(完整版)数字音频均衡器设计毕业设计

《数字音乐盒》设计报告
设计目标：
本数字音乐盒旨在提供一种方便、易用的音乐播放体验，让用户可以随时随地享受自己喜欢的音乐。

具体设计要求如下：
1. 支持多种音频格式，如MP3、FLAC等。

2. 采用简洁、直观的用户界面，方便用户操作。

3. 支持多种播放模式，如顺序播放、随机播放等，并且能够记忆用户播放模式。

4. 提供多种音效调节和均衡器设置，使用户可以自由调整音乐效果。

5. 支持歌词显示功能，使用户可以更好地理解音乐。

6. 支持歌曲收藏功能，使用户可以方便地收藏自己的喜爱歌曲。

设计思路与方案：
本数字音乐盒采用嵌入式系统设计，主要硬件部件包括音频芯片、显示屏幕和按键模块，其中音频芯片为核心部件，支持多种音频格式的解码和播放。

用户界面设计上，采用五向导航及确认键来进行操作，主界面分为“音乐播放”和“歌曲收藏”两大模块。

在“音乐播放”模块中，
用户可以选择不同的播放模式，包括顺序播放、随机播放和循环播放。

在播放过程中，用户可以通过前进、后退、暂停等操作来控制音乐播放进程。

同时，也提供了多种音效调节和均衡器设置，用户可以自行选择调整音乐效果。

在播放过程中，歌词会自动显示在屏幕上，方便用户理解歌曲。

在“歌曲收藏”模块中，用户可以收藏自己喜爱的歌曲，方便日后收听。

总结：
本数字音乐盒设计主要针对音乐爱好者，通过简洁、易用的界面设计和多种音效、播放模式等功能的设计，为用户提供了更为便捷、自由的音乐播放体验。

同时，歌曲收藏功能也使用户可以随时查找和收听自己喜爱的歌曲，满足用户对音乐的品质需求。

基于matlab的数字音效处理器《数字信号处理》课程项目终期报告题目：数字音效处理器目录第一章绪论 (1)1.1 项目背景及研究意义 (1)1.2 数字信号处理概述 (1)第二章总体方案设计 (3)2.1 项目需求分析 (3)2.2 开发平台及工具选择 (3)2.3 项目功能设计 (3)第三章人机交互界面设计 (4)第四章数字语音信号简单处理效果设计 (5)4.1 低音增强 (5)4.2 回声特效 (6)4.3 添加背景音乐 (8)4.4 回旋效果 (9)4.5 快/慢放特效 (11)第五章自适应语音分割、倒序 (13)5.1 目标实现 (13)5.2 原理简述 (13)5.3 实现步骤 (13)5.4 应用实践 (16)5.5 核心代码分析 (16)5.5 算法优化（快速自适应倒序） (18)第六章项目实施过程 (19)第七章总结与展望 (20)7.1 项目总结 (20)7.2 项目展望 (20)附录 (21)参考文献 (37)第一章绪论1.1 项目背景及研究意义随着科技的发展,数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)被广泛的应用在各种电子产品中,从便携的个人数字助手PDA(Personal Digital Assistant)到家庭影院,电子产品对人们的生活产生着巨大的影响。

人们不仅对图像的质量有很高的要求,近年来对声音质量的需求也与日俱增。

这种需求已经不单局限在聆听,而上升为一种听觉享受。

在实际生活中,除了符合建筑声学标准的录音室、音乐厅等外,一般的室内都很难达到比较完美的音质及效果,通常需要使用音效处理器来进行处理、美化，这使得音效器的发展,得到了更为广泛的关注。

1.2 项目背景及研究意义数字信号处理(DigitalSignalProcessing,DSP)是利用专门或通用的数字信号芯片,以数字计算的方法对信号进行处理,具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小等优点。

第一部分均衡器介绍从理论上，我们找到了消除码间串扰的方法，即使用亟待系统的传输总特性H(f)满足乃奎斯特第一准则。

但实际实现时，由于难免存在滤波的设计误差和信道特性的变化，无法实现理想的传输特性，故在抽样时刻上总会存在一定的码间串扰，从而导致系统性能的下降。

为了减小码间串扰的影响，通常需要在系统中插入一种可调滤波器来校正或补偿系统特性。

这种起补偿作用的滤波器称为均衡器。

均衡器的种类很多，但按研究的角度和领域，可分为频域均衡器和时域均衡器两大类。

频域均衡器是从校正系统的频率特性出发的，利用一个可调录波器的平率特性去补偿信道或系统的频率特性，使包括可调滤波器在内的基带系统的总特性接近无失真传播条件；时域均衡器用来直接校正已失真的响应波形，使包括可调滤波器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件。

频域均衡在信道特性不变，且在传输低速数据时是适用的。

而时域均衡可以根据信道特性的变化进行调整，能够有效地减小码间串扰，故在数字传输系统中，尤其是高速数据传输中得以广泛应用。

第二部分均衡器原理介绍信道均衡器，用于均衡在传输信道上接收的信号，所述信道均衡器包括：前馈滤波器，对接收的信号进行滤波；电平确定单元，基于前馈滤波器的输出信号的振幅来在多个预定的振幅电平中确定第一电平值；误差计算单元，基于前馈滤波器的输出信号的振幅和第一电平值来计算第一误差值，并将第一误差值输出到前馈滤波器，以使前馈滤波器使用第一误差值来更新其抽头系数。

这样，在信道均衡中，所述信道均衡器能够通过使用接收到的信号的振幅来与相位误差无关地进行操作，从而可以对信道均衡器进行各种设计而不管载波恢复操作和信道均衡操作的顺序如何。

信道均衡是一种减轻由一个频率选择性和所造成的不利影响的简单方法，或发送者和接收者之间的通信链路色散。

此演示，所有信号都假定有数字基带特性。

在信道均衡的训练阶段，一个数字信号s[n]已知是发送和接收是由发射器向接收器发送。

收到的信号x [n]包含两个信号：一个是被信道冲激响应过滤过的接收信号s[n]，另一个是未知的宽带噪声信号v[n]。

数字信号处理课程设计报告题目：专业班级：学号：姓名：指导教师：年月日摘要数字信号处理(Digital Signal Processing)技术，从20世纪60年代以来，随着计算机科学和信息科学发展，数字处理技术应运而生并得以快速发展。

