语音信号变声处理系统
语音信号变声算法设计与实现
任务名称：语音信号变声算法设计与实现1. 引言语音信号变声是指通过特定的算法和处理技术，使人的声音在音调、音色和语音特征等方面产生变化。
这项技术被广泛应用于语音合成、音乐制作、在线游戏语音聊天等领域。
本文将介绍语音信号变声的算法设计与实现。
2. 变声算法原理语音信号变声的基本原理是对原始音频信号进行时间拉伸、频率映射和频率变换等处理，以改变音调和音色。
以下是几种常见的变声算法原理：2.1 时间拉伸时间拉伸是指将音频信号的声音延长或缩短，从而改变声音的速度和音调。
常见的时间拉伸算法有“相位锁定变频”和“时间弯曲”等。
2.2 频率映射频率映射是将音频信号中的频率进行映射，通过改变频率的比例来改变音调。
常见的频率映射方法有线性映射和非线性映射等。
2.3 频率变换频率变换是将音频信号的频谱进行变换，从而改变音色和声音的特征。
常见的频率变换方法有傅里叶变换、小波变换和脉冲响应滤波等。
3. 变声算法设计与实现3.1 数据预处理在进行变声算法设计与实现之前，需要对原始音频信号进行预处理。
常见的预处理步骤包括降噪、增益调整和声音分割等，以提高算法的鲁棒性和可靠性。
3.2 时间拉伸算法设计与实现时间拉伸算法可以通过改变音频信号的采样率或调整采样点的间隔来实现。
常见的时间拉伸算法包括“相位锁定变频”和“时间弯曲”。
•相位锁定变频算法可以将音频信号的相位进行调整，从而实现时间拉伸。
这种算法可以保持原始音频信号的音色，但可能会引入一定的噪声。
•时间弯曲算法可以通过改变音频信号的采样点间隔，实现时间拉伸或压缩。
这种算法可以准确地改变音频信号的时长和音调，但可能会改变原始音频信号的音色。
3.3 频率映射算法设计与实现频率映射算法可以通过改变音频信号的频率比例来改变音调。
常见的频率映射算法包括线性映射和非线性映射。
•线性映射算法可以通过改变音频信号的采样率来实现频率映射。
这种算法简单易用，但可能会导致音频信号的失真和噪声增加。
语音信号变声处理系统
数字信号处理课程设计报告课设题目：语音信号变声处理系统学院：信息与电气工程学院专业：电子信息工程班级：1102502姓名：王珂学号：110250217指导教师：周志权、赵占锋哈尔滨工业大学（威海）2015年1月5日不要删除行尾的分节符，此行不会被打印1.设计任务电视台经常针对某些事件的知情者进行采访，为了保护知情者，经常改变说话人的声音，请利用所学的知识，将其实现。
（1）自己录制一段正常的声音文件，或者通过菜单选择的方式选择一段正常声音文件；（2）能够播放该文件；（3）对语音信号进行处理，要求处理后的语音信号基本不影响正常收听与理解；（4）对处理参数能够通过 matlab 界面进行调节，以对比不同处理效果；（5）能够对处理后的声音文件与原始声音文件的频谱进行观察、分析。
（6）编制 GUI 用户界面。
2.课程设计原理及设计方案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。
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图 1 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。
语音伪装系统音频处理子系统设计_完整版
2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 第3章 3.1
小结 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 10 系统设计验证与 Matlab 仿真分析 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 滤波器设计 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11
3.1.1 相关函数使用说明 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 11 3.1.2 程序法设计滤波器 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 13 3.1.3 FDATool 模块法设计滤波器· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 14 3.2 语音信号提取与滤波效果分析 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 16
变声算法原理
