竇海鵬

（山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院 信息學(xué)院，山西 太原 030031）

0 引 言

語音是人類傳遞信息的重要手段，但是在現(xiàn)代的各種通信系統(tǒng)中，人們?cè)讷@取語音的同時(shí)，總是會(huì)受到外界環(huán)境的干擾和影響，各種自然噪聲和人為噪聲會(huì)摻雜在語音信號(hào)中，嚴(yán)重影響語音質(zhì)量。因此，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理，濾除摻雜在其中的非必要噪聲是很必要的，也是具有實(shí)際意義的研究課題。

首先提取一段語音信號(hào)，并在其中摻雜高頻噪音。然后利用Matlab仿真軟件設(shè)計(jì)一個(gè)FIR數(shù)字濾波器［1－6］，將摻雜在語音信號(hào)中的高頻噪音消除，并分析比較消除高頻噪音前后語音信號(hào)的時(shí)域和頻域特性［7－9］。仿真結(jié)果表明，通過窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器可以有效地抑制帶外噪聲，提高話音質(zhì)量，對(duì)實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的處理具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 原始信號(hào)的采集與處理

1.1 原始信號(hào)的采集及時(shí)域分析

為了研究語音除噪技術(shù)，首先應(yīng)采集一段語音信號(hào)。使用電腦聲卡錄制一段語音信號(hào)，利用Matlab中的wavread命令讀入該語音信號(hào)，將它賦值給某一向量。另外，可以通過sound命令回放該語音，感受聲音的變化。語音采集程序如下：

通過合理選擇采樣位數(shù)可以衡量聲音波動(dòng)變化情況，而采樣頻率表示的是錄音設(shè)備在1s內(nèi)對(duì)語音信號(hào)的采樣次數(shù)，所以，采樣頻率越高，對(duì)聲音的還原就越有利。

電腦采集的原始語音信號(hào)的時(shí)域波形如圖1所示。

圖1 原始語音信號(hào)時(shí)域波形

由圖中可以看出，語音信號(hào)隨時(shí)間的延續(xù)而緩慢變化，是一種非平穩(wěn)的時(shí)變信號(hào)。語音信號(hào)攜帶了需要傳遞的信息，根據(jù)人類發(fā)聲時(shí)音調(diào)和音色的不同，提取的語音信號(hào)采樣值的幅度和時(shí)間變化也各不相同。

1.2 信號(hào)加噪及頻譜分析

處理語音信號(hào)的目的是為了更有效地提取信號(hào)中所攜帶的信息，所以在研究語音信號(hào)時(shí)域特性的同時(shí)，有必要研究其頻域特性。而離散傅里葉變換是信號(hào)處理中的一個(gè)重要變換工具，可以將一個(gè)信號(hào)序列從時(shí)域表示轉(zhuǎn)換到頻率域表示，在信號(hào)處理中有廣泛的應(yīng)用。Matlab數(shù)字信號(hào)處理工具箱中的函數(shù)FFT是對(duì)離散傅里葉變換進(jìn)行快速計(jì)算的有效算法，可以直接調(diào)用，調(diào)用格式如下：

其中，N是信號(hào)截取的長度。

利用FFT對(duì)采集的語音信號(hào)進(jìn)行處理的頻譜如圖2所示。

圖2 原始語音信號(hào)頻譜

從圖中可以看出，人類的語音頻率范圍主要集中在4 000Hz以內(nèi)，屬于低頻信號(hào)。若此時(shí)在4 000Hz之外的較高頻率處摻雜了干擾，將會(huì)對(duì)語音的質(zhì)量造成影響。為了比較加入干擾前后的語音質(zhì)量，現(xiàn)利用Matlab產(chǎn)生一個(gè)10.8kHz的余弦信號(hào)作為噪聲加入到語音信號(hào)中，并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析。其主要程序如下：

加入噪聲后的信號(hào)時(shí)域波形及加入噪聲前后的信號(hào)頻譜比較如圖3所示。

圖3 加入噪聲后的信號(hào)時(shí)域波形及頻譜比較圖

從時(shí)域圖中可以看出，（a）加入10.8kHz的干擾信號(hào)后，在整個(gè)語音信號(hào)存在的時(shí)間過程中多出了高頻成分。通過對(duì)加入噪聲前信號(hào)頻譜（b）和加入噪聲后信號(hào)頻譜（c）的比較發(fā)現(xiàn)，加入噪聲后，在原語音信號(hào)頻譜圖的10.8kHz頻率附近多出一個(gè)高頻脈沖。若通過sound命令回放該語音，可以聽到一個(gè)刺耳的噪音，而語音信號(hào)本身變模糊，話音質(zhì)量變差。

