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1、2 苏州科技大学苏州科技大学 信号处理课程设计报告信号处理课程设计报告 题题 目：目： 音乐回声效果处理音乐回声效果处理 专业专业班级班级： 电子电子 1412 学学 号号： 14200106214 姓姓 名名： 孙玮孙玮 组组 员员： 盛建东盛建东 陈司宇陈司宇 夏诗楠夏诗楠 指导教师：指导教师： 季剑岚季剑岚 2017 年年 4 月月 2 目 录 摘 要 . 0 1 设计内容 . 1 2 设计原理 . 1 3 设计过程 . 2 3.1 声音信号的采集 2 3.2 单回声滤波器的设计 1 3.3 多回声滤波器的设计 2 3.4 回声信号的文件输出 3 3.5 原始信号的分析 3 3.6 单回
2、声信号的分析 4 3.7 多回声信号的分析 5 4 设计结论 . 7 参考文献 . 7 0 摘摘 要要 随着视听技术的快速发展，人们对音乐的要求越来越高，而其中音乐的现场 感就显得尤为重要。这种现场感可以通过回声产生。因此，本文提出了一种关于 音乐回声效果处理的设计，详细分析了回声信号的产生原理，并使用 MATLAB 对实际声音进行采集、处理、衰减和延时等来实现单回声和多回声滤波器，完成 了单回声和多回声信号的产生。 关键词关键词 信号处理；回声；MATLAB 1 1 设计内容设计内容 本设计的主要任务是学会综合应用数字信号处理中信号的采集、 衰减和延时 等知识，通过 MATLAB 编程实现回
3、声信号的产生，并分别进行时域和频域上的 分析。 本设计的主要要求为：首先，通过 MATLAB 编程实现对一段声音信号的采 集，并给出其时域波形和频谱图；然后，通过 FIR 滤波器实现单回声滤波器，产 生单回声信号， 并给出单回声滤波器的脉冲响应和幅频特性以及单回声信号的时 域波形和频谱图；最后，通过 IIR 滤波器实现多回声滤波器，产生多回声信号， 并给出多回声滤波器的脉冲响应和幅频特性以及多回声信号的时域波形和频谱 图。 2 设计原理设计原理 声音信号在传播过程中，遇到大面积物体时，一部分声能会被吸收，另一部 分则会被反射回来，且可以被人耳听到。这种由声波的反射引起的声音的重复叫 回声。在一
4、个相对封闭的环境下，人们所听到的声音包括原始的声音、单回声和 多回声等。单回声是由原始声音单次反射形成的，而多回声信号则是由多次的单 回声叠加而成。 由回声的定义可知，回声信号可以通过将原始语音信号延时和衰减来完成。 假设 x(n)表示原始声音信号，其采样频率为fs Hz，延时的时间为 t s，y(n)表示单 回声信号，图 1 为其结构示意图。如图所示，y(n)是由 x(n)和其延迟了 t s 并衰减 倍的信号x (n-tfs)叠加而成，且要求小于，tfs必须为正整数。y(n)用方程表 示为： y(n)=x(n)+x (n-tfs) 上式中，上述差分方程的系统函数为： H(z)=1+z-tfs
5、 由系统函数可以看出，其为 FIR 滤波器。此外可以得出其单位冲激响应 h(n) 在 2 个 n 值处不为零，其他 n 值处均为零。 由单回声信号同理可知多回声信号 y(n)的方程为： y(n)=x(n)+x (n-tfs)+x (n-2tfs)+N n-Ntfs 其系统函数为： 2 H(z)=1+z-tfs+2z-2tfs+Nz-Ntfs 上式通过等比数列求和可得： H(z)= 1-N+1z-(N+1)tfs 1-z-tfs 当回声次数N +时，+1 0，此时式(5)可以化简为： H(z)= 1 1-z-tfs 根据上式可以看出，多重滤波器为 IIR 滤波器，其结构示意图如图 2 所示。 z
6、-R x(n)y(n) 图 1 单回声滤波器结构示意图 Z-R x(n)y(n) 图 2 多回声滤波器结构示意图 3 设计过程设计过程 3.1 声音信号的采集 在 MATLAB R2014a 中，audioread 函数可以从文件中读取数据，并返回抽 样频率和抽样数据，其格式为y,Fs = audioread(filename)。 先用 audioread 从文件中采集数据，完成读取后通过 plot 函数将原始信号时 域波形输出，然后通过快速卷积法计算其频谱，并输出其频谱图。具体实现代 码如下： x,fs=audioread( filename.wav); L=length(x); figur
7、e(1); plot(x); 3 title(原始信号时域图); xlabel(时间);ylabel(幅值);grid; f=-1:2/L:1-2/L; y=fft(x); figure(2); plot(f,fftshift(abs(y); title(原始语音信号频谱图); xlabel(频率/);ylabel(幅度);grid; 3.2 单回声滤波器的设计 在 MATLAB R2014a 中，filter 函数可以通过输入的分子和分母的系数向量 产生数字滤波器，并对输入的信号进行滤波，然后返回处理后的信号，其格式 为 y = filter(b,a,X)。式中 b 为分子系数向量，a 为分