变声算法原理变声是一种将声音修改成不同音调和声调的过程，其用途十分广泛，例如音乐制作、语音合成和语音转换等领域。
变声算法则是实现这一过程的重要手段，本文将深入探讨变声算法的原理。
首先需要了解的是音高和声音质量这两个概念。
音高是指在一定的时间内，声波重复振动的次数，也称为频率，单位为赫兹。
不同音符的音高是不同的，例如C4的频率为261.63Hz，而G5的频率为783.99Hz。
声音质量则是指音色、音效等因素，包括音色元素的强度、谐波等等。
然后是变声算法的实现步骤。
变声算法的主要目标是改变声音的音高或/和声音质量。
实现这一目标的步骤如下：1.采样和数字化声音信号。
声音信号只能在计算机中进行处理，因此需要将音频转换成数字信号。
数字化后的信号可以被计算机读取并进行处理。
2.分析声音信号的频率和振幅。
计算机将读取每个样本的振幅和频率，以获得一系列数字数据。
3.修改声音信号的频率和振幅。
如果只需要改变音高，则可以通过改变声音信号的频率来实现。
如果需要改变声音质量，则可以通过调整声音信号的振幅和谐波来实现。
需要注意的是，对于相对较小的音高、声音质量的变化，可以直接进行修改；但对于大幅度的变化，则需要一些高级算法，例如FFT （快速傅里叶变换）、WOLA（加权重叠相加算法）等等。
此外，对于一些应用程序，例如语音识别，需要对音频信号进行预处理，以削减冗余的信息和降低噪声水平。
这些预处理算法包括滤波、降噪等等。
最后是变声算法的分类。
目前，变声算法主要分为以下几种：1.基频变换方法：通过在频率轴上对信号进行伸缩，修改声音信号的基频。
基频高的声音听起来比较高亢，低的音符则听起来比较低沉。
2.正弦波变换方法：该方法通过将信号划分成数个频率区间，然后将每个区间的振幅放大或缩小来实现变声。
3.时域加密方法：该方法使用傅里叶变换，将时域上的声音信号转换为频域上的信号。
然后在频域上对声音进行加密。
你家的变声器是什么原理
你家的变声器是什么原理变声器是一种能够改变人声音高、音低或者音色的设备。
它主要通过改变声音的频率、振幅和谐波来实现变声效果。
变声器的原理可以分为以下几个方面进行解析。
首先，变声器利用声波的频率来改变声音的音高。
声波是由空气分子的振动形成的，而频率则决定了声音的音高。
变声器通过调整声波的频率，使得听者听到的声音音高变化。
这一过程通常通过对输入信号进行频率的放大或者降低来实现。
比如，如果想要将声音变得更高，变声器会将输入信号的频率放大，而如果想要将声音变得更低，则会将频率降低。
其次，变声器还可以通过改变声音的振幅来影响声音的强度和音量。
声音的振幅决定了声音的响度和音量大小。
当振幅增大时，声音会变得更响亮；当振幅减小时，声音会变得更弱。
变声器可以通过调整输入信号的振幅来改变声音的音量。
一般来说，变声器会通过对输入信号进行放大或者减小来控制声音的音量大小，从而产生不同的效果。
此外，变声器还可以改变声音的谐波结构，从而改变声音的音色。
谐波是指不同频率的声波的混合，决定了声音的音色。
不同的乐器之间就是通过谐波结构的不同来区分出不同的音色。
变声器可以通过对输入信号的谐波结构进行调整，使得声音的音色发生变化。
通常情况下，变声器会通过对信号进行滤波、失真或者混响等处理来改变谐波结构，从而实现不同的音色效果。
此外，变声器还可能会借助一些特殊效果来实现声音的变化。
比如，一些高级变声器可能会使用声音合成技术，通过合成不同的声音元素来生成新的声音。
还有一些变声器可能会使用声音合成器，将不同的音色合成为一个声音。
这些特殊效果能够为变声器带来更多的可能性，使得声音变化得更加多样。
总的来说，变声器主要通过调整声音的频率、振幅和谐波结构来改变声音的音高、音量和音色。
它可以通过对信号进行放大、滤波、失真等处理来实现不同的变声效果。
变声器的原理是基于声波的物理特性和声音的感知原理，通过对声音信号的处理来达到所需的变声效果。
变声器在娱乐、音乐和通信等领域有着广泛的应用。
语音转换与编辑技术
▪ 参数合成法
1.通过对语音信号进行分析，提取出语音参数。 2.利用这些参数，再通过声音合成技术生成新的语音信号。 3.参数合成法的自然度和连贯性较好，但是需要较高的分析技 术和计算资源。
语音合成与转换方法
深度学习法
1.利用深度神经网络模型对语音信号进行建模，以实现语音合 成和转换。 2.需要大量的语音数据进行训练，以提高模型的准确性和鲁棒 性。 3.深度学习法的转换效果较好，但是需要较高的计算资源和训 练时间。
▪ 语音转换技术的未来发展趋势
1.随着人工智能技术的不断发展，语音转换技术的性能和功能 将不断提高和完善。 2.语音转换技术将与其他人工智能技术相结合，形成更加智能 化和高效化的系统解决方案。 3.语音转换技术的应用领域将不断扩大，为人们的生活和工作 带来更多便利和创新。