均衡器（Equalizer），是一种可以分别调节各种频率成分电信号放大量的电子设备，通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿扬声器和声场的缺陷，补偿和修饰各种声源及其它特殊作用，一般调音台上的均衡器仅能对高频、中频、低频三段频率电信号分别进行调节。

MATLAB语言具备高效、可及推理能力强等特点,是目前工程界流行最广泛的科学计算语言。

MATLAB强大的运算和图形显示功能，可使信号与系统上机实验效率大大提高。

特别是它的频谱分析和滤波器分析与设计功能很强，使数字信号处理工作变得十分简单，直观。

本实验就是运用MATLAB设计均衡器。

关键词 MATLAB语言原型滤波器均匀滤波器组均衡器目录一设计目的......................... 错误！未定义书签。

二设计要求 (1)三设计原理及方案 (1)3.1设计原理 (1)3.2设计方案及函数调用 (2)四软件流程 (2)4.1设计的总体方案图 (3)4.2程序流程图 (4)五调试分析 (4)5.1均衡器频率响应分析 (4)5.2均衡前后的信号对比分析 (6)六心得体会 (7)一、设计目的理解混音效果和均衡器的原理，综合运用数字信号处理的理论知识进行回声信号产生器设计，再利用MATLAB作为编程工具进行计算机实现。

二、设计要求设计均衡器，使得得不同频率的混合音频信号，通过一个均衡器后，增强或削减某些频率区域，以便修正低频和高频信号之间的关系。

三、设计原理及方案3.1 设计原理均衡器本质上是一个滤波器组，即多个滤波器的叠加。

通过改变每个滤波器的增益，可以增强或削弱某一特定的频率成分，从而达到均衡的目的。

本次设计采用一个均匀滤波器组的结构来实现均衡器，如下图所示：H0(z)为原型滤波器，将它在频域上移动kw0可以派生出一系列频率响应形状相同但中心频率不同的滤波器，这些滤波器组合在一起就是一个均匀的滤波器组。

音频均衡器和音频虚拟器的设计与优化音频均衡器和音频虚拟器是音频处理领域中常见并且重要的工具，它们能够对音频信号进行调整、优化，以获得更好的音质和音效效果。

在本文中，我们将探讨音频均衡器和音频虚拟器的设计原理及优化方法。

一、音频均衡器的设计与优化音频均衡器是一种调整音频频谱平衡的工具，它能够调整不同频段的音量，以改善音频质量。

其设计原理依据于人耳对不同频段声音敏感度的差异，通过增益调整不同频段的音量，使得整体音频呈现均衡的频谱。

1.设计原理音频均衡器通常采用滤波器的方式实现，不同频段可以采用不同的滤波器类型，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。

通过调整滤波器的增益，可以改变该频段的音量大小。

2.优化方法优化音频均衡器的关键在于找到合适的频段划分和增益设置。

一般来说，常用的频段划分包括低频、中频和高频，但具体的划分可以根据不同的音频特性进行调整。

另外，增益的设置需要根据实际需求和音频内容进行调整。

不同音频内容可能需要不同的增益设置，例如对于音乐来说，可以适当增强低频和高频以突出节奏感和明亮度；对于人声来说，可以适当增强中频以提高清晰度和可懂性。

二、音频虚拟器的设计与优化音频虚拟器是一种模拟环境声音的工具，它能够通过音频处理算法将音频信号变换为具有空间感的效果，使听者感受到立体、真实的音响效果。

其设计原理依据于人耳对声音定位和环境效果的感知。

1.设计原理音频虚拟器的设计原理包括了声音定位和混响效果两个方面。

声音定位是通过模拟人耳对声源方向的感知，通常采用声像定位算法实现，将声音源的位置和方向信息编码到音频信号中。

混响效果是通过模拟不同环境中的声音反射和衰减产生的，常用的混响算法包括各向同性模型和波场模型等。

2.优化方法音频虚拟器的优化方法主要包括声音定位和混响效果的调整。

对于声音定位，一个有效的优化方法是通过调整声音源在立体声场中的位置和角度，以达到更准确的声音定位效果。

同时，还可以考虑加入距离和远近感等因素，使得听者能够更真实地感受到声音的位置和距离。

摘要以艺人附属产品——APP游戏作为切入点，将游戏以及互动环节植入发布会。

摒除之前单一的音乐介绍、歌曲演唱、祝福视频等传统发布会模式。

从简单的A-B（艺人同主持人）互动，变为A-B-C（艺人、主持人、观众）间的互动。

从根本上扭转了参观者被动接受信息的位置。

而App游戏则以视觉、听觉、触觉三方面同时刺激观众，在观众主动接受展示信息的前提下将大大提高整个展示设计的展示效果。

同时在现实条件约束下（预算、场地环境、人为因素），要合理运用现场环境达成满意的展示效果。

最终设计成果的创新性和展示效果也表明了高互动性展示对于传达展示信息具有很好的帮助作用。

创新点：1.主持人、艺人、观众三方互动。

2.游戏环节增加观众代入感。

3.视觉、听觉、触觉三位一体进行信息传递。

关键词：艺人；互动；参观者；展示效果AbstractAncillary products to artists - APP games as a starting point, games and interactive sessions will be implanted in conference.Exclusion before the single's introduction, singing songs, blessings and other traditional video conferencemode.From simple AB (artist with the host) interaction, into ABC (artists, presenters, audience) interaction.Visitors fundamentally reversing the positionof passive acceptance of information.The App game Zeyi visual, auditory, tactile stimulation of the three at the same time the audience, showing the audience theinitiative to accept the premise of information will greatly enhance the overalldisplay design display.In reality, under the same constraints (budget, space environment, human factors), reasonable use of on-site environment to reach a satisfactory display.The final design results showing the effect of the innovativeand highly interactive show also shows very good for conveying information to helpshow the role.Innovation: 1.Host, artist, audience interaction that way.2. Part of the game to increase the audience a sense of substitution.3. Visual, auditory, tactile Trinity of information transmission. Keywords: artist; interaction; visitors; showing the effect of目录摘要................................................................................................... 错误！未定义书签。

