基于MATLAB與FPGA的數(shù)字均衡器設(shè)計(jì)

楊水森，陳 強(qiáng)，朱吉祥，陳文琳

（1.重慶三峽學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，重慶萬(wàn)州404100;

2.重慶三峽學(xué)院信號(hào)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶萬(wàn)州 404100）

隨著社會(huì)多極化的發(fā)展，語(yǔ)音偽裝技術(shù)也是一項(xiàng)引人矚目的話題。目前，也廣泛應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，例如:通信、聲控、醫(yī)學(xué)……等［1］。實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言偽裝功能的核心就是運(yùn)用語(yǔ)音信號(hào)的頻率特性，利用MATLAB軟件對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行仿真，提取出一組能夠設(shè)計(jì)數(shù)字均衡器的均衡系數(shù)。本文所涉及的均衡器的原理也正是如此，其原理是將外部提取的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后送入FPGA，再用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，提取出均衡系數(shù)送給FPGA中的均衡器并完成相應(yīng)的語(yǔ)音偽裝算法，再又經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。

本文所設(shè)計(jì)的均衡器可以采用兩種，一種是根據(jù)均衡器描述原理設(shè)計(jì)，將多個(gè)濾波器分別乘以對(duì)應(yīng)的均衡系數(shù)后疊加，以實(shí)現(xiàn)均衡器效果。但由于實(shí)際濾波器總存在一定的帶寬和衰減特性，在兩個(gè)或者多個(gè)濾波器交界處會(huì)出現(xiàn)很大的幅度跳變，如此設(shè)計(jì)的均衡器，遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了預(yù)期要求。其原理圖如圖1所示。

圖1 段均衡器的算法模型

其中H1（n）是一個(gè)低通濾波器，H2（n）、H3（n）、H4（n）是3個(gè)帶通濾波器，H5（n）是一個(gè)高通濾波器。我們調(diào)整它們各自的增益系數(shù)G1～G5，就能調(diào)整相應(yīng)頻段的聲音，從而得到我們需要的效果。

而另一種是基于幅頻域直接改變均衡器系數(shù)，即將所設(shè)計(jì)的濾波器，在幅頻域內(nèi)乘以所要獲得的均衡器系數(shù)，達(dá)到頻域內(nèi)的幅度特性滿足要求后，再將所獲得的濾波器參數(shù)，進(jìn)行傅里葉逆變換，可獲得所要求的濾波器系數(shù)，從而達(dá)到均衡設(shè)計(jì)的要求。通過(guò)多方面的考慮最后選擇了第二種方法［2-3］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖

圖中用FPGA作為硬件電路，主要負(fù)責(zé)對(duì)采樣回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行FFT變換，以A/D和D/A為外圍電路，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后由高速D/A模塊輸出。但是，D/A輸出的是離散的正弦信號(hào)，頻率范圍較廣，為能最大的輸出基波成分，且輸出信號(hào)較平滑，須對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，除去頻譜中的高頻分量。再將輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大后，得到幅度穩(wěn)定的頻率信號(hào)［4］。以MATLAB軟件為核心，通過(guò)MATLAB軟件仿真將所需要的均衡系數(shù)提供給數(shù)字幅頻均衡器，最后利用MATLAB/Simulink軟件生成模型文件，轉(zhuǎn)換成VHDL語(yǔ)言給硬件電路實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音偽裝功能［5］。

2 系統(tǒng)建模

通過(guò)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的系統(tǒng)仿真，用頻譜擬合曲線法將提取到的男女頻譜圖對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)做相除運(yùn)算，相除所得結(jié)果就是所要求的擬合曲線模型。在此本人考慮到男性聲音頻率偏低，女性則偏高。為了加強(qiáng)這一點(diǎn)對(duì)最終擬合曲線的影響，選取了男低音和女高音兩個(gè)極端的聲音頻譜作為研究對(duì)象，其流程圖如3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

如圖3所示，利用MATLAB/TDATool軟件設(shè)計(jì)FIR低通濾波器，由于采用單一濾波器進(jìn)行幅度調(diào)整方法，對(duì)濾波器過(guò)渡帶要求不是很高，要求阻帶衰減較大以減少噪聲干擾，所以選用了Kaiser窗函數(shù)，采樣頻率為44 100Hz，截止頻率為8 000Hz，濾波器介數(shù)為64。

最后將這兩組均衡器參數(shù)進(jìn)行傅里葉逆變換（ifft），并取其實(shí)部即可得均衡器系數(shù)。在將該均衡器通過(guò)FDATool工具中的DSP模塊導(dǎo)入到SIMULINK設(shè)計(jì)模型中進(jìn)行仿真。該SIMULINK仿真模型如圖5所示。測(cè)試當(dāng)使用麥克風(fēng)輸入語(yǔ)音或語(yǔ)音文件輸入語(yǔ)音時(shí)，輸入語(yǔ)音的變化，判斷其特點(diǎn)是否滿足設(shè)計(jì)要求，如不滿足則返回從新設(shè)計(jì)均衡器參數(shù)，如將擬合所得參數(shù)取平方，立方等以加大均衡器改變語(yǔ)音信號(hào)的幅度。直到聽(tīng)到的語(yǔ)音信號(hào)滿足要求為止。最后將得到的均衡器的系數(shù)提供給FPGA使用。

