基于MatlabGUI的語音信號去噪處理

郭思夢+張培玲

【摘 要】應用數字濾波器的理論和設計方法，在Matlab軟件開發環境下分別通過脈沖響應不變法和雙線性變換法設計出了無限長單位沖激響應（IIR）數字濾波器，并借助Matlab圖形用戶界面（GUI）設計了IIR數字濾波器人機交互界面，使得該系統平臺界面簡潔直觀，操作方便且功能齊全，最終實現了對加有噪聲語音信號的去噪處理。通過對比仿真結果表明：切比雪夫Ⅱ型低通濾波器對加有噪的語音去噪效果最佳。

【Abstract】By using the theory and design method of digital filter， the IIR digital filter is designed by impulse response method and bilinear transformation method in Matlab software development environment， and with the help of Matlab GUI， the human-computer interaction interface of IIR digital filter is designed， the system interface is simple and intuitive， easy to be operated and complete function， and de-nosing process of voice signal is realized. Comparing the simulation results， the results show that Chebyshev Ⅱ type has much more function of de-nosing process of voice signal.

【關鍵詞】Matlab GUI ；IIR數字濾波器；語音信號；去噪

【Keywords】Matlab GUI；IIR digital filter； voice signal； de-noising

【中圖分類號】TN912 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0147-02

1 引言

基于Matlab的M文件對語音信號的分析具有程序修改復雜、不直觀等缺點。本文利用Matlab圖形用戶界面（GUI）的操作靈活、界面簡潔直觀等優點，采用了巴特沃斯、橢圓、切比雪夫Ⅰ型和切比雪夫Ⅱ型四種模擬濾波器，并分別由脈沖響應不變法、線性變換法轉換為數字濾波器，對添加了噪聲的語音信號進行去噪處理，通過濾波器去噪后的信噪比對比表明：使用脈沖響應不變法由模擬轉數字的切比雪夫Ⅱ型濾波器對污染語音信號的去噪效果最佳。

首先是對無噪語音進行頻譜分析，然后對其加噪聲并對加噪后的語音進行頻譜分析。分別采用脈沖響應不變法和雙線性變換法設計出了無限長單位沖激響應（IIR）數字濾波器，并完成對加噪語音的去噪處理。通過計算比較去噪后語音信號的信噪比不同從而得出不同類型濾波器的優劣。最終借助GUI設計了語音信號去噪系統的圖形用戶界面，增強了系統程序的可視性和友好性。

2 語音信號去噪處理的GUI實現

Matlab的GUI是一個由坐標軸、按鈕、級聯菜單、動靜態文本等圖形對象組成的一個用戶與計算機交互的圖形窗口。用戶通過編寫程序，激活這些圖形對象，使計算機實現相應的變化，以完成用戶需要的功能。比如，實現計算和圖像顯示等。

本文的GUI包含2個靜態文本（區分脈沖響應不變法和雙線性變換法）、13個按鈕（實現語音播放、不同種濾波器的濾波及信噪比的計算）和3個坐標軸（顯示時域、頻域波形、濾波器的頻率響應及信噪比對比）。

2.1 噪聲信號及頻譜分析

本文選用高斯噪聲作為噪聲信號，高斯噪聲可由Matlab軟件中的隨機函數Randn得到。Randn函數的調用格式為：Randn（m，n）。點擊“加載數據”及“添加高斯噪聲”按鈕后，會在GUI界面上顯示出高斯噪聲的時域與頻域波形。

2.2 原始語音信號及頻譜分析

原始語音信號可以選用Matlab自帶的聲音，也可是自己錄制一段聲音。由于人聲的頻率范圍為0.3～3.0kHz，且較多分布在低頻范圍。本文自錄一段聲音，內容為“語音信號”。點擊“無噪語音播放”按鈕，會顯示出無噪語音的時域與頻域波形。可以觀察到無噪語音的頻率分布在1.0kHz以內。

2.3 帶噪語音信號及頻譜分析

點擊“加噪后語音信號”按鈕，會顯示出加噪后語音信號的時域、頻域波形。可觀察出帶噪語音信號的時域信號的幅值較無噪語音信號有所增加，頻率分布則從1.0kHz以內分布到2.0kHz。因此，為濾除噪聲，應選用低通濾波器進行濾波。

2.4 帶噪語音濾波后的頻譜分析

本文選用了四種濾波器：巴特沃斯濾波器、橢圓濾波器、切比雪夫Ⅰ型濾波器和切比雪夫Ⅱ型濾波器。巴特沃斯濾波器的特點是通頻帶的頻率響應曲線最平滑；橢圓濾波器的特點是通帶和阻帶等波紋；切比雪夫Ⅰ型濾波器的特點是通帶（或稱“通頻帶”）上頻率響應幅度等波紋波動；切比雪夫Ⅱ型濾波器的特點是阻帶（或稱“阻頻帶”）上頻率響應幅度等波紋波動。

由于四種濾波器的頻率響應特點各不相同，其濾波效果也有所不同。為了進行更全面深入的對比，本文將一種濾波器的濾波實驗又分為兩類，以巴特沃斯濾波器為例，先設計出巴特沃斯模擬濾波器，再分別使用兩種方法——脈沖響應不變法和雙線性變換法將模擬濾波器轉換為數字濾波器，以便觀察哪種轉換方法的去噪效果更好。

2.5 不同濾波器前后信噪比的對比

僅由去噪后語音信號的時域、頻域波形很難觀察出不同濾波器的濾波效果的優劣，為將濾波效果直觀化，本文對濾波前后的語音信號的信噪比進行了計算，點擊“計算信噪比”按鈕，會顯示出八種濾波器濾波前后的信噪比對比柱狀圖，使得實驗結果的觀察更加具體和可靠。從左至右依次為巴特沃斯濾波器、橢圓濾波器、切比雪夫Ⅰ型濾波器和切比雪夫Ⅱ型濾波器的濾波前后信噪比對比。由柱狀圖可以直觀地看出，通過脈沖響應不變法由模擬轉數字的切比雪夫Ⅱ型低通濾波器去噪效果最顯著。

3 結語

本文設計了四種類型的模擬低通濾波器分別在兩種不同的轉換方法（脈沖響應不變法、雙線性變換法）下得到的八種數字濾波器，在圖形用戶界面下詳細對比分析了八種數字濾波器對帶噪語音的去噪效果，并通過信噪比的計算最終表明：通過脈沖響應不變法由模擬轉數字的切比雪夫Ⅱ型低通濾波器去噪效果最顯著。

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