语音转换与编辑技字化
1.采样定理：为了保证声音信号的完整还原，采样频率需要达 到一定的标准，如CD质量的音频采样频率为44.1kHz。 2.量化误差：在将连续的语音信号转换为离散的数字信号时， 会引入一定的量化误差，需要通过使用更高的比特深度来减少 误差。 3.编码格式：不同的编码格式对音频的压缩效率和音质有影响 ，如MP3、AAC、WAV等。
语音编辑的应用实例
▪ 语音助手
1.语音助手已成为智能手机、智能家居等设备的标配功能，通过语音编辑技术实现精准的语音 识别和语音合成，提升用户体验。 2.随着人工智能技术的发展，语音助手的功能也在不断扩大，可以完成的任务包括但不限于： 播放音乐、发送短信、查询天气、控制智能家居设备等。 3.语音助手的应用前景广阔，未来将与更多设备、服务整合，成为智能化生活的重要组成部分 。
▪ 语音转文字
1.语音转文字技术可将语音信息转换为文字，便于记录和整理，提高工作效率。 2.语音转文字技术已广泛应用于新闻报道、会议记录、语音识别等领域，取得了显著的效果。 3.随着技术的不断发展，语音转文字的准确性、实时性都在不断提升，未来将在更多领域得到 应用。
accusonus voice changer
声音变声器指的是一种软件工具，它可以改变声音的频率和调音。
这种工具可以用于音频处理、音乐制作、话音变声，并且还能够为游戏或电影制作带来特殊效果。
声音变声器在现代科技发展的推动下越来越受到人们的关注。
它不仅可以提供创新的音效，还能够拓展音频处理的可能性。
在音乐创作领域，声音变声器为制作人提供了更多的选择余地。
在话音变声方面，它可以为用户提供更多的乐趣。
在电影和游戏制作中，声音变声器可以增加更多的趣味和特效。
声音变声器在不同领域的应用潜力巨大，具有广泛的市场前景。
使用声音变声器可以通过改变音调、音色、响度等参数来调整声音的属性。
通过这种方式，用户可以轻松地模仿他人的声音，实现从低音到高音的瞬间转换，或者模拟出一些特殊效果，如机器人声、外星人声等。
声音变声器的功能多样性使得它在不同领域的应用需求也不尽相同。
在音乐制作领域，声音变声器可以帮助音乐制作人调整歌手的音色，使得音乐作品更加丰富多样，同时也可以为音乐录制过程带来更多的乐趣。
在话音变声方面，声音变声器可以带来更多的娱乐乐趣，用户可以通过它来变换声音，制作有趣的短视频或短音频。
在电影和游戏制作领域，声音变声器可以为影视作品和游戏增加更多的特效，提升作品的视听效果，并且能够为角色赋予更加生动丰富的个性。
声音变声器的原理是通过数字信号处理技术，对声音信号进行特定的运算，从而改变声音的频率、振幅和相位等特性。
声音变声器在实现这一功能时，需要具备高效的算法和硬件设备支持，才能满足用户对于声音变换的实时性和高质量的要求。
在声音变声器领域，accusonus voice changer是一款备受关注的产品。
该产品提供了丰富的音效库，包括了多种男女、儿童、老人的声音变换效果，用户可以根据自己的需求选择合适的音效进行应用。
accusonus voice changer还提供了用户友好的操作界面，用户可以通过简单的操作实现声音的变换，并且能够实时预览效果，为用户带来更高效的使用体验。
语音伪装系统音频处理子系统设计_讲稿
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44100 Hz
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有 符 号 加 法 器
44100 Hz
以44100Hz 时 时 n ， 以 时 将
，以
速度
系统设计仿真分析
暂以16阶滤波器做 仿真运算由图中分 析可知： 输入和输出均为正 弦波，且输出正弦 波与信号卷积结果 一致； 说明系统能够实现 卷积运算。
滤波器设计
如图，采用MATLAB 的FDATool设计FIR低 通滤波器： 窗函数：Kaiser 采样频率：44100Hz 截止频率：8000Hz 滤波器介数：64
语音信号仿真分析
右图为SIMULINK仿真 模块，其中： 语音信号可以从麦克风 输入或WAV文件读取； 语音接收可以直接听取 或保存为WAV文件。 中间为FDATool生成的 DSP模块
FPGA硬件代码开发 （设计方案一）
方案分析
优点： 常规直接Ⅰ型滤波器设计方法； 设计思路简单，方便易理解； 基本模块较少，易设计； 并行时序，速度可以达到很高； 缺点： 系统占用资源量较多 设计生硬，不灵活，不利于系统升级
设计方案二
基于FPGA以速度 换面积思想，可将 上述并行时序转化 行 模块
方案分析
