魔音变声器的课程设计报告书

.*实践教学*XX理工大学计算机与通信学院20XX春季学期计算机通信课程设计题 目：魔音变声器的课程设计 专业_通信工程四班 _ 唐宋奇子 学 号：09250417 指导 蔺莹 成 绩：摘要本文对话音变换的多种方法和多种音频特效的实现方法进行了讨论变声器是通过改变输入音频的音色、音调,并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变声原理。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,这就是音色的不同的变声器,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。关键字：输入音频 、变声原理、 硬件变声器 、软件变声器窗体顶端窗体底端目录第一章设计任务4第二章方案论证与比较42.1方案一42.2方案二42.3最终方案4第三章系统设计与理论分析43.1 引言43.2 变声原理及功能53.3 频率/电压变换器63.4 音频功率放大器9封装形式9特性9应用特点9详细介绍9一LM386内部电路9二LM386的引脚图10三LM386应用电路103.5 专用变音集成电路。113.6 极性电容123.7滑动变阻器123.8 音频效果分类133.8.1 音频效果解释13各种音效的实现133.8.3 音量调节133.9 各种音效的实现133.9.1 音量调节133.9.2 回声133.9.3 回响143.9.4 左右移动143.9.5 相位变化143.9.6 淡入淡出144.10测试结果分析14第四章附目15附目录一：15附目录二：16第一章 设计任务设计并制作一个对话音变换的多种方法和多种音频特效变声系统。 综合话音变换和一部分音频特效技术,设计了一种广泛适合于电影配音、话音安全以及娱乐等多领域的实时变声。第二章 方案论证与比较2.1方案一不修改采样数据,仅改变 Fs 。这种方法比较简单,但是考虑到最后要在芯片上,这种方法就不那么理想了。 2.2方案二直接乘以一个余弦函数, 进行频谱整体的搬移。 理论上, 这样应该是完全可行的。但我们也不采用这种方法,采用这种方法,意味着最后我们要在 DSP 的EEPROM上保一张完整的余弦表,而且它的长度还得是符合要求的长度,且频率要大于变声器的上限变化幅度,实现起来非常麻烦；另外一个原因是,我们使用 Matlab 进行了测试,发现用此种方法变换出来的声音会变得像机器人的声音,不自然。 2.3最终方案插值以后重新抽样。 基本过程是这样的： 已知当前帧帧长 FL 采样点, 采样频率 Fs , 目标变换帧频率 Fs , 则目标变换帧帧长 FL=FL*Fs/Fs 。记 Rate = Fs/Fs ,那么 FL=FL * Rate , 其中 Rate 为基频变化率。变换开始时,先求得 FL 和 FL 的最小公倍数 AL , 再将原音频帧插值为 AL 点, 最后将插值后的语音段重新抽样, 得到长 FL 点的变声后的数据。第三章 系统设计3.1 引言变声器是通过改变输入音频的音色、音调,并将变声后的音频输出的工具。语音转换是指改变一个说话人的语音个性特征,使之具有另外一个说话人的语音个性特征。 语音转换拥有很广泛的应用空间,例如：1 在文语转换系统中应用。2 可以在电影配音中应用。3 语音转换的思想可以用于恢复受损语音,帮助声道受损的说话人的语音提高可懂度。 4 可用于在保密通信中进行语音个性化的伪装。 5 作为语音识别的前端预处理,减少说话人差异的影响。语音的个性特征可以分为以下三类： 音段特征：描述的是语音的音色特征。特征参数主要包括基音频率、共振峰位置、共振峰带宽、基音频率、能量等。 超音段特征：描述的是语音的韵律特征。特征参数主要包括因素的时长、基音频率的变化音调、能量等。 语言特征：包括习惯用语、方言、口音等。基音是指发浊音时声带振动所引起的周期性, 而基音周期是指声带振动频率的倒数。基音周期是语音信号最重要的参数之一, 它描述了语音激励源的一个重要特征。不同的人以及同一个人在不同的年龄时期有不同的基音周期。人唱歌时,其基音频率范围大约是：童声高音频率范围为 260-880Hz ,低音频率范围为 196-700Hz ,女声高音频率范围为 220-1.1KHz, 低音频率范围为 200-700Hz ,男声高音频率范围为 160-523Hz 低音频率范围为 80-358Hz 。此外,基音的变化模式称为声调,它携带着非常重要的具有辨意作用的信息。本文先就如何实时地通过基音频率的变化来实现语声变声,进行讨论,一个并在 Matlab平台上仿真并验证了算法。 然后对处理后的语音添加场景效果等, 在 DSP 上实现了一个集变声与特效处理一体的实时话音变换设备。3.2 变声原理及功能无论是硬件变声器,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。其功能要点如下： 1.无限制式多格式录音：可以对来自麦克风、系统等众多设备的声音进行实时的录制,支持多设备选择性录音,录音不需要临时文件,并可一次性保存为WAV/WMA/MP3等众多流行格式。在录音过程中还允许对声音进行男女变声处理！ 2.