数字信号处理课程设计报告题目：专业班级：学号：姓名：指导教师：年月日摘要数字信号处理(Digital Signal Processing)技术，从20世纪60年代以来，随着计算机科学和信息科学发展，数字处理技术应运而生并得以快速发展。

均衡器（Equalizer），是一种可以分别调节各种频率成分电信号放大量的电子设备，通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿扬声器和声场的缺陷，补偿和修饰各种声源及其它特殊作用，一般调音台上的均衡器仅能对高频、中频、低频三段频率电信号分别进行调节。

MATLAB语言具备高效、可及推理能力强等特点,是目前工程界流行最广泛的科学计算语言。

MATLAB强大的运算和图形显示功能，可使信号与系统上机实验效率大大提高。

特别是它的频谱分析和滤波器分析与设计功能很强，使数字信号处理工作变得十分简单，直观。

本实验就是运用MATLAB设计均衡器。

关键词 MATLAB语言原型滤波器均匀滤波器组均衡器目录一设计目的......................... 错误！未定义书签。

二设计要求 (1)三设计原理及方案 (1)3.1设计原理 (1)3.2设计方案及函数调用 (2)四软件流程 (2)4.1设计的总体方案图 (3)4.2程序流程图 (4)五调试分析 (4)5.1均衡器频率响应分析 (4)5.2均衡前后的信号对比分析 (6)六心得体会 (7)一、设计目的理解混音效果和均衡器的原理，综合运用数字信号处理的理论知识进行回声信号产生器设计，再利用MATLAB作为编程工具进行计算机实现。

二、设计要求设计均衡器，使得得不同频率的混合音频信号，通过一个均衡器后，增强或削减某些频率区域，以便修正低频和高频信号之间的关系。

三、设计原理及方案3.1 设计原理均衡器本质上是一个滤波器组，即多个滤波器的叠加。

通过改变每个滤波器的增益，可以增强或削弱某一特定的频率成分，从而达到均衡的目的。

本次设计采用一个均匀滤波器组的结构来实现均衡器，如下图所示：H0(z)为原型滤波器，将它在频域上移动kw0可以派生出一系列频率响应形状相同但中心频率不同的滤波器，这些滤波器组合在一起就是一个均匀的滤波器组。

基于DSP的音频处理器毕业设计论文音频处理器是一种用于处理和增强音频信号的设备或软件。

它可以对音频信号进行各种操作，如音频混合、均衡、压缩、时域和频域分析等。

基于DSP（数字信号处理）的音频处理器利用计算机算法和数字信号处理技术，可以实现更高级和更复杂的音频处理功能。

本文将设计一个基于DSP的音频处理器的毕业设计。

该音频处理器将基于数字信号处理技术，通过使用DSP芯片和相应的算法实现音频信号的处理和增强。

主要功能包括音频输入、音频处理、音频输出等。

首先，音频输入模块将负责接收外部音频信号。

可以使用麦克风或其他音频设备将音频信号输入到系统中。

音频输入模块应该对输入信号进行采样和转换，以将其转换为数字信号。

然后，音频处理模块将对接收到的音频信号进行各种处理。

可以设计不同的音频处理算法和技术，如均衡器、压缩器、时域和频域分析等。

这些算法可以通过DSP芯片的计算能力实现，并且可以根据需要进行编程和调整。

最后，音频输出模块将负责输出音频处理后的信号。

可以使用音频放大器和扬声器将处理后的音频信号播放出来。

音频输出模块也可以与其他音频设备进行连接和集成，如耳机、扬声器系统等。

在这个毕业设计中，还可以加入一些附加功能和创新点。

例如，可以设计一个图形界面用于控制和调整音频处理参数，增加系统的可操作性和用户友好性。

还可以设计一个实时音频分析和显示模块，以便用户可以看到音频信号的时域和频域特征。

总的来说，基于DSP的音频处理器是一个有挑战性和有趣的毕业设计课题。

通过使用数字信号处理技术和DSP芯片的计算能力，可以实现强大和高级的音频处理功能。

这个设计将有助于提高学生对音频信号处理和数字信号处理的理解和应用能力，并为将来的音频处理技术和设备开发提供基础。

2．设计原理2.1数字滤波器2.1.1 数字滤波器的原理简介数字滤波器的功能是把输入序列通过一定的运算，变换成输出序列。

数字滤波器一般可用两种方法实现：一种是根据描述数字滤波器的数学模型或信号流程图，用数字硬件构成专用的数字信号处理机，即硬件方式；另一种是编写滤波器运算程序，在计算机上运行，即软件方式。

考虑到软件的灵活性及易于实现，本文采用软件方式实现数字滤波器。

数字滤波器有无限冲激响应(IIR)和有限冲激响应(FIR)两种。

下面分别介绍：(1) IIR滤波器IIR滤波器的特点是：单位冲激响应h(n)是无限长的；系统函数H(z)在有限长Z平面（0<|Z|<∞)有极点存在；结构上存在输出到输入的反馈，也即结构上是递归型的；因果稳定的IIR滤波器其全部极点一定在单位圆内。

其系统函数为(1)计算机上实现时则需要用到差分方程的形式，如下(2)IIR滤波器有四种基本的网络结构(具体参看文献[3])，直接I型、直接II型、级联型与并联型。

其中直接I型需要2N个延迟单元，而直接II型只需要N个延迟单元。

因此，用软件实现时，直接II型少占用存储单元。

级联型则是将N阶IIR系统函数分解成二阶因式连乘积，并联型则是将系统函数化成部分分式之和，则可得到IIR数字滤波器的并联结构。

(2) FIR滤波器IIR滤波器的特点是：系统的单位冲激响应h(n)是个有限长序列；系统函数|H(z)|在|z|>0处收敛，极点全部在z=0处(即FIR一定为稳定系统)；结构上主要是非递归结构，没有输出到输入反馈。

但有些结构中（例如频率抽样结构）也包含有反馈的递归部分。

其系统函数的一般形式为(3)对应的差分方程为(4)FIR系统的基本结构有直接型、级联型、快速卷积型、频率取样型等。

2.1.2 FIR与IIR滤波器的比较与选择IIR滤波器可以用比FIR滤波器少的阶数来满足相同的技术指标，这样，IIR滤波器所用的存储单元和所用的运算次数都比FIR滤波器少。

音频均衡器设计数字信号处理课程设计报告题目: 专业班级: 学号: 姓名: 指导教师:年月日摘要数字信号处理(Digital Signal Processing)技术，从20世纪60年代以来，随着计算机科学和信息科学发展，数字处理技术应运而生并得以快速发展。

