燕麗紅

（西安歐亞學(xué)院信息工程學(xué)院 西安 710065）

1 引言

語(yǔ)音信號(hào)作為當(dāng)今生活中最常用的信號(hào)被廣泛引用［1～2］，而語(yǔ)音信號(hào)在信息的傳輸過程中的可靠性、有效性以及其他的一些問題也都不斷地出現(xiàn)，不斷被學(xué)者去攻克，而如今大數(shù)據(jù)崛起標(biāo)志新時(shí)代的到來，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的處理更是要求及時(shí)、有效，可靠［3～4］。因此，本文首先對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析，并模擬通信信道的噪聲進(jìn)行加噪聲音的分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)合理的濾波器進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的回復(fù)，主要通過Matlab及GUI人機(jī)界面進(jìn)行了語(yǔ)音信號(hào)的處理，對(duì)于實(shí)際語(yǔ)音信號(hào)分析具有很重要的指導(dǎo)作用，同時(shí)對(duì)于學(xué)生進(jìn)行信號(hào)處理類課程的學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。

2 語(yǔ)音信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 語(yǔ)音信號(hào)處理總體框圖

本系統(tǒng)主要通過麥克風(fēng)、錄音軟件等形式進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的采集，并根據(jù)采樣定理進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的離散化處理，并模擬具體的通信信道進(jìn)行加噪語(yǔ)音信號(hào)的產(chǎn)生，進(jìn)行通過數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)理論進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)原始語(yǔ)音的回復(fù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 典型的語(yǔ)音信號(hào)處理框圖

2.2 語(yǔ)音信號(hào)處理平臺(tái)涉及的部分Matlab函數(shù)

audioread函數(shù)：讀取MP3格式音頻。

Freqz函數(shù)：計(jì)算線性系統(tǒng)的響應(yīng)頻率，包括幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。

rand函數(shù)：在某一信號(hào)中加入隨機(jī)噪聲。

cheb1ord函數(shù)：切比雪夫1型濾波器。

Filter函數(shù)：一維數(shù)字濾波器［5～8］。

3 基于Matlab的語(yǔ)音信號(hào)處理設(shè)計(jì)

3.1 原始語(yǔ)音的產(chǎn)生

首先通過格式工廠將自己的錄音通過格式工廠進(jìn)行轉(zhuǎn)換成MP3，進(jìn)而使用audioread函數(shù)進(jìn)行調(diào)用并實(shí)現(xiàn)原始語(yǔ)音的產(chǎn)生。

fs=16000；

［x，fs，bits］=audioread（‘ 這 是 我 的 錄 音 。mp3’）；

play（x）； %話音回放

N=length（x）； % 計(jì)算信號(hào)x的長(zhǎng)度

n=0：N-1；

figure（1）；

plot（n，x1）；%畫出原始語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形

圖2 原始語(yǔ)音和加噪語(yǔ)音時(shí)域、頻域圖

3.2 噪聲的處理

由于通信信道自帶會(huì)有噪聲，因此模擬信道進(jìn)行隨機(jī)噪聲的產(chǎn)生［9］，進(jìn)而模擬帶噪信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

L=length（x）；%計(jì)算音頻信號(hào)的長(zhǎng)度

n=0.04*randn（L，2）；%產(chǎn)生等長(zhǎng)度的隨機(jī)噪聲信號(hào)

x_z=x+n；%將兩個(gè)信號(hào)疊加成一個(gè)新的信號(hào)——加噪聲處理

sound（x_z）；%對(duì)加噪后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析

n=length（x）；%選取變換的點(diǎn)數(shù)

x_zp=fft（x_z，n）；%對(duì)n點(diǎn)進(jìn)行傅里葉變換到頻域

f=fs*（0：n/2-1）/n；%對(duì)應(yīng)點(diǎn)的頻率

3.3 濾波器的設(shè)計(jì)