8、母系数向量，X 为输入信 号。由式(2)知在产生 FIR 滤波器时，a=1。impz 函数可以产生数字滤波器的 N 点的脉冲响应，其格式为h,t = impz(hfilt,n)。 完成信号采集后，先设置延时时间，接着通过 filter 函数产生单回声滤波 器，并将产生的单回声信号输出，然后通过 impz 函数产生单回声滤波器的脉冲 响应，最后将单回声滤波器的脉冲响应和幅频特性以及单回声信号的时域波形 图和频谱图输出。具体实现代码如下： t=0.3; k1=filter(1,zeros(1,fs*t),0.5,1,x); d1=impz(1,zeros(1,fs*t),0.5,1,fs*t*2)
9、; figure(3); stem(d1,.); title(单回声滤波器脉冲响应);xlabel(周期);grid; figure(4); H1,W1=freqz(1,zeros(1,fs*t),0.5,1); plot(W1/pi,20*log10(abs(H1); title(单回声滤波器幅频特性); xlabel(数字频率/);ylabel(幅度/dB);grid; 4 figure(5); plot(k1); title(单回声信号时域图); xlabel(时间);ylabel(幅值);grid; y1=fft(k1); figure(6); plot(f,fftshift(abs(
10、y1); title(单回声语音信号频谱图); xlabel(频率);ylabel(幅度);grid; 3.3 多回声滤波器的设计 对于多回声滤波器的产生，我们仍采用 filter 函数。由式(6)知在产生 IIR 滤 波器时，b=1。 完成信号采集后，先设置延时时间，接着通过 filter 函数产生多回声滤波 器，并将产生的多回声信号输出，然后通过 impz 函数产生单回声滤波器的脉冲 响应，最后将单回声滤波器的脉冲响应和幅频特性以及单回声信号的时域波形 图和频谱图输出。具体实现代码如下： k2=filter(1,1,zeros(1,fs*t),-0.5,x); d2=impz(1,1,ze
11、ros(1,fs*t),-0.5,fs*t*30); figure(7); stem(d2,.); title(多回声滤波器脉冲响应);xlabel(周期);grid; figure(8); H2,W2=freqz(1,1,zeros(1,fs*t),-0.5); plot(W2/pi,20*log10(abs(H2); title(多回声滤波器幅频特性); xlabel(数字频率/);ylabel(幅度/dB);grid; figure(9); plot(k2); title(多回声信号时域图); 5 xlabel(时间);ylabel(幅值);grid; y2=fft(k2); figur
12、e(10); plot(f,fftshift(abs(y2); title(多回声语音信号频谱图); xlabel(频率);ylabel(幅度);grid; 3.4 回声信号的文件输出 在 MATLAB R2014a 中，audiowrite 函数可以将数据通过所输入的采样频率 写入成文件，其格式为 audiowrite(filename,y,Fs)。 在完成单回声信号和多回声信号的产生后，我们使用 audiowrite 函数将生 成的信号输出成文件。具体实现代码如下： audiowrite(单回声.wav,k1,fs); audiowrite(多回声.wav,k2,fs); 3.5 原始信号
13、的分析 首先录制一段 wav 格式的录音，该录音采样频率 fs为 44100Hz。接下来， 通过代码读取文件并输出原始信号时域波形图和频谱图。图 3 所示为原始信号 时域波形图，图 4 为原始信号频谱图。由时域波形图可以看出原始信号是一个 时间较短且高幅值区域较少的信号，采用这种信号是因为在设计过程中，我们 发现太长且全程幅值较高会导致后面与回声信号对比结果不明显。由频谱图可 以看出，原始信号的主要能量集中在低频区域。 图 3 原始信号时域波形图 6 图 4 原始信号频谱图 3.6 单回声信号的分析 在这个设计中，我们将延时时间 t 的值设为 0.4，衰减系数设为 0.5，则由 式(2)及 f
14、s为 44100Hz 可得单回声滤波器系统函数为 H(z)=1+0.517640 根据式(7)可以得到单回声滤波器的脉冲响应和幅频特性。单回声滤波器的 脉冲响应如图 5 所示，幅频特性如图 6 所示。如图 6 所示，单回声滤波器的幅频 特性不是常数，对不同频率的声音的谐波响应不均匀，会产生一定的失真。将原 始信号通过单回声滤波器可以得到单回声信号， 如图 7 所示为单回声信号时域波 形图，图 8 所示为单回声信号频谱图。通过图 7 和图 3 对比可以看出，在原始信 号的基础， 单回声信号多了一部分比原始信号滞后 0.4s， 而幅度只有原始信号 50% 的信号，这个信号就是单次的回声信号。此外，
15、对比图 8 和图 4，我们也可以看 出频谱上两个信号分布上并没有差别， 只是幅值上单回声信号的频谱幅值较原始 信号有所提升。 图 5 单回声滤波器的脉冲响应 7 图 6 单回声滤波器幅频特性 图 7 单回声信号时域波形图 图 8 单回声信号频谱图 3.7 多回声信号的分析 在这个设计中，我们将延时时间 t 的值设为 0.4，衰减系数设为 0.5，则由 式(6)及 fs为 44100Hz 可得单回声滤波器系统函数为 H(z)= 1 1-0.5z-17640 根据式(8)可以得到多回声滤波器的脉冲响应和幅频特性。多回声滤波器的 脉冲响应如图 9 所示，幅频特性如图 10 所示。如图 10 所示，单回声滤波器的幅 频特性不是常数，对不同频率的声音的谐波响应不均匀，会产生一定的失真。将 8