由于生成的均衡器系數(shù)為8位二進(jìn)制數(shù)，與輸入八位數(shù)據(jù)相乘，同時(shí)加上一位符號(hào)位，即要求乘法器為兩乘積因子為9位，輸入為17位的模塊。

有符號(hào)加減法模塊:在有符號(hào)加減法模塊中，其中一個(gè)加數(shù)為乘法器乘積結(jié)果17位，另一個(gè)加數(shù)為上次加法結(jié)果，與加法器最終輸出位數(shù)一致，為17+6-1=22位，其中6由濾波器階數(shù)決定即2^6=64.，再減一，每位相加后得到的最大位數(shù)為22位。

3 系統(tǒng)仿真與分析

本文利用MATLAB/TDATool設(shè)計(jì)FIR濾波器，可以運(yùn)用M文件編寫和SIMULINK模塊兩種設(shè)計(jì)方法。M文件的編寫比SIMULIK模塊設(shè)計(jì)更方便，直接可以改寫程序的參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)其功能［6、8］。

為了本次語(yǔ)音偽裝達(dá)到最佳效果（將一男性聲音偽裝成女性聲音，或?qū)⑴月曇魝窝b成男性聲音）。由于男性信號(hào)中低頻成分比較大（一般男性的基頻分布是50～180Hz），聲音渾厚。而女性語(yǔ)音信號(hào)則在高頻段較大（一般女性的基頻分布是160～380Hz），聲音聽(tīng)起來(lái)也比較尖銳。要想達(dá)到偽裝的效果，則須消弱相應(yīng)的低頻段，并增加對(duì)應(yīng)的高頻段音量以此獲得較為合適的音頻。

由此可以利用頻譜擬合曲線法將提取到的男女頻譜圖對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)做相除運(yùn)算，點(diǎn)除結(jié)果就是所要求的擬合曲線模型。具體仿真程序代碼如下，仿真波形如圖4所示。

圖4 兩種語(yǔ)音頻譜擬合曲線圖

將該參數(shù)導(dǎo)入一濾波器后再進(jìn)行傅里葉逆變換（ifft）即可獲得均衡器系數(shù)。最后利用硬件電路將進(jìn)行驗(yàn)證，取得了較好的偽裝效果。

于此同時(shí)，本文也利用了另一種方法即頻譜搬移法，與上述方法進(jìn)行比較，最后所得的仿真效果如圖5。

abo，fs］=wavread（＇boy.wav＇，［500 1950000］）;

ab1=abo（:，2）;%采集語(yǔ)音信號(hào)，并僅取其第一通道信號(hào)分析

ab2=fft（ab1，1000000）;%語(yǔ)音信號(hào)的頻譜

ab3=［zeros（1，10000），ab2（1:1000000）＇］＇;%零向量長(zhǎng)度表示頻譜搬移量大小

ab4=real（ifft（ab3，1000000））;%傅里葉逆變換，觀察頻譜搬移后的時(shí)域波形

subplot（4，1，1）;plot（ab1）;%原始單聲道語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域波形

subplot（4，1，2）;

plot（ab4）;%經(jīng)過(guò)頻譜搬移后的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域頻譜

subplot（4，1，3）;plot（abs（ab2））;% 原始但聲道語(yǔ)音信號(hào)的頻譜

subplot（4，1，4）;plot（abs（ab3））;% 經(jīng)過(guò)搬移后的，語(yǔ)音信號(hào)頻譜

soundsc（ab4，fs）;%播放經(jīng)過(guò)頻譜搬移后的語(yǔ)音信號(hào)

圖5 頻譜搬移效果仿真圖

由圖5所示，聽(tīng)取MATLAB播放出的處理后音頻效果可知，當(dāng)頻譜搬移較小時(shí)，語(yǔ)音變化不大，有接近于機(jī)器人說(shuō)話的失真效果，隨著頻譜搬移量增大，逐漸聽(tīng)到語(yǔ)音信號(hào)如豬叫，甚至最后淪為噪聲的結(jié)果，但始終沒(méi)能得到將男性變成女性聲音的效果。為了能夠達(dá)到更好的效果本文采取了第一種［9］。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)出數(shù)字均衡器，區(qū)別于其他的均衡器的設(shè)計(jì)，既避免了IIR濾波器相位偏移的現(xiàn)象，又避免了FIR濾波器的延遲，因此對(duì)頻率設(shè)計(jì)具有很好的效果。以MATLAB仿真為依據(jù)，F(xiàn)PGA為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)共同完成。前者獲得均衡器系數(shù)，后者則實(shí)現(xiàn)其硬件乘累加單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。充分利用了軟硬件結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，最終完成數(shù)字均衡器設(shè)計(jì)。同時(shí)，與傳統(tǒng)的模擬手動(dòng)調(diào)節(jié)幅頻均衡器相比，本文增加了系統(tǒng)的仿真，能夠更清楚的設(shè)計(jì)出所需要的均衡器，并且能任意更改均衡系數(shù)，得到最佳的偽裝的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了最好的均衡效果［7］。

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