推断一：幅度的压缩或提升的分量过低？ 经验证此种方法效果仍不明显。 推断二：均衡参数选择不当？ 频谱曲线拟合法设计均衡器。 推断三：频谱搬移效果如何？ 推断四：声音快速播放效果又如何？
频谱曲线拟合
右图所示为将男女声 音频谱相除效果。 将所得的幅频参数与 所要求的滤波器相乘 后做傅里叶逆变换即 可获得均衡系数 研究表明，这种处理 方式能够实现语音伪 装，但不能有男声变 女声的效果
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数字信号处理课程设计报告
课设题目：语音信号变声处理系统学院：信息与电气工程学院专业：电子信息工程
班级：1102502
*名：**
学号：*********
指导教师：周志权、赵占锋
哈尔滨工业大学（威海）
2015年1月5日
1.设计任务
电视台经常针对某些事件的知情者进行采访，为了保护知情者，经常改
变说话人的声音，请利用所学的知识，将其实现。
（1）自己录制一段正常的声音文件，或者通过菜单选择的方式选择一段正常声音文件；（2）能够播放该文件；
（3）对语音信号进行处理，要求处理后的语音信号基本不影响正常收听与理解；
（4）对处理参数能够通过matlab 界面进行调节，以对比不同处理效果；（5）能够对处理后的声音文件与原始声音文件的频谱进行观察、分析。
（6）编制GUI 用户界面。
2.课程设计原理及设计方案
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。
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
图1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。
3.课程设计的步骤和结果
设计方案：1录入一段声音2用MATLAB做fft得到其频谱3做fft 频谱分析4搬移和改变基频、语速，实现变声
以下为各任务实现过程：
图2为用Matlab实现的GUI用户界面，通过“speech signal ”按钮选择语音信号类型，本课程设计共录制了三段语音信号，分别为两种不同频率的“语音信号处理”及“one two three”。
“draw”按钮用于绘制未变声的语音信号的频谱，“play sound”按钮用于播放录音，“slow play”“fast play”“low voice”“high voice”“echo”是语音处理过程。
图 2 GUI界面
图3—图8 为“语音信号处理”录音的频谱。
图 3 变声前语音信号的频谱图 4 慢声调语音信号频谱
图 5 快语调语音信号频谱
图4 为分别以6000Hz 和4096Hz进行采样得到的语音信号的频谱，图 5 以16384Hz进行采样得到的语音信号的频谱，通过两幅图对比可知改变采样频谱可以实现声音的改变。
图 6 降调语音信号的频谱
图7 升调语音信号的频谱
图6 图7 对原语音信号分别进行降调升调处理，由频谱图可知降调升调改变了声音。
图8 带有回声的语音信号频谱
图8 为带有回声的语音信号的频谱。
通过频谱图可以观察到低频处有较多干扰，即产生了回音。
图9—图14是语音信号频率参数改变后的频谱。
图9 变声前语音信号的频谱图10 慢声调语音信号频谱
图11 快声调语音信号频谱图12 降调后语音信号的频谱
图13 升调后的语音信号频谱
图14 有回声效果的语音信号的频谱
通过对比两种不同频率的语音信号，可知改变基频可以变声。
图15—
图20为“one two three”录音的频谱。
图15 原语音信号
图16 慢声调语音信号频谱
图17 快声调语音信号频谱图18 降调后语音信号频谱
图19 升调语音信号频谱
图20有回声效果语音信号频谱
4.课程设计总结
1、改变频谱可以实现变声；
2、改变基频可以变声；
3、共振峰与基频是变声的重点；
5.设计体会
1、巩固和加深了对数字信号处理的基本概念、基本原理、基本分析方法的理解；
2、提高了综合利用数字信号处理技术的能力，解决实际工程技术问题的能力；
3、通过课程设计，提高了查阅文献、资料，独立解决实际问题的能力。
通过课程设计，
综合运用数字信号处理的理论知识进行频谱分析和滤波器设计，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，从而加深对所学知识的理解
6.参考文献
[1]李明.一种基于数字信号处理的语音变声方法中国科学院声学研究所2005
[2]高西全,丁玉美. 数字信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社. 2008:75-86.
课程设计成绩评定表设计上机验收成绩表
课程设计总评分成绩表。