音乐重混音录制功能：允许您选择一首歌曲音频或视频,然后对其进行各种特效处理,比如保持原唱的同时进行节奏快慢处理,或者进行男女声变换处理。在混录过程中也允许您随时调节各特效参数,就像一个专业混音师那样！通过这些混录功能,您可以制作出和原音乐风格不同的轻快歌曲或类似迪斯科类型的快速歌曲,也可以是更轻柔的背景歌曲！然后您新创作的歌曲将可以保存为新的音频文件。 3.文件混音功能：支持对一首歌曲音频或视频进行裁剪并对结尾部分施加淡出效果,或增大原音乐音量,同时还允许将其和其他音乐进行混音处理,并允许保存为WAV/WMA/MP3等众多流行格式。3.3 频率/电压变换器音频功率放大器 LM386是一种音频集成功放,具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器,广泛应用于录音机和收音机之中。一、概述本课题要求熟悉集成频率电压变换器LM331的主要性能和一种应用；熟练掌握运算放大器基本电路的原理,并掌握它们的设计、测量和调整方法。二、技术要求当正弦波信号的频率fi在200Hz2kHz范围内变化时,对应输出的直流电压Vi在15V范围内线形变化;正弦波信号源采用函数波形发生器的输出;采用12V电源供电.此时,脚是输出端,脚为输入端,脚接比较电平.工作过程如下当输入负脉冲到达时,由于脚电平低于脚电平,所以S=1,=0低电平。此时放电管T截止,于是Ct由VCC经Rt充电,其上电压VCt按指数规律增大。与此同时,电流开关S使恒流源I与脚接通,使CL充电,VCL按线性增大因为是恒流源对CL充电。经过1.1RtCt的时间,VCt增大到2/3VCC时,则R有效R=1,S=0, =0,Ct、CL再次充电。然后,又经过1.1RtCt的时间返回到Ct、CL放电。以后就重复上面的过程,于是在RL上就得到一个直流电压Vo这与电源的整流滤波原理类似,并且Vo与输入脉冲的重复频率fi成正比。函数波形发生器输出的正弦波比较器变换成方波。方波经F/V变换器变换成直流电压。直流正电压经反相器变成负电压,再与参考电压VR通过反相加法器得到符合技术要求的Vo。由此得Vo与fi在几个特殊函数波形发生器输出的正弦波比较器变换成方波。方波经F/V变换器变换成直流电压。直流正电压经反相器变成负电压,再与参考电压VR通过反相加法器得到符合技术要求的Vo3.4音频功率放大器LM386是一种音频集成功放,具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器,广泛应用于录音机和收音机之中。3.4.1封装形式LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。 3.4.2特性静态功耗低,约为4mA,可用于电池供电； 工作电压范围宽,4-12V or 5-18V； 外围元件少； 电压增益可调,20-200； 低失真度； 3.4.3应用特点LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少,电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至 200。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。 3.4.4详细介绍一LM386内部电路LM386内部电路原理图如图所示。与通用型集成运放相类似,它是一个三级放大电路。 第一级为差分放大电路,T1和T3、T2和T4分别构成复合管,作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入,从T2管的集电极输出,为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载,可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。第二级为共射放大电路,T7为放大管,恒流源作有源负载,以增大放大倍数。 第三级中的T8和T9管复合成PNP型管,与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压,可以消除交越失真。 引脚2为反相输入端,引脚3为同相输入端。电路由单电源供电,故为OTL电路。输出端引脚5应外接输出电容后再接负载。 电阻R7从输出端连接到T2的发射极,形成反馈通路,并与R5和R6构成反馈网络,从而引入了深度电压串联负反馈,使整个电路具有稳定的电压增益。 二LM386的引脚图引脚图LM386的外形和引脚的排列如右图所示。引脚2为反相输入端,3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容,通常取10F。 查LM386的datasheet,电源电压4-12V或5-18V；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200dB；在1、8脚开路时,带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。三LM386应用电路图1的应用电路为增益20的情形,于pin 1及pin 8间加一个10mF的电容即可使增益变成200, 如图2所示。 