wavread('zuguo.wav'); 

wavplay(x,fs); 

pause(5);

a=0.8;

R=5000;

num=[1,zeros(1,R-1),0.8];  

den=[1];

y=filter(num,den,x);  

wavplay(y,fs);

pause(5);

x1=fft(x);

subplot(3,2,1);

plot(abs(x1));

title('单回声前信号幅频响应');

subplot(3,2,2);

plot(angle(x1));

title('单回声前相频响应');

y1=fft(y);  

subplot(3,2,3);

plot(abs(y1));

title('单回声后信号幅频响应');

subplot(3,2,4);

plot(angle(y1));

title('单回声后信号相频响应');

[h,w]=freqz(num,den); 

subplot(3,2,5);

plot(abs(h));

title('单回声滤波器幅频响应');

y2=ifft(h);  

subplot(3,2,6);

stem(abs(y2));

title('单回声滤波器冲激响应');

N=5;

a=0.8;

R=8000;

num=[1,zeros(1,N*R-1),-0.8^N];

den=[1,zeros(1,R-1),-0.8];

z=filter(num,den,x);

wavplay(z,fs);

z1=fft(z);

subplot(2,2,1);

plot(abs(z1));

title('多重回声后幅频响应');

subplot(2,2,2);

plot(angle(z1));

title('多重回声后相频响应');

[h,w]=freqz(num,den);

subplot(2,2,3);

plot(abs(h));

title('多重回声滤波器幅频响应');

z2=ifft(h);

subplot(2,2,4);

stem(abs(z2));

title('多重回声滤波器冲激响应');

a=0.7;

R=7000;

num=[0.7,zeros(1,R-1),1];

den=[1,zeros(1,R-1),0.7];

y=filter(num,den,x);

wavplay(y,fs);

subplot(2,2,1);

[h,w]=freqz(num,den);

plot(abs(h));

title('全通滤波器幅频响应');

y1=ifft(h);

subplot(2,2,2);

stem(abs(y1));

title('全通滤波器冲激响应');

y2=fft(y);

subplot(2,2,3);

plot(abs(y2));

title('全通滤波后信号幅频响应');

subplot(2,2,4);

plot(angle(y2));

title('全通滤波后信号相频响应');

%多重回声滤波器1

N1=3;

a1=0.6;

R1=2000;

num1=[1,zeros(1,N1*R1-1),-0.6^N1];

den1=[1,zeros(1,R1-1),-0.6];

p1=filter(num1,den1,x);

%多重回声滤波器2

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);

%多重回声滤波器3

N3=5;

a3=0.7;

R3=2000;

num3=[1,zeros(1,N3*R3-1),-0.7^N3];

den3=[1,zeros(1,R3-1),-0.7];

p3=filter(num3,den3,x);

%多重回声滤波器4

N4=6;

a4=0.8;

R4=1900;

num4=[1,zeros(1,N4*R4-1),-0.8^N4];

den4=[1,zeros(1,R4-1),-0.8];

p4=filter(num4,den4,x);

p8=p1+p2+p3+p4;

%全通滤波器1

a8=0.8;

R8=1100;

num11=[0.8,zeros(1,R8-1),1];

den11=[1,zeros(1,R8-1),0.8];

p5=filter(num11,den11,p8);

%全通滤波器2

a9=0.7;

R9=2300;

num12=[0.7,zeros(1,R9-1),1];

den12=[1,zeros(1,R9-1),0.7];

p6=filter(num12,den12,p5);

y=x+p6;

wavplay(y,fs);

[h1,w1]=freqz(num1,den1);

[h2,w2]=freqz(num2,den2);

[h3,w3]=freqz(num3,den3);

[h4,w4]=freqz(num4,den4);

[h5,w5]=freqz(num11,den11);

[h6,w6]=freqz(num12,den12);

H=(h1+h2+h3+h4).*h5.*h6;

subplot(2,1,1);

plot(abs(H));

title('自然混响幅频响应');

u=ifft(H);

subplot(2,1,2);

stem(abs(u));

title('自然混响冲激响应');

六、评分表

课题名称：数字滤波器设计及在心电信号滤波中的应用         

                                              日    期：