数字变声器设计毕业论文

数字变声器设计毕业 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 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 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 目录 摘要 2 目录 3 第一章 数字变声器概述 4 11变声器定义 4 12变声器原理概述 4 第二章 变声器原理及实现 5 21基本原理 5 22数字变声器的实现 6 23数字变声器的MATLAB实现 7 24仿真结果及 12 25结果分析 16 第三章 课设总结 17 参考文献 19 致谢 20 第一章 数字变声器概述 11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 第二章 变声器原理及实现 21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21 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21 图21 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 22数字变声器的实现 频率 图22语音处理实现框图 实现步骤 1语音信号的语音信号的频谱分析设计数字滤波器和画出其频率响应用滤 波器对信号进行滤波比较滤波前后语音信号的波形及频谱 读取声音信号并处理 [xfs] wavread gg 读声音文件 N length x n [0N-1] X fft x 读入音频傅里叶变换 Fs 1fs T 1Fs f nNFs 点数转换成频率 figure 1 subplot 211 plot nx 画出原声音信号 title 原声音信号 ylabel Y xlabel X subplot 212 plot fabs X 原声音信号的幅度谱 title 语音的幅度谱 ylabel Y xlabel X sound xfs 提速处理与播放 w 16 M wfs 16被语速的快放 sound xM 减速处理与播放 w 06 M wfs 06被语速的慢放 sound xM 语音信号恢复 s ifft X figure 2 subplot 212 plot s 恢复的语音信号 title 恢复的语音信号 ylabel Y xlabel X subplot 211 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 fp1 1200fs1 1500 设定低通滤波器通带截止频率和阻带截止频率 wp1 2fp1Fs ws1 2fs1Fsrp 1as 100 [N1wp1] ellipord wp1ws1rpas 计算低通滤波器阶数和通带边界频率 [BA] ellip N1rpaswp1 计算低通滤波器系统函数系数 y1 filter BAx 滤波器软件实现 Y1 abs fft y1 低通滤波器设计与输出 figure 3 subplot 211 t nT plot ty1 title 滤波后的音频信号 xlabel X ylabel Y subplot 212 plot fabs fft y1 title 滤波后的幅度谱 xlabel X ylabel Y sound y1fs 男声变童声 [y2fs] wavread gg p fft y2 xaa p N 500 pa [03xaa 1N 25xaa 1180000 03xaa 1N ] Y1 3real ifft pa figure 4 subplot 212 plot Y1 变声后的音频输出 title 变声后的音频输出 xlabel X ylabel Y sound Y1fs subplot 211 plot x 读入的原始音频 title 读入的原始音频 xlabel X ylabel Y figure 5 subplot 211 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 212 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 [y2fs] wavread gg p fft y2 xaa p N 500 pa [03xaa 1N 25xaa 1450000 03xaa 1N ] Y1 3real ifft pa figure 6 subplot 212 plot Y1 变声后的音频输出 title 变声后的音频输出 xlabel X ylabel Y sound Y1fs subplot 211 plot x 读入的原始音频 title 读入的原始音频 xlabel X ylabel Y figure 7 subplot 211 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 212 plot abs pa 变声后的幅度谱 title 变声后的幅度谱 xlabel X ylabel Y 女声变男声 [y5fs] wavread cc p fft y5 xaa p N 100 pa [01xaa 13N 12xaa 1420000 01xaa 1100N ] Y3 1real ifft pa figure 8 subplot 211 plot y5 title 读入的原始音频 xlabel X ylabel Y subplot 212 plot Y3 变声后的音频输出 xlabel X ylabel Y sound y5fs sound 10Y3fs 24仿真结果及分析 原始与恢复音频对比 