均衡器(Equalizer)，是一种可以分别调节各种频率成分电信号放大量的电子设备，通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿扬声器和声场的缺陷，补偿和修饰各种声源及其它特殊作用，一般调音台上的均衡器仅能对高频、中频、低频三段频率电信号分别进行调节。

MATLAB语言具备高效、可及推理能力强等特点,是目前工程界流行最广泛的科学计算语言。

MATLAB强大的运算和图形显示功能，可使信号与系统上机实验效率大大提高。

特别是它的频谱分析和滤波器分析与设计功能很强，使数字信号处理工作变得十分简单，直观。

本实验就是运用MATLAB设计均衡器。

关键词 MATLAB语言原型滤波器均匀滤波器组均衡器目录一设计目的 ....................... 错误～未定义书签。

二设计要求 ...................................... 1 三设计原理及方案 ................................ 1 3.1设计原理 ....................................... 1 3.2设计方案及函数调用.............................. 2 四软件流程 ...................................... 2 4.1设计的总体方案图 ............................... 3 4.2程序流程图 ..................................... 4 五调试分析 ...................................... 4 5.1均衡器频率响应分析.............................. 4 5.2均衡前后的信号对比分析 .......................... 6 六心得体会 (7)一、设计目的理解混音效果和均衡器的原理，综合运用数字信号处理的理论知识进行回声信号产生器设计，再利用MATLAB作为编程工具进行计算机实现。

基于DSP的音频信号处理与放大系统设计一、前言数字信号处理（DSP）技术在音频处理中得到了广泛的应用。

本文旨在设计一个基于DSP的音频信号处理与放大系统，实现对音频信号的处理、调节和放大。

该系统采用了TMS320C6713 DSP芯片作为核心处理器，能够实现高效率、高精度的数字信号处理。

本文将从系统设计的需求出发，分析系统架构、设计参数、算法实现和系统性能等方面进行详细阐述。

二、系统需求分析输入/输出该系统的输入为音频信号，一般来自音频采集器、CD、MP3等设备。

输出为音频放大信号，一般连接至功放、扬声器等设备。

为保证音频信号质量，系统应具有输入阻抗高、噪声低、失真小的特点。

放大输出信号应具有高保真度、低失真度、大输出功率等特点。

系统性能该系统应满足以下要求：（1）输入阻抗：> 10kΩ（2）噪声：< 0.1mV（3）失真：< 0.1%（4）输出功率：> 50W（5）频率响应：20Hz-20kHz（6）信噪比：> 90dB（7）总谐波失真：< 0.5%系统算法系统应支持以下算法：（1）音频采集（2）滤波处理（3）音量调节（4）均衡器（5）混响效果三、系统设计系统架构该系统采用了TMS320C6713 DSP芯片作为核心处理器，外围连接音频采集器、音频处理器、音频放大器等模块。

系统框图如下所示：+--------+ +--------+ +--------+|音频采集器|------->| DSP芯片|------->| 音频放大器|+--------+ +--------+ +--------+|+--------+| 音频处理器|+--------+系统参数（1）输入阻抗：系统采用运放作为输入级，输入阻抗可达到10MΩ以上。