2 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

數(shù)字濾波器在數(shù)字信號(hào)處理的各種實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著巨大的作用，它通過對(duì)采樣的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算來達(dá)到頻域?yàn)V波的目的，文中采用基于窗函數(shù)設(shè)計(jì)法的有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器（FIR）濾除高頻噪音。FIR數(shù)字濾波器在保證幅度特性滿足技術(shù)要求的同時(shí)，又具有嚴(yán)格的線性相位特性，穩(wěn)定和線性相位是其最突出的優(yōu)點(diǎn)。因此，F(xiàn)IR濾波器在圖像處理、通信等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器就是要找到一個(gè)系統(tǒng)函數(shù) H（z），使其頻率響應(yīng)函數(shù) H（ejω）逼近濾波器要求的理想頻率響應(yīng)函數(shù)Hd（ejω）。

設(shè)線性相位理想低通濾波器的頻率響應(yīng)為：

其對(duì)應(yīng)的單位脈沖響應(yīng)hd（n）為：

由上式看出，hd（n）是無限長的，且是非因果序列，為構(gòu)造一個(gè)長度為N的線性相位FIR數(shù)字濾波器，需將hd（n）截取一段，設(shè)截取的一段用h（n）表示，即

式中：h（n）——需要設(shè)計(jì)的濾波器單位脈沖響應(yīng)。

從上述分析看出，利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器的關(guān)鍵問題是選擇合適的窗函數(shù)ω（n），在選擇窗函數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮到被處理信號(hào)的性質(zhì)及處理要求等。文中根據(jù)需濾除的高頻信號(hào)的頻段范圍、強(qiáng)度和衰減等要求，選用旁瓣幅度較小的漢寧窗。

Matlab信號(hào)處理工具箱提供了豐富、簡便的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)FIR濾波器的方法，使繁瑣的程序設(shè)計(jì)簡化成函數(shù)的調(diào)用，根據(jù)文中對(duì)語音信號(hào)除噪的要求，選用漢寧窗，確定所設(shè)計(jì)的FIR低通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：Wp＝0.15＊pi，Ws＝0.25＊pi，設(shè)計(jì)程序如下：

設(shè)計(jì)的FIR低通濾波器的幅頻特性如圖4所示。

圖4 FIR低通濾波器的幅頻特性

從圖中可以看出，選擇漢寧窗使濾波器的主瓣包含了更多的能量，相應(yīng)旁瓣幅度很小，達(dá)到－40dB以下，滿足濾波要求。

3 利用數(shù)字濾波器消除語音信號(hào)的噪聲

利用文中設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器對(duì)摻雜了高頻噪音的語音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，程序如下：

濾波前后語音信號(hào)的時(shí)域波形圖及頻譜比較結(jié)果如圖5所示。

由圖中可見，該低通濾波器濾除了4 000Hz以上的高頻信號(hào)（包括摻雜的余弦干擾），保留了4 000Hz以內(nèi)的低頻語音信號(hào)，符合低頻語音信號(hào)的特性?；胤怕曇舭l(fā)現(xiàn)，語音信號(hào)中夾雜的高頻刺耳的蜂鳴聲消失了，聲音變得比原始語音低沉平滑，這是因?yàn)槔脻h寧窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器不僅濾掉了高頻噪聲，而且把原始信號(hào)中很小的一部分高頻分量也濾掉了，僅余下了較低頻率的語音信號(hào)，說明達(dá)到濾除高頻噪音信號(hào)的目的。

圖5 濾波前后語音信號(hào)的時(shí)域波形圖及頻譜比較

4 結(jié) 語

利用Matlab仿真軟件設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器，可以很好地將摻雜在語音信號(hào)中的高頻噪音消除，提高話音質(zhì)量。通過分析比較消除高頻噪音前后語音信號(hào)的時(shí)域和頻域特性發(fā)現(xiàn)，通過窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器方法簡單，準(zhǔn)確可靠，是數(shù)字信號(hào)處理中常用的技術(shù)之一，對(duì)實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的處理具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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