基于Matlab&GUI语音信号处理平台的设计*

燕丽红

（西安欧亚学院信息工程学院 西安 710065）

1 引言

语音信号作为当今生活中最常用的信号被广泛引用［1～2］，而语音信号在信息的传输过程中的可靠性、有效性以及其他的一些问题也都不断地出现，不断被学者去攻克，而如今大数据崛起标志新时代的到来，对语音信号的处理更是要求及时、有效，可靠［3～4］。因此，本文首先对语音信号进行分析，并模拟通信信道的噪声进行加噪声音的分析，进而设计合理的滤波器进行语音信号的回复，主要通过Matlab及GUI人机界面进行了语音信号的处理，对于实际语音信号分析具有很重要的指导作用，同时对于学生进行信号处理类课程的学习奠定了一定的基础。

2 语音信号处理系统设计

2.1 语音信号处理总体框图

本系统主要通过麦克风、录音软件等形式进行语音信号的采集，并根据采样定理进行语音信号的离散化处理，并模拟具体的通信信道进行加噪语音信号的产生，进行通过数字信号处理系统设计相关理论进行滤波器设计，进而实现原始语音的回复。系统实现框图如图1所示。

图1 典型的语音信号处理框图

2.2 语音信号处理平台涉及的部分Matlab函数

audioread函数：读取MP3格式音频。

Freqz函数：计算线性系统的响应频率，包括幅频响应和相频响应。

rand函数：在某一信号中加入随机噪声。

cheb1ord函数：切比雪夫1型滤波器。

Filter函数：一维数字滤波器［5～8］。

3 基于Matlab的语音信号处理设计

3.1 原始语音的产生

首先通过格式工厂将自己的录音通过格式工厂进行转换成MP3，进而使用audioread函数进行调用并实现原始语音的产生。

fs=16000；

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

play（x）； %话音回放

N=length（x）； % 计算信号x的长度

n=0：N-1；

figure（1）；

plot（n，x1）；%画出原始语音信号的时域波形

图2 原始语音和加噪语音时域、频域图

3.2 噪声的处理

由于通信信道自带会有噪声，因此模拟信道进行随机噪声的产生［9］，进而模拟带噪信号进行设计。

L=length（x）；%计算音频信号的长度

n=0.04*randn（L，2）；%产生等长度的随机噪声信号

x_z=x+n；%将两个信号叠加成一个新的信号——加噪声处理

sound（x_z）；%对加噪后的语音信号进行分析

n=length（x）；%选取变换的点数

x_zp=fft（x_z，n）；%对n点进行傅里叶变换到频域

f=fs*（0：n/2-1）/n；%对应点的频率

3.3 滤波器的设计

根据语音信号的特点，设计数字滤波器［10］，对加噪后的语音信号进行滤波处理。

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）；

图3 巴特沃斯过滤前后对比图

通过图形可以明显看出，采用巴特沃斯滤波器进行的语音信号处理很好地进行了还原。

4 基于GUI的语音信号处理平台设计

4.1 设计思路

结合语音信号处理的框图，通过GUI设计人机交互界面［11～12］，方便用户进行原始信号，加噪信号，及滤波器设计等模块的设计，对不同的模块设计其相应的属性进行控件的设置，通过与Matlab产生的信号进行对比和设计，对于用户对信号的分析可以更有效和直观［13～15］。

4.2 语音信号处理平台设计

首先在GUI界面中，构建人机交互界面，包含原始语音、加噪语音、滤波器实现方法（脉冲响应不变法、双线性变换法）及退出模块，通过设置控件属性，调整控件大小，设计的语音信号处理平台如图4所示。

图4 基于GUI的语音信号处理平台框架

4.3 加噪后的设计界面

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；%将所加噪声信号的点数调整到与原始信号相同

d=［Au*cos（2*pi*5000*t）］'；%噪声为 5kHz的余弦信号

x2=10*x1+d；

y2=fft（x2，512）；

handles.x1=x2

guidata（hObject，handles）；

axes（handles.axes2）；

plot（t，x2）

title（‘加噪后的信号’）；

图5 基于GUI的加噪语音信号的产生

4.4 滤波器设计界面

%---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）

图6 基于GUI的滤波器设计的原始语音信号的还原

5 结语

语音信号处理作为信号处理的典型应用之一，如何有效、快捷地进行系统的设计和分析，是满足当今大数据处理时代要求高效、可靠的基本条件，本文通过Matlab进行语音信号的采集和处理，通过通过GUI界面设计了语音信号处理平台，方便用户进行系统有效的分析和处理。而在图形可视化界面设计过程中，还可以将其设计的滤波器系统保存为.txt文件，从而方便在其他平台上的数据处理和分析。这将对用户进行DSP处理器进行系统设计带来很大的便利，也将会是用户在工程应用上的一个有效的数据分析工具。