（2）噪声：系统采用低噪声运放，噪声可控制在0.1mV以下。

（3）失真：系统采用高精度ADC/DAC芯片和高质量音频放大器，失真可控制在0.1%以下。

摘要摘要语音信号在数字信号处理中占有极其重要的地位，因此选择通过对语音信号的研究来巩固和掌握数字信号处理的基本能力十分具有代表性.对数字信号处理离不开滤波器，因此滤波器的设计在信号处理中占有极其重要的地位.FIR数字滤波器和IIR滤波器是滤波器设计的重要组成部分.本文主要介绍有限长冲击响应（FIR）滤波器和无限长冲击响应（IIR）滤波器的设计，采用MATLAB软件对FIR数字滤波器进行设计，可以简化设计中繁琐的计算.一般有窗函数法，频率采样法和优化设计方法等设计方法，本文采用窗函数法，通过调用MATLAB函数设计FIR数字滤波器.绘制对应的幅频特性曲线.通过理论推导得出相应结论，再利用MATLAB作为编程工具进行计算机实现对加噪声语音信号进行时域、频域分析和滤波.在设计实现的过程中，使用窗函数法来设计FIR数字滤波器，用双线性法设计巴特沃斯IIR数字滤波器，并利用MATLAB作为辅助工具完成设计中的计算与图形的绘制及仿真.通过滤波前后信号的频谱图和时域语音信号的对比，分析不同滤波器的滤波效果.关键词：滤波器；MATLAB；窗函数法FIR；巴特沃斯IIRAbstractABSTRACTPossession of the speech signal in the digital signal processing extremely important position , so choose through the study of the voice signal to digital signal processing to consolidate and master basic skills very representative . Inseparable from the digital signal processing filter , so the filter design plays an extremely important role in signal processing . FIR digital filters and IIR filters are an important part of the design of filter paper introduces a finite impulse response (FIR) filters and infinite impulse response (IIR) filter design, using MATLAB software FIR digital filter designed to simplify the design of tedious calculations . generally have a window function method, frequency sampling method and design optimization methods, design methods , we use a window function method , by calling the MATLAB function design FIR digital filter. draw the corresponding amplitude-frequency characteristic curve. theoretical conclusions deduced accordingly , re-use MATLAB as a programming tool to realize computer voice signal plus noise in time domain , frequency domain analysis and filtering. process designed to achieve using a window function method to design FIR digital filter , Butterworth IIR digital filter design using bilinear method , and use MATLAB as an auxiliary tool to complete the design drawing and simulation calculations and graphics by filtering the signal before and after Comparative spectrum time domain speech signal and to analyze the effects of different filters filtering .Keywords: Filter; MATLAB; FIR; IIR目录第1章绪论 (1)1.1 课题的研究背景 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.3 研究内容 (1)1.4 研究课题的目的和意义 (2)第2章原始信号语音的采集与处理 (3)2.1 语音信号的采样理论依据 (3)2.1.1 采样频率 (3)2.1.2 采样位数 (3)2.1.3 采样定理 (3)2.2 语音信号的录制 (3)2.3 语音信号的时频分析 (3)2.3.1 FFT概念 (3)2.3.2 FFT的MATLAB实现 (4)2.4 语音信号加噪与频谱分析 (6)2.4.1 随机噪音信号加入原始语音信号 (6)第3章数字滤波器 (9)3.1 数字滤波器原理 (9)3.2 实现数字滤波器的方法 (9)3.3 数字滤波器的特点 (9)3.3.1 有限脉冲响应滤波器（FIR）特点 (9)3.3.2 无限脉冲响应滤波器（IIR）特点 (10)3.4 FIR数字滤波器设计 (10)3.4.1 FIR数字滤波器的设计方法 (10)3.4.2 利用窗函数设计FIR滤波器的具体步骤 (11)3.5 IIR数字滤波器设计 (12)3.5.1 IIR数字滤波器设计方法 (12)3.5.2 IIR数字滤波器的设计步骤 (12)3.5.3 双线性变换法设计IIR数字滤波器 (12)第4章滤波并绘制前后语音信号的波形及频谱 (15)4.1 滤波及仿真 (15)4.1.1 FIR低通窗滤波 (15)4.1.2 IIR巴特沃斯低通窗滤波 (17)4.2 结合去噪后的频谱图对比两种方式滤波的优缺点 (18)第5章总结 (19)参考文献 (20)致谢 (21)数字音频去噪算法研究第1章绪论1.1课题的研究背景在过去几十年中已将数字信号处理领域发展到理论和技术上都是重要的地位.在工业中成功的主要原因是由于物美价廉的软件和硬件的开发和应用.在当今社会，我们被以各种形式的各类信号所包围.其中一些是自然的，但大多信号是人为的.某些信号是必需的（语音），某些是让人愉悦的（音乐），而同时在某一特定环境下，很多又是不想要的或者是多余的.在工程范围内，信号时信息的载体，既可以是有用的，也可能是不想要的.因此，从一个错综复杂的信息混合中提取或者增强有用信息是信号处理的一种最为简单的形式.更一般的说，信号处理是为提取、增强、存储和传输有用信息而设计的一种运算[1].有用的和不需要的信息之间的区分往往是主观的，也是客观的.因此，信号处理与应用场合紧密相关.语音信号生活中必不可少的，特别是在现在信息时代各种信息在网络上传播和被人们接收，而在传播和接收的过程中充满了各种干扰信号.这些信号一般是由环境和设备上产生的与人们想要的信息掺杂在一起并且不可避免的会出现这种状况.这类信号可以被称之为噪音信号.由于这很常见，所以去噪也是人们长期探讨解决的话题.在这网络发达的时代，想要实现一些想法是比较容易的，好多的东西都可以模拟仿真看自己的想法能否实现.数字音频去噪也可以，MATLAB是一种交互式和基于矩阵的体系，它主要用于科学和工程数值计算和可视化功能.利用它相对简单的编程能力，可以很容易的MATLAB扩展创建出新的命令和函数.从这一点来看，它的功能是很强大的.我们可以利用MATLAB这强大的仿真功能来实现对数字信号的噪声去除，这会在生活中很有用的.1.2国内外研究现状随着信息科学技术的飞速发展，语音信号处理取得了重大的进展.20世纪60年代中期形成的一系列数字信号处理方法和技术，如数字滤波器、快速傅里叶变换（FFT）等成为语音信号数字处理的理论和技术基础；进入70年代之后，学者们又提出了用于语音信号的信息压缩和特征提取的线性预测技术（LPC），并发展成为语音信号处理最强有力的工具，广泛应用于语音信号的分析、合成及各个应用领域；80年代初一种新的基于聚类分析的高效数据压缩技术—矢量量化（VQ）应用于语音信号处理中，而用稳马尔可夫模型（HMM）描述语音信号过程的产生是80年代语音信号处理技术的重大发展，目前HMM已构成了现代语音识别研究的重要基石[2].近年来人工神经网络（ANN）的研究取得了迅速发展，语音信号处理的各项课题是促进其发展的重要动力之一，同时，它的许多成果也体现在有关语音信号处理的各项技术之中.1.3研究内容课题基于MATLAB有噪音语音信号处理的设计与实现，综合运用数字信号处理的理论知识对加噪声语音信号进行时域、频域分析和滤波.