基于MATLAB/FDAtool语音信号处理系统设计

燕丽红 陈莲琴 杨润 景鸿鹏

摘要：语音信号作为通信传输的主要信号，如何在進行通信之前保证信道传输的信号的有效性，对语音信号进行一定的分析和模拟研究就具有很重要的指导意义。该文通过编写M文件进行语音信号的产生、噪声信号的实现及相应滤波器设计，同时通过matlab自带的滤波器工具FDAtool进行了滤波器的设计和分析，在FDAtool中可以很快捷地得到信号各类的频谱图和时域特性图，便于用户进行滤波器系统分析，更好地作用于系统的设计，方便用户进行实际语音信号分析和处理。

关键词：语音信号；随机噪声；滤波器设计；MATLAB/ FDAtool

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）21-0222-02

1 引言

语音信号是人们生活中常用的信号之一，特别是在通信传输过程中，语音信号占有不可低估的地位，如何保证语音信号在通信信道传输过程中的有效性和可靠性，那么对原始语音信号的处理就显得尤为重要。本文在采样定理，滤波器设计相关理论的基础上，对实际的语音信号模拟通信信道信号的传输进行处理和分析，尤其是通过不同滤波器的设计比较，对进一步进行系统性能分析和应用奠定了一定的设计基础。

2 语音信号处理系统总体设计

本系统通过录制一段语音，在一定的采样频率作用下，与模拟通信信道的噪声合成产生信道传输的信号，并根据信号特点，设置一定的参数，设计相应的滤波器，最终实现对含有噪声的语音信号的处理和分析。

2.1时域采样定理

在进入信道之前，首先要将信号进行模数转换，把模拟信号转化为数字信号，为了使信号处理能够不发生失真，信号的采样速度必须满足奈奎斯特抽样定理，一般取信号频率上限的4-5倍作为采样频率。

2.2部分函数介绍

Freqz：求系统函数；

Buttord：巴特沃斯滤波器设计函数；

Cheb1ord： 切比雪夫滤波器设计函数；

Ellip：椭圆滤波器设计函数；

fft：对信号进行频谱处理；

Length：求信号长度，采样点数。

3 语音信号的处理与分析

3.1 语音信号的采集与分析

（1）利用格式工厂软件剪辑一段格式为.mp3的语音，时间控制在10秒左右。对连续信号和系统，可以通过时域采样，应用DFT进行近似谱分析。

（2）利用函数audioread函数对音频信号进行采集，利用play进行语音信号的播放。

3.2噪声信号的产生

为了更好地模拟通信信道进行数据传输的过程，在原始语音的基础上加入随机噪声进行信道传输的信号。通过randn函数进行随机信号的产生，主要程序为：

3.3滤波器设计

滤波器设计主要是对通过信道之后的信号进行平滑滤波，以更好地恢复原始信号。本设计采用两种方法进行滤波器的设计。典型的模拟滤波器有巴特沃斯（Butterworth）滤波器、切比雪夫（Chebyshev）滤波器、椭圆（Ellipse）滤波器、贝塞尔（Bessel）滤波器等 。

3.3.1基于函数的滤波器设计

本系统主要采用巴特沃斯滤波器进行语音信号的恢复处理。

3.3.2基于FDAtool的滤波器设计

FDAtool是MATLAB自带的滤波器设计工具，具有更好的直观性，可调性强的特点，而且还具有与M文件的接口，方便与M文件进行系统的设计。本文在对信道传输的信号特点进行分析后，通过FDAtool界面调整对应滤波器的参数，分析其幅频特性图，能灵活地进行语音信号处理系统的分析。

在FDAtool中，可以根据设定的参数进行直观，快速地进行系统设计，并及时进行调整，以便更好地还原信号。因此在本系统中借助该工具，有效地进行了参数的设置，方便地进行了信号处理。

3.4语音信号的处理效果分析

加噪声的信号通过滤波器作用后，其效果如下图所示。

在使用巴特沃斯低通滤波器对加入噪音之后的音频信号进行滤波处理之后，可以很明显地看出在巴特沃斯低通滤波器的作用下将大部分加入的噪音信号滤去，去噪之后的频域波形图和原始信号频域波形图近似，说明滤波器设计成功。

4 总结

本文通过对自己录制的一段语音信号模拟通信信道传输的信号进行滤波器设计，采用函数和FDATOOL工具两种方法进行了滤波器设计与分析，其中FDAtool对于系统性能分析具有直观性，操作方便，灵活，函数设计滤波器具有简单快捷的特点，通过滤波器设计最终实现对实际语音信号的处理与分析，对后续进行通信系统和信息系统信号处理奠定了一定的应用基础。

参考文献：

[1] 丛玉良.数字信号处理原理及其MATLAB实现.第3版[M].北京：电子工业出版社，2015.

[2] 燕丽红.基于Matlab/GUI的音乐播放器设计[J].现代电子技术，2015，439（8）：114-116.

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[4] 闻绍飞，刘纪红，孙宇舸.MATLAB在数字信号处理实验教学中的研究[J].实验室科学，2016，19 （5）：74-75.

[5] 刘惠敏，王龙.语音信号处理系统设计[J].中山大学研究生学刊：自然科学医学版），2016（2）：68-82.

【通联编辑：朱宝贵】