FIR数字滤波器在声音识别系统上的应用

程 芳

(安庆职业技术学院，安徽 安庆 246003)

0 引 言

由于每个人的声音频率不同，声音和指纹一样可以用作安全认证，这样不需要输入繁琐的密码、指纹等就可以安全通行了。如将声音识别系统安装在家庭里，通过声音识别可以开门和上锁；安装在家庭电器上，直接通过语音控制，可以完成拉开窗帘、打开电视等工作，方便了人们的生活。将声音识别系统安装在公司大楼里，通过声音识别就可以辨识来人是否为公司员工。但是语音的频率范围在30～1 000Hz，很容易受到干扰。本文通过市场比较成熟的FIR(finice impulse response)数字滤波器来消除各种噪声，保证声音识别系统正常运行，总体设计如图1所示。

图1 声音识别系统去噪总体设计

1 语音信号的特点

语音信号在非常长的时间里是随机的信号，但是在10～30 ms这样短的时间内，可以把它看成稳态而时不变的信号。在对语音信号进行处理时，首先要对语音信号提取需要的特征参数。声音属于波的一种，它的重要参数包括频率和频谱。其中频率决定了声音的本质，只要频率不变，声音就不会变化，它决定了音高；而声音的大小是由频谱所决定的。有了特征参数才能有效地对语音信号进行分析。依据特征参数的不同，研究方法分类也不同。若分析的是时间与对应的幅度之间的关系则为时域分析，若分析的是频率和频谱之间的关系即为频域分析。时域分析具有波形简单，计算量小等优点；频域分析能将语音信号的功率反应到频谱上，意义更重大。本次设计中，既绘出语音信号的时域图又绘出它的频域图，两者进行比较，设计出最佳的FIR数字滤波器，去除噪声。

2 噪声的来源

对于有用信号，只要不是有用信号频率范围内的都属于噪声。噪声的来源有3种：一是外界环境的噪声，二是机器噪声，三是元件噪声。外界环境噪声，除了在录音棚输入语音信号，可以当作无外界噪声，像公司大楼的门禁系统，周边的环境必然是车水马龙，引起干扰是不可避免的；设备噪声，是输入信号的麦克风、声卡等设备而造成的噪声，声音通过麦克风，将声音模拟信号转换成数字信号，数字信号再经过计算机处理，处理后再转换成声音播放出来，由此可见声音信号需要经过很多设备才能最终播放出来，好的设备播出的声音效果就好；元件噪声指的是组成电路的电阻、二极管、三极管等元件形成的噪声，主要有电阻元件所形成的热噪声，P-N结所形成的散弹噪声和闪变噪声等，这些元件如果在稳定温度下工作，引起的元件噪声也会降低。噪声的大小一般用信噪比来衡量[1]：

(1)

3 数字滤波器

滤波是数字滤波的主要作用，按照滤波器的幅度响应分为低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器等[2]，如低通滤波器工作时选出低于某个频段的信号，并放大，而其他频段的信号或者噪声将会抑制。有限脉冲响应是根据输入不同进行分类，它是通过左右平移方法校正，相比较之下误差要小点。综合比较，我们这里选择FIR数字滤波器去除噪声。在设计FIR数字滤波器时窗函数法是常用的方法，用窗函数法设计FIR数字滤波器时，先需要根据wc和N求出相应的理想滤波器单位脉冲响应hd(n)。

(2)

(3)

其中α是一个常数时刻，选择合适的窗函数w(n)来截取hd(n)， 最后得到FIR滤波器单位脉冲响应h(n)=hd(n)w(n)。

4 声音识别系统基于FIR数字滤波器消除噪声的过程

以某公司大楼的门禁为例，设计门禁能否通过识别声音，来识别该人员是否是该公司的员工。设计分成两个部分：一是利用声音识别系统采集公司员工的声音，记录声音的频域并将声音保存在系统库里；二是员工通过语音输入时会有噪音叠加进入，需要通过去噪后，将声音的波形图和频谱图与声音识别系统库中的波形图和频谱图进行匹配，如果匹配成功，门禁打开，如果匹配不成功，就不打开。

(1)声音识别系统采集语音

员工通过麦克风将受到干扰的声音信号输入到声音识别系统，接下来，声音识别系统对该员工的声音进行时域分析、频域分析，得出对应的时域分析图和频域分析图。声音识别系统的声音采集如图2所示，对应的程序和波形如图3所示。

图2 声音识别系统声音采集

图3 采集员工声音的程序和图形

(2)FIR数字滤波器在声音识别系统中的应用过程

如果在输入语音的时候受到其他信号的干扰，形成新的频率，与声音识别系统匹配后，没有这个频率的声音，门禁系统就认为你不是这个公司的员工，会把你“拒之门外”。所以，在匹配之前需要将输入的声音信号通过滤波器，把噪声去除，再去匹配，是很有必要的。声音系统的识别匹配如图4所示。

图4 声音系统识别匹配

其中FIR数字滤波器设计尤为重要，合适的滤波器可以准确地去除噪声，还原语音信号，方便与系统库匹配，控制门禁的开关。根据语音的特点，我们设计的是巴特沃斯低通滤波器，程序和幅频如图5所示。

图5 实现FIR数字滤波器的程序及幅频

给原始输入语音信号随机加上一个噪声，听到的效果有杂音，经过设计的FIR数字滤波器后，比较采集的员工的波形图和频谱图，确实有滤除噪声的效果，使得整个声音识别匹配能正常运行。具体的程序与生成的波形如图6所示。

图6 滤除噪声的程序及波形

5 结 论

在未来的生活中，声音识别系统将会用到各个领域中，如我们早上进公司大门，不用进行人脸识别，不用进行指纹打开，只要轻启语音，门禁系统会自动为你开门。由于声音信号容易受到干扰，如市场现在比较流行的智能音箱，在用语音控制时就很容易受到周围环境的影响，而导致错误执行。如果在这些产品中加装一个滤波器，这些问题就会迎刃而解了。本次设计是基于MATLAB设计的FIR数字滤波器，能够准确地滤除噪声，即使外界环境非常嘈杂，系统也会准确无误地执行“命令”。