通过理论推导得出相应结论，再利用MATLAB 作为编程工具进行计算机实现.在设计实现的过程中，使用窗函数法来设计FIR数字滤波器，用双线性变法设计巴特沃斯IIR数字滤波器，并利用MATLAB 作为辅江南大学学士学位论文助工具完成设计中的计算与图形的绘制.最终结合图像以及对语音信号的回放，通过对比，得出结论.本课题的研究基本步骤如下：1. 语音信号的录制.2. 在MATLAB平台上读入语音信号.3. 绘制频谱图并回放原始语音信号.4. 利用MATLAB编程加入一段随机噪音信号，设计FIR和IIR滤波器去噪，并分别绘制频谱图、回放语音信号.5. 通过仿真后的图像以及对语音信号的回放，对比两种去噪方式的优缺点.1.4研究课题的目的和意义语音信号的采集与分析技术是一门涉及面很广的交叉科学，它的应用和发展与语音学、声音测量学、电子测量技术以及数字信号处理等学科紧密联系，语音是人类获取信息的重要来源和利用信息的重要手段.在信号传输过程中，由于实验条件或各种其他主观或客观条件的原因，语音处理系统都不可避免地要受到各种噪声的干扰.噪声不但降低了语音质量和语音的可懂度，而且还将导致系统性能的急剧恶化，严重时使整个系统无法正常工作.现实中噪音给人带来生理上和心理上的危害具体表现在损害听力、有害于人的心血管系统.因此噪声处理已经成为现代人必须面临的问题.选择设计此方案，是对数字信号处理的一次实践.在数字信号处理的课程学习过程中，我们过多的是理论学习，几乎没有进行实践方面的运用.这个课题正好是对数字语音处理的一次有利实践，而且语音处理也可以说是信号处理在实际应用中很大众化的一方面.这个方案用到的软件也是在数字信号处理中非常通用的一个软件——MATLAB软件.所以这个课题的设计过程也是一次数字信号处理在MATLAB中应用的学习过程.数字音频去噪算法研究第2章 原始信号语音的采集与处理2.1 语音信号的采样理论依据所谓“采样”，就是利用采样脉冲序列p(t)从连续时间信号x(t)中抽取一系列的离散样值，由此得到的离散时间信号通常称为采样信号.采样器可以看成是一个电子开关，设开关每隔T 短暂地闭合一次，将连续信号接通，实现一次采样.如果开关每次闭合的时间为t 那么采样器的输出将是一串周期为T ，宽度为t 的脉冲，而脉冲的幅度却是重复着在这段t 时间内信号的幅度，这个过程可以看作是一个脉冲调幅过程，被调制的脉冲载波是一串周期为T ，宽度为t 的矩形脉冲信号，即采样脉冲序列p(t)，而调制信号就是输入的连续信号.2.1.1 采样频率采样频率，也称为采样速度或者采样率，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹（Hz ）来表示.采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间，它是采样之间的时间间隔.通俗的讲采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样本，是描述声音文件的音质、音调，衡量声卡、声音文件的质量标准.采样频率与声音频率之间有一定的关系，只有采样频率高于声音信号最高频率的两倍时，才能把数字信号表示的声音还原成为原来的声音.这就是说采样频率是衡量声卡采集、记录和还原声音文件的质量标准.2.1.2 采样位数采样位数即采样值或取样值，用来衡量声音波动变化的参数，是指声卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数.声卡的位客观地反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确程度.声卡的主要的作用之一是对声音信息进行录制与回放，在这个过程中采样的位数和采样的频率决定了声音采集的质量.2.1.3 采样定理在进行原始模拟信号采集过程中，当采样频率s f 大于采样信号中的最高频率max f 的2倍（max 2s f f ）时，采样之后的数字信号才能完整地还原原始信号中的信息.一般在实际应用中保持采样频率为信号最高频率成分的5～10倍.2.2 语音信号的录制用windows 自带的录音软件录制一段音乐，然后用音频转换软件把录制的音频文件转换成.wav 格式.2.3 语音信号的时频分析2.3.1 FFT 概念 傅立叶变换是一种将时域信号转变为频域信号的变换形式.在频域分析中，频谱分析是信号分析的重要内容，它反应了系统性能的好坏.所谓信号的频谱，就是指信号的频率及对应的幅度值和相位，也可以分别称为幅度谱和相位谱.傅里叶变换是数字信号处理中对信号进行分析时经常采用的一种方法.但是如果采用常规的傅里叶变换，则该算法的运算量会特别大，所以通常的方法是采用快速傅里叶变换[3].江南大学学士学位论文很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特征了.这就是很多信号分析采用FFT变换的原因.另外，FFT可以将一个信号的频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常用的.2.3.2FFT的MATLAB实现在MATLAB的信号处理工具箱中函数FFT和IFFT用于快速傅立叶变换和逆变换.下面介绍这些函数.函数FFT用于序列快速傅立叶变换.函数的一种调用格式为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.函数FFT的另一种调用格式为y=fft(x,N)，式中x，y意义同前，N为正整数.函数执行N点的FFT.若x为向量且长度小于N，则函数将x补零至长度N.若向量x的长度大于N，则函数截短x使之长度为N.若x 为矩阵，按相同方法对x进行处理.经函数fft求得的序列y一般是复序列，通常要求其幅值和相位.MATLAB提供求复数的幅值和相位函数：abs，angle，这些函数一般和FFT同时使用.函数abs(x)用于计算复向量x的幅值，函数angle(x)用于计算复向量的相角.利用MATLAB中的“wavread”命令来读入（采集）语音信号，将它赋值给某一向量.再对其进行采样，记住采样频率和采样点数.下面介绍Wavread 函数几种调用格式.（1）y=wavread（file）功能说明：读取file所规定的wav文件，返回采样值放在向量y中.（2）[y,fs,nbits]=wavread(file)功能说明：采样值放在向量y中，fs表示采样频率（hz），nbits表示采样位数.（3）y=wavread（file，N）功能说明：读取前N点的采样值放在向量y中.（4）y=wavread（file，[N1,N2]）功能说明：读取从N1到N2点的采样值放在向量y中.接下来，对语音信号test03.wav进行采样.其程序如下:[y,fs,nbits]=wavered (‘test03.wav’);然后，画出语音信号的时域波形，再对语音信号进行频谱分析.在本次设计中，我们利用fft对语音信号进行快速傅里叶变换，就可以得到信号的频谱特性.我们还可以通过sound命令来对语音信号进行回放，以便在听觉上来感受声音的变化.sound(x,fs,bits); 用于对声音的回放.向量y则就代表了一个信号（也即一个复杂的“函数表达式”）也就是说可以像处理一个信号表达式一样处理这个声音信号.下面的一段程序是语音信号在MATLAB中的最简单表现，它实现了语音的读入打开，以及绘出了语音信数字音频去噪算法研究其程序如下：[y,fs,bits]=wavread('test03.wav');x=y(:,1);%sound(y,fs) %原始效果n=length(y)y_p=fft(y,n);f=fs*(0:n/2-1)/n;figure(1)subplot(2,1,1);plot(y);title('原始语音信号采样后的时域波形');xlabel('频率点数')ylabel('幅值A')subplot(2,1,2);plot(f,abs(y_p(1:n/2)));title('原始语音信号采样后的频谱图');xlabel('频率Hz');ylabel('频率幅值');得到的时域波形图、频谱图如图2-1所示：图2-1原始音频信号频谱图江南大学学士学位论文2.4语音信号加噪与频谱分析2.4.1随机噪音信号加入原始语音信号图2-2原始音频信号加入噪声后频谱图下面一段程序实现了利用randn函数把一段随机噪音信号加入原始语音信号的信号处理过程语句L=length(y) ;noise=0.1*randn(L,2);y_z=y+noise;sound(y_z,fs)加噪后语音信号的时域波形、频谱图如图2-2所示：通过对图2-1和图2-2的对比，很明显可以看加噪后的语音信号时域波形比原始语音信号浑浊了许多，在时间轴上可以明显看出幅值增大了.再通过对原始语音信号的回放效果与加噪后的语音信号回放的效果的对比，人耳可以明显辨别出两种语音信号不一样了，加噪后的语音信号在听觉上比原始语音信号要浑浊很多，而且还有刺耳的混杂音.