基于MATLAB的音頻信號處理

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

基于MATLAB的音頻信號處理

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

當今社會已進入了高速信息化時代，用現代科技手段更加有效地產生、傳輸、存儲和應用語音信息對于促進信息化發展意義重大.利用MATLAB對所采集的語音信號進行濾波前的時域波形和頻譜圖分析，再接入筆者設計的低通濾波器進行濾波，以及濾波前后的語音變化分析和播放對比，發現濾波后的語音效果得到很好的改善.

MATLAB 低通濾波器 模擬濾波

1 語音信號降噪處理分析MATLAB介紹

MATLAB音頻信號的分析，首先選用.WAV文件作為分析的對象.繼而進行 FFT變換并得到頻域圖形，根據該聲音的頻譜，反演時域圖形，最后進行傅里葉逆變換IFFT并畫頻域圖形 .

2 MATLAB對語音信號的處理具體步驟

2.1 MATLAB對音頻信號的分析

選取一段語音信號，然后在Matlab軟件平臺下，利用wavread函數對語音信號進行采樣，設置采樣頻率和采樣點數.

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

? y1=y1*6;Y1=fft(y1,N1) %對音頻信號進行FFT變換的得到頻域圖形(作N1=81920點)

MATLAB得到的圖形如圖1和圖2所示.

圖1 音頻信號原始信號圖像

圖2 音頻信號FFT變化圖像

從圖1和圖2可以看出大部分信號集中在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低通濾波器的設計

模擬低通濾波器的設計指標有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，As是阻帶的最小衰減系數，Rp和As一般用dB數表示.

本文采用的是調用buttord和butter設計巴特沃斯低通模擬濾波器：

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

[B,A]=butter(N,wc,′s′)；%計算濾波器系統函數分子分母多項式系數

設計程序如下：

? 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范圍內的信號可以通過，在2 500 Hz以上的高頻信號就被過濾掉了，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計.

圖3 MATLAB得到的濾波器

2.3濾波前后的語音變化分析和播放對比

用設計的巴特沃斯低通模擬濾波器對語音信號進行濾波，畫出濾波后信號的時域波形和頻譜圖，如圖4和圖5所示，并對濾波前、后的信號進行對比，畫出時域波形差，分析信號的變化.

圖4 濾波后的音頻信號

圖5 濾波后的信號頻譜

程序如下：

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

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

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

分析：經上圖對比之后，可以很明顯地看出高頻帶的噪聲及嘯叫已經濾掉，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.這也說明此次的濾波器設計是比較合理的.

3 總結

本文根據音頻信號的特點設計了一款巴特沃斯低通模擬濾波器，濾波前后的語音變化分析和播放對比發現音頻效果得到很好的改善，通過此次的設計可以對語音信號降噪處理，使語音信號得到優化，改善生活中的一些不足，更有利于我們人類的發展.

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

2 董振海.精通MATLAB，編程與數據庫應用.北京：電子工業出版社，2007.09

3 汪麗娜.音頻信號采集系統中數字濾波器的研究與設計:[學位論文].蘭州：蘭州交通大學，2014

4 高西全，丁玉美.數字信號處理.西安：西安電子科技大學出版社，2008．08

2016-12-12)