根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器［10］，對(duì)加噪后的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

wp=0.01；ws=0.06；rp=1；rs=50；

［N4，Wc］=buttord（wp，ws，rp，rs）；

［B，A］=butter（N4，Wc）；

［Hd，w］=freqz（B，A）；

圖3 巴特沃斯過濾前后對(duì)比圖

通過圖形可以明顯看出，采用巴特沃斯濾波器進(jìn)行的語(yǔ)音信號(hào)處理很好地進(jìn)行了還原。

4 基于GUI的語(yǔ)音信號(hào)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思路

結(jié)合語(yǔ)音信號(hào)處理的框圖，通過GUI設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面［11～12］，方便用戶進(jìn)行原始信號(hào)，加噪信號(hào)，及濾波器設(shè)計(jì)等模塊的設(shè)計(jì)，對(duì)不同的模塊設(shè)計(jì)其相應(yīng)的屬性進(jìn)行控件的設(shè)置，通過與Matlab產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比和設(shè)計(jì)，對(duì)于用戶對(duì)信號(hào)的分析可以更有效和直觀［13～15］。

4.2 語(yǔ)音信號(hào)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)

首先在GUI界面中，構(gòu)建人機(jī)交互界面，包含原始語(yǔ)音、加噪語(yǔ)音、濾波器實(shí)現(xiàn)方法（脈沖響應(yīng)不變法、雙線性變換法）及退出模塊，通過設(shè)置控件屬性，調(diào)整控件大小，設(shè)計(jì)的語(yǔ)音信號(hào)處理平臺(tái)如圖4所示。

圖4 基于GUI的語(yǔ)音信號(hào)處理平臺(tái)框架

4.3 加噪后的設(shè)計(jì)界面

function pushbutton2_Callback（hObject，eventdata，handles）

%hObjecthandle to pushbutton2（see GCBO）

%eventdata reserved-to be defined in a future version of Matlab

%handles structure with handles and user data（see GUIDATA）

y1=fft（x1，512）；

f=Fs*（0：511）/512；

Au=0.04；

wav_in=wav_in（：，1）；

t=0：1/Fs：（size（x1）-1）/Fs；%將所加噪聲信號(hào)的點(diǎn)數(shù)調(diào)整到與原始信號(hào)相同

d=［Au*cos（2*pi*5000*t）］'；%噪聲為 5kHz的余弦信號(hào)

x2=10*x1+d；

y2=fft（x2，512）；

handles.x1=x2

guidata（hObject，handles）；

axes（handles.axes2）；

plot（t，x2）

title（‘加噪后的信號(hào)’）；

圖5 基于GUI的加噪語(yǔ)音信號(hào)的產(chǎn)生

4.4 濾波器設(shè)計(jì)界面

%---Executes on button press in pushbutton3。

function pushbutton3_Callback（hObject，eventdata，handles）

%hObjecthandle to pushbutton3（see GCBO）

%eventdata reserved-to be defined in a future version of Matlab

%handles structure with handles and user data（see GUIDATA）

global x1；

global x2；

global Fs；

global bits；

mc（x2，F(xiàn)s，bits，hObject，handles）

%---Executes on button press in pushbutton4。

function pushbutton4_Callback（hObject，eventdata，handles）

%hObjecthandle to pushbutton4（see GCBO）

%eventdata reserved-to be defined in a future version of Matlab

%handles structure with handles and user data（see GUIDATA）

sx（x2，F(xiàn)s，bits，hObject，handles）

圖6 基于GUI的濾波器設(shè)計(jì)的原始語(yǔ)音信號(hào)的還原

5 結(jié)語(yǔ)

語(yǔ)音信號(hào)處理作為信號(hào)處理的典型應(yīng)用之一，如何有效、快捷地進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，是滿足當(dāng)今大數(shù)據(jù)處理時(shí)代要求高效、可靠的基本條件，本文通過Matlab進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的采集和處理，通過通過GUI界面設(shè)計(jì)了語(yǔ)音信號(hào)處理平臺(tái)，方便用戶進(jìn)行系統(tǒng)有效的分析和處理。而在圖形可視化界面設(shè)計(jì)過程中，還可以將其設(shè)計(jì)的濾波器系統(tǒng)保存為.txt文件，從而方便在其他平臺(tái)上的數(shù)據(jù)處理和分析。這將對(duì)用戶進(jìn)行DSP處理器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來很大的便利，也將會(huì)是用戶在工程應(yīng)用上的一個(gè)有效的數(shù)據(jù)分析工具。