第3章数字滤波器3.1数字滤波器原理数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一，数字滤波器广泛用于数字信号处理中，如电视、VCD、音响等.随着数字技术的不断发展，在许多场合数字滤波器正在快速取代模拟滤波器，与模拟滤波相比，它具有精度和稳定性高，系统函数容易改变，灵活性强，便于大规模集成和可实现多维滤波等优点.在信号的过滤，检测和参数的估计等方面，经典数字滤波器是使用最广泛的一种线性系统.数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对入信号波形进行加工处理.或者说利用数字方法按预定的要求对信号进行变换.数字滤波器是一个离散的系统，它可以对输入的信号进行一系列的运算处理，从输入的信号中获得所需要的信息.模拟信号的数字处理如图3-1所示.模拟信号经过抗混叠滤波器限带处理后，通过模数转换器将其转换为数字信号，该信号经数字处理后，用数模转换器变为模拟信号，最后，再用平滑滤波器滤除该模拟信号中的高频干扰.图3-1 模拟信号的数字处理3.2实现数字滤波器的方法数字滤波器按特定的运算改变数字输入信号的频谱分布，用软件或硬件实现.一般有两种，一种是利用计算机的程序实现，即在通用计算机上执行数字信号处理程序，从而仿真实现,这种方法灵活，但一般不能完成实时处理.另一种是利用硬件来实现,硬件处理是根据数字滤波器的算法，设计专用数字信号处理集成电路，使计算程序全部硬件化，这种方法的优点是处理速度高，但灵活性差，设备开发周期长.实现一个数字滤波器一般需要三个基本的运算单元：加法器，乘法器和延时器.设计数字滤波器的一般步骤：(1)按所给要求确定滤波器的性能(2)用一个因果稳定的离散线性时不变系统的函数逼近此性能的要求(3)利用算法来实现这个系统函数(4)利用计算机仿真或硬件来实现3.3数字滤波器的特点3.3.1有限脉冲响应滤波器（FIR）特点(1)有限脉冲响应滤波器（FIR filter）的优点：①脉冲响应为有限长：造成当输入信号个数为有限长的时候，输出数信号个数也为有限长.② 比无限脉冲响应滤波器（IIR filter ）较容易最优化. ③ 线性相位：造成h(n)是偶对称或奇对称且有限长. ④ 一定是稳定的：因为Z 转换后所有的极点都在单位圆内. (2)有限脉冲响应滤波器的缺点： 设计方式较无限脉冲响应滤波器困难. 3.3.2 无限脉冲响应滤波器（IIR ）特点(1)无限脉冲响应滤波器(IIR filter)的优点： 较容易设计以及实现.(2)无限脉冲响应滤波器的缺点：① 脉冲响应为无限长：造成当输入信号个数为有限长的时候，输出信号个数会变成无限长.②比有限脉冲响应滤波器较不容易最优化.③不一定是稳定的：因为Z 转换后所有的极点不一定都在单位圆内. ④具有非线性相位.3.4 FIR 数字滤波器设计3.4.1 FIR 数字滤波器的设计方法FIR 滤波器具有严格的相位特性，对于信号处理和数据传输是很重要的.目前 FIR 滤波器的设计方法主要有三种：窗函数法、频率取样法和切比雪夫等波纹逼近的最优化设计方法[4].常用的是窗函数法和切比雪夫等波纹逼近的最优化设计方法.本实验中的窗函数法比较简单，可应用现成的窗函数公式，在技术指标要求高的时候是比较灵活方便的.(1) FIR 滤波器的定义k k Mk z b z H -=∑=0)(（3-1）M 阶:长度1+=M N 的FIR 数字滤波器[],0,1,....,0,k b k M h k =⎧=⎨⎩其它（3-2）(2) FIR 滤波器设计指标数字滤波器的技术指标与模拟滤波器的基本相同，以低通滤波器为例，技术指标有通带频率p Ω、通带最大衰减p A 、阻带频率S Ω、阻带最小衰减S A [5]，如图3-2所示.此外，因模拟频率T /Ωω=，数字滤波器还需要给出抽样间隔T 或抽样频率.对同一滤波器，系统函数是模拟频率与抽样频率比值的函数，抽样频率提高一倍，通带、阻带模拟频率也相应地提高一倍[6].Ωp s1+δp 1-δpδs图3-2 FIR 滤波器设计指标图(3) 严格线性相位定义j j j ()(e )(e )e H H ϕΩΩΩ=（3-3）若Ω-=Ωαϕ)(， 则称系统H(z)是严格线性相位的[7]. (4) 广义线性相位定义)(j j e )()e (βα+Ω-ΩΩ=A H（3-4）3.4.2 利用窗函数设计FIR 滤波器的具体步骤(1)根据性能要求确定待求滤波器的冲激响应()d h n如果根据通带阻带衰减和边界频率要求，可选用理想滤波器作为逼近函数[8]，从而用理想滤波器的频率响应()jw Hd e 作傅立叶逆变换求出()d h n .1()()2j j n d dh n He e d πωπωπ-=⎰（3-5）如果()jw Hd e 较复杂或不能用封闭公式表示，则不能用上式求出()d h n .此时可对()jw Hd e 从ω=0到ω=2 （一个周期内）均匀采样M 点，采样值为2/()j k M Hd e π，k=0,1,…,M -1，则上式可近似写成22101()()M jk jkn MMM dk h n HeeMππ-==∑ （3-6）根据采样定理，()M h n 和()d h n 应满足：()()M dr h n h n rM ∞=-∞=+∑（3-7）(2) 根据对过渡带及阻带衰减的要求，选择窗口函数的形式，并估计窗口长度N .(3) 确定延时值12N α-=（即滤波器的对称中心） (4) 计算滤波器的冲激响应h(n).d h(n)h (n)w(n)=⋅（3-8）w(n)是关于(N-1)/2对称的长度为N 的一个窗函数. (5)验证技术指标是否满足要求.设计出的滤波器频率响应用下式表示[9]：10()()N j j n n H e h n e ωω--==∑（3-9）3.5 IIR 数字滤波器设计3.5.1 IIR 数字滤波器设计方法IIR 数字滤波器是一种离散时间系统，其系统函数为01()()()1Mkk k N kk k b zr z H Z x z a z -=-===-∑∑ （3-10）假设M ≤N ，当M ＞N 时,系统函数可以看作一个IIR 的子系统和一个(M-N)的FIR 子系统的级联.IIR 数字滤波器的设计实际上是求解滤波器的系数k a 和k b ，它是数学上的一种逼近问题，即在规定意义上（通常采用最小均方误差准则）去逼近系统的特性.如果在S 平面上去逼近，就得到模拟滤波器；如果在z 平面上去逼近，就得到数字滤波器.3.5.2 IIR 数字滤波器的设计步骤IIR 数字滤波器的设计一般有两种方法：一个是借助模拟滤波器的设计方法进行.其设计步骤是，先设计模拟滤波器，再按照某种方法转换成数字滤波器.这种方法比较容易一些，因为模拟滤波器的设计方法已经非常成熟，不仅有完整的设计公式，还有完善的图表供查阅；另外一种直接在频率或者时域内进行，由于需要解联立方程，设计时需要计算机做辅助设计.其设计步骤是：先设计过渡模拟滤波器得到系统函数)(s H a ，然后将)(s H a 按某种方法转换成数字滤波器的系统函数)(z H [10].利用模拟滤波器成熟的理论设计IIR 数字滤波器的过程是：(1)根据要求确定数字低通滤波器的技术指标：通带边界频率p ω、通带最大衰减p α、阻带截止频率s ω、阻带最小衰减s α.(2)将数字低通滤波器的技术指标转换成相应的模拟低通滤波器的技术指标. (3)按照模拟低通滤波器的技术指标设计过渡模拟低通滤波器.(4)用所选的转换方法，将模拟滤波器)(s H a 转换成数字低通滤波器系统函数)(z H . 成熟的模拟滤波器设计方法主要有脉冲响应不变法和双线性变换法[11].3.5.3 双线性变换法设计IIR 数字滤波器脉冲响应不变法的主要缺点是产生频率响应的混叠失真[12].这是因为从S 平面到Z 平面是多值的映射关系所造成的.为了克服这一缺点，可以采用非线性频率压缩方法，将整个频率轴上的频率范围压缩到TTππ-之间，再用=sT Z e 转换到Z 平面上.也就是说，第一步先将整个S 平面压缩映射到1S 平面的TTππ-一条横带里；第二步再通过标准变换关系将T s e z 1=此横带变换到整个Z 平面上去.这样就使S 平面与Z 平面建立了一一对应的单值关系，消除了多值变换性，也就消除了频谱混叠现象，映射关系如图3-3所示.图3-3双线性变换的映射关系为了将S 平面的整个虚轴j Ω压缩到1S 平面1j Ω轴上的/T π-到/T π段上，可以通过以下的正切变换实现12tan 2T T Ω⎛⎫Ω=⎪⎝⎭（3-11）式中,T 仍是采样间隔.当1Ω由/T π-经过0变化到/T π时，Ω由-∞经过0变化到+∞，也即映射了整个j Ω轴.将式（3-11）写成111/2/2/2/22.j T j T j T j T e e j T e eΩΩΩ-Ω-Ω=+ （3-12）将此关系解析延拓到整个S 平面和S1平面，令j Ω=s ，j Ω1=s1，则得1/2/21/2/22221.tanh .21i i i i i s T s T s Ts T s T s T s T e e e s T e e T T e ------⎛⎫=== ⎪++⎝⎭（3-13）再将1S 平面通过以下标准变换关系映射到Z 平面T s e z 1=（3-14）从而得到S 平面和Z 平面的单值映射关系为：11112--+-=z z T s（3-15）Z 平面S 1平面S 平面。

