方 倪 李丹鳳 胡安正(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽(yáng) 441053)

基于MATLAB的音頻信號(hào)處理

方 倪 李丹鳳 胡安正
(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽(yáng) 441053)

當(dāng)今社會(huì)已進(jìn)入了高速信息化時(shí)代，用現(xiàn)代科技手段更加有效地產(chǎn)生、傳輸、存儲(chǔ)和應(yīng)用語(yǔ)音信息對(duì)于促進(jìn)信息化發(fā)展意義重大.利用MATLAB對(duì)所采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波前的時(shí)域波形和頻譜圖分析，再接入筆者設(shè)計(jì)的低通濾波器進(jìn)行濾波，以及濾波前后的語(yǔ)音變化分析和播放對(duì)比，發(fā)現(xiàn)濾波后的語(yǔ)音效果得到很好的改善.

MATLAB 低通濾波器 模擬濾波

1 語(yǔ)音信號(hào)降噪處理分析MATLAB介紹

MATLAB音頻信號(hào)的分析，首先選用.WAV文件作為分析的對(duì)象.繼而進(jìn)行 FFT變換并得到頻域圖形，根據(jù)該聲音的頻譜，反演時(shí)域圖形，最后進(jìn)行傅里葉逆變換IFFT并畫頻域圖形 .

2 MATLAB對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的處理具體步驟

2.1 MATLAB對(duì)音頻信號(hào)的分析

選取一段語(yǔ)音信號(hào)，然后在Matlab軟件平臺(tái)下，利用wavread函數(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣，設(shè)置采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù).

? xlabel(′頻率(Hz)′);ylabel(′幅值′)；Title(′原始信號(hào)′)；

? y1=y1*6;Y1=fft(y1,N1) %對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行FFT變換的得到頻域圖形(作N1=81920點(diǎn))

MATLAB得到的圖形如圖1和圖2所示.

圖1 音頻信號(hào)原始信號(hào)圖像

圖2 音頻信號(hào)FFT變化圖像

從圖1和圖2可以看出大部分信號(hào)集中在500 Hz和4 000 Hz左右，而噪聲及嘯叫聲集中在高頻率帶，音樂聲集中在低頻帶.

2.2 MATLAB低通濾波器的設(shè)計(jì)

模擬低通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)有Wp,Ws,Rp和As.其中Wp和Ws分別稱為通帶截止頻率和阻帶截止頻率，Rp是通帶中的最大衰減系數(shù)，As是阻帶的最小衰減系數(shù)，Rp和As一般用dB數(shù)表示.

本文采用的是調(diào)用buttord和butter設(shè)計(jì)巴特沃斯低通模擬濾波器：

[N,Wn]=buttord(Wp,Ws,Rp,Rs); %計(jì)算濾波器階數(shù)和3db截止頻率wc

[B,A]=butter(N,wc,′s′)；%計(jì)算濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子分母多項(xiàng)式系數(shù)

設(shè)計(jì)程序如下：

? fp=1000;fs1=1200

?wp=2*pi*fp/fs;

?ws=2*pi*fs1/fs;Rp=1;As=50;

?[N,wn]=buttord(wp/pi,ws/pi,Rp,As);

?[b,a]=butter(N,wn);

分析：圖3為通過MATLAB得到巴特沃斯低通模擬濾波器的圖像，可以看出在0～1 000 Hz范圍內(nèi)的信號(hào)可以通過，在2 500 Hz以上的高頻信號(hào)就被過濾掉了，本文采用的示例是500 Hz左右為通帶、4 000 Hz左右為阻帶，完全符合本次濾波器的設(shè)計(jì).

圖3 MATLAB得到的濾波器

2.3濾波前后的語(yǔ)音變化分析和播放對(duì)比

用設(shè)計(jì)的巴特沃斯低通模擬濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波，畫出濾波后信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜圖，如圖4和圖5所示，并對(duì)濾波前、后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，畫出時(shí)域波形差，分析信號(hào)的變化.

圖4 濾波后的音頻信號(hào)

圖5 濾波后的信號(hào)頻譜

程序如下：

?db=20*log10((mag+eps)/max(mag));

?y=filter(b,a,y1);

?wavwrite(real(y),′yinyuexiaozao.wav′); %把濾波后的音頻轉(zhuǎn)化成文檔保存

分析：經(jīng)上圖對(duì)比之后，可以很明顯地看出高頻帶的噪聲及嘯叫已經(jīng)濾掉，最后得到的濾波后的頻譜只有低頻帶的波形及500 Hz左右的波形了，得到的yinyuexiaozao.wav，通過音頻播放器得到的效果也是非常好的.這也說(shuō)明此次的濾波器設(shè)計(jì)是比較合理的.

3 總結(jié)

本文根據(jù)音頻信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一款巴特沃斯低通模擬濾波器，濾波前后的語(yǔ)音變化分析和播放對(duì)比發(fā)現(xiàn)音頻效果得到很好的改善，通過此次的設(shè)計(jì)可以對(duì)語(yǔ)音信號(hào)降噪處理，使語(yǔ)音信號(hào)得到優(yōu)化，改善生活中的一些不足，更有利于我們?nèi)祟惖陌l(fā)展.

1 楊繼臣，劉磊安.基于MATLAB編程的數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)改革.福建電腦，2016(04)：83～84

2 董振海.精通MATLAB，編程與數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2007.09

3 汪麗娜.音頻信號(hào)采集系統(tǒng)中數(shù)字濾波器的研究與設(shè)計(jì):[學(xué)位論文].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014

4 高西全，丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008．08

2016-12-12)