基于Matlab图形用户界面的语音去噪分析实现

张学敏，吕晓丽，钟　菲

(长春工程学院电气与信息工程学院，长春 130012)



基于Matlab图形用户界面的语音去噪分析实现

张学敏，吕晓丽，钟菲

(长春工程学院电气与信息工程学院，长春 130012)

主要研究信号与信息处理。

摘要：利用FIR低通和高通滤波器，借助Matlab图形用户界面的简洁直观和操作方便的特点对带噪语音做了仿真分析，由仿真结果对比可见，带噪语音通过低通滤波器较好地保留了原始语音信息，而经过高通滤波器则留下了噪声，从而证明：语音信号主要分布在低频区，而噪声主要分布在高频区。

关键词：FIR；图形用户界面；高通滤波器；低通滤波器

0引言

基于Matlab的M文件的带噪语音信号的分析存在数据修改麻烦及效果不直观的缺点。本文利用Matlab图形用户界面操作灵活、效果直观的优点，采用FIR 数字滤波器，让带噪语音经过不同截止频率的低通和高通滤波器，通过对比分析纯净语音和带噪语音的频谱及播放纯净语音和去噪后的语音表明：声音信号主要分布在低频区，噪声主要分布在高频区。去噪分析流程如图1所示。

图1　语音去噪分析过程示意图

1语音去噪分析的图形用户界面实现

Matlab的图形用户界面GUI(Graphical User Interfaces)是一个由按钮、坐标轴、级联菜单、动态、静态文本等图形对象构成的一个用户与计算机交互的图形窗口。用户通过鼠标选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如，实现计算和图形显示等。本文的图形界面包括3个静态文本(分别标识采样频率、低通截止频率和高通截止频率)和与之对应的3个动态文本(在此输入可编辑的3种频率)；5个按钮，其功能如其标识所示； 1个弹出式菜单，用来选择所使用的滤波器类型；7个坐标轴。图1是未点击功能控件时的空图形用户界面。

图2　语音去噪分析的空界面

1.1无噪语音获取与频谱分析

原始语音信号可以利用Matalb自带的声音，也可以自录一段声音。本文选Matlab自带的声音文件bird.wav。点击图2图形窗口内的 “无噪语音绘图及播放” 按钮，在图形界面的左上角显示该语音的时域和频域波形的同时，还可听见清晰的鸟鸣声。波形如图3所示。从频谱图可见，该声音信息主要分布在1 000 Hz以内，这个频率在音频的正常范围内。

图3　语音去噪分析界面1

1.2语音信号加噪与频谱分析

通过Matlab中的随机函数Randn得到噪声信号，并将其加入到语音信号中，模仿语音信号被污染。Randn函数的调用格式：Randn(m,n)。点击图3图形窗口内的“带噪语音绘图及播放” 按钮，会显示带噪语音的时域和频域波形，如图4所示。很明显，带噪语音的时域波形被叠加上了噪声，同时，其频谱也叠加上了均匀分布的噪声谱。这时听到的声音不再是纯净的鸟鸣声，也参杂了沙沙的噪声。为了得到原始语音，需要对噪声做滤波分析处理。

图4　语音去噪分析界面2

1.3FIR数字滤波器的设计

由于FIR数字滤波器相频特性具有良好的线性特性，适合于语音信号的分析，这里选用FIR数字滤波器，调用格式：b=fir1(N,ω,‘type’)，b是滤波器的系数，N是滤波器的阶数，ω是频率，type代表滤波器的类型。同时还有幅频响应函数：[h,ω]=freqz(b,1,n)，h是幅度，ω是频率，n是采样点数。首先设计FIR低通滤波器，由于原始语音信号的频带在3 400 Hz之内，根据采样定理，采样频率选8 000 Hz，由带噪语音频谱特点，分别设计低通截止频率选为500 Hz和1 000 Hz的低通滤波器，点击弹出式菜单的右侧的箭头，选择“FIR低通滤波器”选项，2个低通滤波器的幅频特性显示在图形窗口的右上角，分别如图5～6所示。

图5　语音去噪分析界面3

图6　语音去噪分析界面4

1.4带噪语音的滤波和去噪后语音时域、频域分析

利用1.3节设计的低通滤波器对带噪语音滤波，滤波函数调用格式：sf=filter(s,b,a)，sf是滤波后的信号，s是带噪信号，b、a是滤波器传递函数分子和分母的系数。点击“去噪语音绘图及播放”按钮，图7的左侧最后2个图是经过截止频率为500 Hz的滤波器后的语音时域和频域波形，图8的左侧最后2个图是经过截止频率为1 000 Hz的滤波器后的语音时域和频域波形，可见，去噪后的语音时域仍含有少量的噪声，频域低通截止频率500 Hz以后的声音信息被滤除，此时听到的鸟鸣声较沉闷，因为在500～1 000 Hz频段内有部分声音信息的损失；频域低通截止频率在1 000 Hz以内的声音信息几乎全部保留，1 000 Hz以后基本是噪声被滤除，此时听到的鸟鸣声与原始声音相近，但能听到稀疏的沙沙声。这是因为噪声在整个频域内是均匀分布的，不可能将其全部滤除。

图7　语音去噪分析界面5

图8　语音去噪分析界面6

点击“清除”按钮，得到和图1一样的空界面。

1.5带噪语音经过高通滤波器后的时域、频域分析

在空的图形界面内，输入高通截止频率1 000 Hz，采样频率8 000 Hz，选择“FIR高通滤波器设计”，其他操作方法同上，最后图形界面如图9所示。显见，此时经过该滤波器出来的信号几乎全部是噪声，因为在1 000 Hz以内的声音的有用信息已被滤除，自然听到的是沙沙的噪声，没有鸟鸣声。

图9　语音去噪分析界面7

2注意的问题

1)若选择的声音是自录的声音，适应噪声信号格式的要求，需要用双音道进行录音，否则无法加上噪声。

2)本文的图形用户界面采用的是程序设计法，即图形窗口内控件都是通过函数生成的。利用函数对控件的属性和属性值设置时，一定要严格遵照格式规定，否则无法得到期望的结果。

3结语

文中设计了2种不同截止频率的FIR低通滤波器，在图像用户界面下详细对比分析了带噪语音经过这两种滤波器后的时域和频域波形特点，并和设计的高通滤波器作进一步的对比，进而得出结论：声音的大部分信息主要分布在低频区，而噪声则分布在高频区。

参考文献

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[4] 钟国梁.浅谈窗函数法设计FIR数字滤波器的体会[J].电气电子教学学报,2009 (3):45-46.

[5] 张学敏.图形用户界面下敏感语音提取的仿真实现[J].长春工程学院学报:自然科学版, 2011(2):110-111.

Thesound signal denoising analysis and implementation based on GUI of Matlab

ZHANG Xue-min, et al.

(SchoolofElectrical&InformationEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,

Changchun130012,China)

Abstract:The sound signal with noise is simulated and anlyzed by using FIR low-pass filter and high-pass filter based on Graphical User Interface (GUI) of Matlab. By comparing simulation results, we can make the conclusion that the original sound information can be kept perfectly by sound signal with noise and noise through low-pass filter, and the noise has been left through high-pass filter. Thereafter, it can be proved that sound signal is mainly distributed in low-frequency zone, and noise is distributed in high-frequency zone.

Key words：FIR; GUI; high-pass filter; low-pass filter

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)04-0097-03

中图分类号：TN911

作者简介：张学敏(1971-)，女(汉)，长春，副教授

收稿日期：2015-09-15

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.024