基于LabVIEW的数字均衡器的设计王淑玉;邵华【摘要】在LabVIEW图形化编程软件的平台上,以声音的音频特点为基础,结合数字均衡器的设计要求,设计出合理的频段,并调节出6种基本的音效,进而实现了数字均衡器与LabVIEW的结合.%In this paper, Lab VIEW graphical programming software as a platform, the audio characteristics of sound as a basis, design a reasonable band combined with digital equalizer design requirements. And adjust the six basic audio. So as to realize the combination of digital equalizer and LabVIEW.【期刊名称】《机械与电子》【年(卷),期】2012(000)008【总页数】3页(P75-77)【关键词】LabVIEW;均衡器;频段;音频信号【作者】王淑玉;邵华【作者单位】牡丹江师范学院物理系,黑龙江牡丹江157012;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TN713.70 引言近年来数字化技术得到了快速、深入的发展，数字化电子产品已经走入千家万户，人们对数字化电子产品的音频质量要求也越来越高［1］，但在数字信号实时处理、D／A和A／D转换、及声音通过音响设备传送的过程中，声音信号会出现失真，达不到原来的听觉效果［2］。

对于这种情况，可以通过数字均衡器进行补偿，一个好的数字均衡器能在不同频段上校正音频设备所产生的失真［3］，从而刻画出不同场景下的声音特点，使其更具艺术效果。

在此，通过Lab VIEW软件［4］，在虚拟仪器开发平台上设计了数字均衡器。

1 数字均衡器的总体设计原理数字均衡器的基本功能是调节各频段信号的强弱［5］，为了实现该功能，应设计以下基本功能：WAV声音信号获取，即从＊．wav文件读取音频信号；通过10个低通、带通或高通滤波器来实现音频文件10个频段的划分，需要注意每个滤波器的输入都应是原始的音频输入信号，由于人耳能够接收到的声音频率为20～20 000 Hz［6］，因而10个频段的划分是在该范围内完成的；针对每个频段，分别设计对应的增益调节器，增益的确定可以根据要产生的效果来确定；对各个频段的音频信号加权求和，权值的设计与均衡器的调节要求一致；播放滤波后的音频信号并实时显示波形。