LM386典型应用电路图中10kW的可变电阻是用来调整扬声器音量大小,若直接将Vin输入即为最音量最大的状态。 3.5 专用变音集成电路一、特点宽电压范围3.0-5.0V无需外部存储器低功耗使用可变电阻或者开关来调整声音效果可选择高音低音放大音机器人声音可以应用于玩具变声,系统或其他声音领域有静音功能二、概述RTS0072B是一种单片CMOS大规模集成电路设计的语音转换,它可以将声音移调或转变成另外一个声音,通过将输入的正常速率的声音信号进行非正常速度的编码转换,这是通过输入音频信号抽样后转换成数字信号,并重组数信号以产生不同的声音。三、管脚图和内部功能图Ra:麦克风调节控制, VR2: 音量控制 Rb: 最小音量設定 上图为增加了LM386放大的应用电路,下图为三极管放大的应用电路3.6 极性电容有极电容主要为电解电容,和独石胆电解电容,它采用硫酸做绝缘介质,可以将较大的容量做成较小的体积,并在上面标有+的符号,有的标有 -的符号,一般做低频交联和旁路滤波用,缺点是介子损耗大一些,独石电解电容,由于采用特殊的材料,性能优于普通电解,频率特性较好,但容量不能做的太大,可用于精确地电路中,如振荡、或定时,其他的就是无极性电容了,有纸质油浸电容、金属化电容,可做成很大容量,一般用于电力电容器,还有就是电子电路用的聚酯电容、云母电容、磁管电容、瓷片电容、贴片电容等,都属于无极电容。其中瓷片电容、云母电容、磁管电容等可用于高频电路。直插式极性电容的正负极一般的情况下都是长脚是正极,短脚是负极极性电容正负极接反有什么后果：电容接反通电会很快发热几秒后会爆裂3.7滑动变阻器滑动变阻器是电路中的一个重要元件,它可以通过移动滑片的位置来改变自身的电阻,从而起到控制电路的作用。在电路分析中,滑动变阻器既可以作为一个定值电阻,也可以作为一个变值电阻。滑动变阻器的构成一般包括接线柱 、 滑片、电阻丝、金属杆和瓷筒等五部分。滑动变阻器是电学中常用器件之一,它的工作原理是通过改变接入电路部分电阻线的长度来改变电阻的,从而逐渐改变电路中的电流大小。滑动变阻器的电阻丝一般是是熔点高,电阻大的镍铬合金,电阻杆一般是电阻小的金属,所以电阻丝越长,电阻越大,电阻杆越短,电阻越小。 作用：1保护电路。即连接好电路,电键闭合前,应调节滑动变阻器的滑片P,使滑动变阻器接入电路部分的电阻最大。 2通过改变接入电路部分的电阻来改变电路中的电流,从而改变与之串联的导体用电器两端的电压。在连接滑动变阻器时,要求：一上一下,各用一个接线柱；实际连接应根据要求选择下面的接线柱。 滑动变阻器在电路中可以作限流器用,也可以作分压器用。在确保安全的条件下,如何选用这两种不同的形式,是由电路中的需要来决定的。 3.8 音频效果分类音频效果可以分为回声,回响、混音、泛音、均衡、相位改变,左右移动淡入淡出等。3.8.1 音频效果解释可改变文件的音量大小,存放为另一音量不同的文件。1调节音量2 回声 模拟产生出不同的听音环境峡谷,大厅,小厅,太空。 3 回响 多重的回声,模拟产生出不同的听音环境峡谷,大厅,小厅,太空。 4 左右移动 使声音动态地从一边移到另一边。5 相位变化 左右声道的声音不同步,有延时。 6 淡入淡出 声音由小变大,或由大变小。 3.8.2各种音效的实现3.8.3 音量调节直接将PCM采样数据点乘以调节系数就可以改变音量。 3.9各种音效的实现3.9.1 音量调节直接将PCM采样数据点乘以调节系数就可以改变音量。 3.9.2 回声不同的听音环境中有不同的吸声与反射系数的材料,所以反射回来的音量大小与延时是不同的。通过调整回声处理单元中的延迟音量与延迟时间两个参数,就可以模拟产生出不同的听音环境。3.9.3 回响在房间中,由于房间四壁对声音的反射,造成多个声音的混合而形成的特殊声音效果称为回响。回响的效果需要的参数与回声的相同。回响与回声不同的地方是,有放亏,所以听起来有多个回声,而回声是无反馈的。回声是回响的特殊表现。 3.9.4 左右移动感觉声音从一边移到另一边,即声音从左到右,或从右到左只针对立体声。实现的时候可以对左声道音量线性增加的同时对右声道的音量线性降低从右到左；或者是左声道的音量线性降低的同时对右声道的音量线性增加从左到右。 3.9.5 相位变化实现方法：将左或者右声道前一段添 0,文件在播放的时候左右声道会不同步右左声道的数据会超前。 3.9.6 淡入淡出声音由小变大,由大变小,模拟音源由远到近,由近到远的变化。实现时只需要线性改变音量即可。 3.10测试结果分析本文分析、比较了多种话音变换的方法,变声软件测试结果是,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。变声软件,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。 第四章 附目附目录一：电路板图附目录二：原理图设计参考文献 1 赵德浩. 基于DSP的数字音频信号处理D,XX理工大学,2005 2 陈峰, Blackfin系列DSP原理与系统设计M,电子工业出版社,2004 3 赵力. 语音信号处理M,机械工业出版社,2005 4 韩纪庆,张磊,郑轶然. 语音信号处理M,清华大学出版社.