基于Matlab&GUI語音信號處理平臺的設計*

燕麗紅

（西安歐亞學院信息工程學院 西安 710065）

1 引言

語音信號作為當今生活中最常用的信號被廣泛引用［1～2］，而語音信號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，不斷被學者去攻克，而如今大數據崛起標志新時代的到來，對語音信號的處理更是要求及時、有效，可靠［3～4］。因此，本文首先對語音信號進行分析，并模擬通信信道的噪聲進行加噪聲音的分析，進而設計合理的濾波器進行語音信號的回復，主要通過Matlab及GUI人機界面進行了語音信號的處理，對于實際語音信號分析具有很重要的指導作用，同時對于學生進行信號處理類課程的學習奠定了一定的基礎。

2 語音信號處理系統設計

2.1 語音信號處理總體框圖

本系統主要通過麥克風、錄音軟件等形式進行語音信號的采集，并根據采樣定理進行語音信號的離散化處理，并模擬具體的通信信道進行加噪語音信號的產生，進行通過數字信號處理系統設計相關理論進行濾波器設計，進而實現原始語音的回復。系統實現框圖如圖1所示。

圖1 典型的語音信號處理框圖

2.2 語音信號處理平臺涉及的部分Matlab函數

audioread函數：讀取MP3格式音頻。

Freqz函數：計算線性系統的響應頻率，包括幅頻響應和相頻響應。

rand函數：在某一信號中加入隨機噪聲。

cheb1ord函數：切比雪夫1型濾波器。

Filter函數：一維數字濾波器［5～8］。

3 基于Matlab的語音信號處理設計

3.1 原始語音的產生

首先通過格式工廠將自己的錄音通過格式工廠進行轉換成MP3，進而使用audioread函數進行調用并實現原始語音的產生。

fs=16000；

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

play（x）； %話音回放

N=length（x）； % 計算信號x的長度

n=0：N-1；

figure（1）；

plot（n，x1）；%畫出原始語音信號的時域波形

圖2 原始語音和加噪語音時域、頻域圖

3.2 噪聲的處理

由于通信信道自帶會有噪聲，因此模擬信道進行隨機噪聲的產生［9］，進而模擬帶噪信號進行設計。

L=length（x）；%計算音頻信號的長度

n=0.04*randn（L，2）；%產生等長度的隨機噪聲信號

x_z=x+n；%將兩個信號疊加成一個新的信號——加噪聲處理

sound（x_z）；%對加噪后的語音信號進行分析

n=length（x）；%選取變換的點數

x_zp=fft（x_z，n）；%對n點進行傅里葉變換到頻域

f=fs*（0：n/2-1）/n；%對應點的頻率

3.3 濾波器的設計

根據語音信號的特點，設計數字濾波器［10］，對加噪后的語音信號進行濾波處理。

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比圖

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

4 基于GUI的語音信號處理平臺設計

4.1 設計思路

結合語音信號處理的框圖，通過GUI設計人機交互界面［11～12］，方便用戶進行原始信號，加噪信號，及濾波器設計等模塊的設計，對不同的模塊設計其相應的屬性進行控件的設置，通過與Matlab產生的信號進行對比和設計，對于用戶對信號的分析可以更有效和直觀［13～15］。

4.2 語音信號處理平臺設計

首先在GUI界面中，構建人機交互界面，包含原始語音、加噪語音、濾波器實現方法（脈沖響應不變法、雙線性變換法）及退出模塊，通過設置控件屬性，調整控件大小，設計的語音信號處理平臺如圖4所示。

圖4 基于GUI的語音信號處理平臺框架

4.3 加噪后的設計界面

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；%將所加噪聲信號的點數調整到與原始信號相同

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

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’）；

圖5 基于GUI的加噪語音信號的產生

4.4 濾波器設計界面

%---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，Fs，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，Fs，bits，hObject，handles）

圖6 基于GUI的濾波器設計的原始語音信號的還原

5 結語

語音信號處理作為信號處理的典型應用之一，如何有效、快捷地進行系統的設計和分析，是滿足當今大數據處理時代要求高效、可靠的基本條件，本文通過Matlab進行語音信號的采集和處理，通過通過GUI界面設計了語音信號處理平臺，方便用戶進行系統有效的分析和處理。而在圖形可視化界面設計過程中，還可以將其設計的濾波器系統保存為.txt文件，從而方便在其他平臺上的數據處理和分析。這將對用戶進行DSP處理器進行系統設計帶來很大的便利，也將會是用戶在工程應用上的一個有效的數據分析工具。