图23原始与恢复音频对比 采集到的男子声音信号大都分布在较低的频段上即男子话音的基频较低 2滤波前后波形对比 图24滤波前后波形对比 信号经过滤波器处理后保留了有效的频率成分一定程度上去除了干扰信 号 3男声变童声后音频对比 图25男声变童声后音频对比 变声前后音频信号的时域波形被压缩总体形状无太大变化 4男声变童声后频谱对比 图26男生变童声后频谱对比 改变信号的基频可以实现语音的变调零频附近的信号被削弱而对应于 1000024000频点部分的信号得到加强 5男声变老人声音音频对比 图27男声变老人声音音频对比 男声变老人声前后音频的时域波形被展宽总体形状变化不大 男声变老人声频谱对比 图28男声变老人声频谱对比 男声变老人声前后声音的高频成分被削弱而低频成分得到加强018000频点对应的信号得以加强1800030000频点对应的信号则被削弱 7女声变男声后音频对比 图29女声变男声后音频对比 由上图可知女声变男声后音频信号的时域波形被展宽信号的总体形状无太大变化 25结果分析 1采集到的男子声音信号大都分布在较低的频段上而女子的声音信号大都分布在较高的频段上即男子话音的基频较低女子的话音基频较高 2信号经过滤波器处理后保留了有效的频率成分一定程度上去除了干扰信号对于男子的声音影响较小原因为男子的话音有用信号大都分布在较低的频段上通过低通滤波器后噪声等无用信号被滤除 3改变信号的基频可以实现语音的变调变声前后音频的时域波形基本变化不大而信号的频域波形发生较大变动男声变女声后信号的频谱被搬到较高的频带上男声变童音后信号的频谱被搬移到更高的地方女声变男声则反过来 4通过改变输出频率可以实现声音的提速或减速播放将频率过大输出为提速效果将频率乘以小于一的数后可以实现减速播放效果 5男声变老人的声音可以通过变速实现变速不变调改变输出速度而不用改变声音频率 第三章 课设总结 此次课设题目为数字变声器设计要求我们利用所学的信号处理MATLAB知识完成任务综合了过去三年所学的重要专业知识可谓是对过去所学知识的一次全面考察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接到课题后我便积极准备到图馆查阅相关书籍上网搜索有关内容利用MATLAB实现仿真并及时向指导老师回报进度听取老师的意见和建议最终顺利完成了此次课设任务 采集到的男子声音信号大都分布在较低的频段上而女子的声音信号大都分布在较高的频段上即男子话音的基频较低女子的话音基频较高信号经过滤波器处理后保留了有效的频率成分一定程度上去除了干扰信号对于男子的声音影响 较小原因为男子的话音有用信号大都分布在较低的频段上通过低通滤波器后噪声等无用信号被滤除改变信号的基频可以实现语音的变调变声前后音频的时域波形基本变化不大而信号的频域波形发生较大变动男声变女声后信号的频谱被搬到较高的频带上男声变童音后信号的频谱被搬移到更高的地方女声变男声则反过来通过改变输出频率可以实现声音的提速或减速播放将频率乘以大于一的数后可以实现减速播放效果将频率乘以01内的数后可以实现减速播放效果男声变老人的声音可以通过变速实现变速不变调改变输出速度而不用改变声音频率 通过这次课设我对理论知识的掌握更加牢固而且把理论与实践联系在一起提高了自己的实践能力而且我认识到了同学之间的相互合作的重要性还提高了自己如何在众多的资料中找到对自己有用的信息要想把所学的内容融会贯通只学好课本知识是不够的要把所学习的知识加以利用这次课设就给了我们很好的机会让我们不仅巩固了课本知识还从理论上升到了实际 从课题的中心来看课题是希望将数字信号处理技术应用于某一实际领域这里就是指对语音的处理作为存储于计算机中的语音信号其本身就是离散化了的向量我们只需将这些离散的量提取出来就可以对其进行处理了 在这里用到了处理数字信号的强有力工具MATLAB通过MATLAB里几个命令函数的调用很轻易的在实际化语音与数字信号的理论之间搭了一座桥 通过这次的课程设计熟悉并掌握了MATLAB 中有关语音信号的读取频谱分析频谱的搬移和基频语速的改变来实现变声分析其频谱并与原始信号频谱进行比较 参考文献 [1] 高西全丁com西安电子科技大学出版社2008 [2] 刘树棠译数字信号处理使用MATLAB西安西安交通大学出版社2002 [3] 孙卓岳振军一种汉语语音变换技术电声技术2007 [4] 罗军com信号处理中的应用北京机械工业出版社2005 [5] 陈怀琛等编著MATLAB及在电子信息课中的应用北京电子工业出版社2002 [6] 胡广书编著数字信号处理――理论算法与实现北京清华大学出版社2002 [7] 梁虹等编信号与线性系统分析――基于MATLAB的方法与实现北京高等教育出版社2006 [8] 刘卫国主编MATLAB程序设计与应用第二版 北京高等教育出版社2006 致谢 本次课设我得到了蔺老师的悉心指导在很多问题上给我们指明了前进的方向提出了我们设计的缺点及其改良方式让我们对此次课设涉及的知识有了更加深刻的把握在这里首先感谢我的课程设计指导教师蔺莹老师在这段时间一直给我的支持与鼓励认真负责的监督我们课程设计的进度耐心的指导我们使我们能够按时的完成任务同时还要感谢在设计过程中我们组同学的帮助他们提出了许多宝贵的建议使我们的设计能得到更好的完善也加快设计的进程还有感谢学校为我们提供的良好实验环境以及充足的实验设备为我们的设计和调试提供了很大的方便在这段时间学到了很多虽然由于自身的不足没有能够为系统提出更好的解决方案但这对我来说绝对是一个非常宝贵的历练从中我切身体会到了理论和现实的差距只有真正动手去做才能发现问题同时小组成员相互商讨解决方案发现设计中的不足之处使错误得到了即使改正在此衷心地感谢蔺老师以及 这几周的殷切指导以及同学们提出诸多宝贵意见真诚地道一声谢谢 2 进行频谱分析 实现快慢放 语音信号读入 改变基频变声 进行滤波处理 语音信号恢复