基于MATLAB语音信号处理(语音信号处理的综合仿真)(5)
图4 原始信号波形图和频谱图
如图中波形图所示，整段语音信号中的波形的高低起伏与录入的声音信号基本上一致；而通过频谱图可以发现，大部分音频信号的频谱分布在3000Hz以下而且原始信号中并没有没有太多的高频噪声。主要能量集中在20~1000Hz的范围内。上图需要作为文章后续工作中所有信号的参考标准，如果滤波处理后得到的波形和频谱与图4越接近，那么说明滤波效果就越好。也可以采用这种滤波器进行日后的研究。
4.2.2 语音信号的调整
语音信号处理时，需要进行倍频和倍幅的调整。而且在日常应用中，这种变换调整也是经常要用到的。所以在本次设计中也实现了这种功能。通过波形图可以观察到前后的信号变化，而且能通过sound指令试听处理后的语音信号。频率的变换可以模拟变换声音，频率快了以后，就可以实现男生变为女声。还可以通过幅度的变化模拟增减语音信号的音量。经过MATLAB仿真后得到频率和幅度调整前后波形图如图5所示。
图5 频率和幅度调整前后波形图
从上图可以看出，频率调整后，采样频率提高一倍，就得到了语音信号频率为原频率两倍的语音信号。发现语音信号的周期明显变为了原始信号的一半，通过试听发现此时的语速明显变快，即实现了信号的倍频功能。相当于变换了人声，实现男声变为女声。而幅度调整是将原语音信号的幅度提高一倍。与原语音信号相比，幅度调整两倍后可以听到调整后声音音量变大，这说明幅度调整后是有效果的，相当于放大了音量。
4.2.3 语音信号添加噪声
图4中的语音信号中并没有包含多少背景噪声，这里利用MATLAB软件中的指令为其加入一些随机噪声来模拟环境中的不同噪声。然后通过滤波器进行滤波处理。得到的波形与原图即图4比较，选择一种滤波效果好的滤波器。使用randn指令对信号加入随机噪声，可以模拟一下周围嘈杂的环境的声音，或者是别的能够影响人声信息的噪声。添加随机噪声后的波形和频谱图如图6所示。
图6 添加随机噪声后的波形和频谱图
图6表明，加入噪声后的语音信号与原信号相比较，无论是波形图还是频谱图，明显的都多了一些高频噪声，在原有的基础上加上了背景的噪声，使用sound指令后可以清楚的听到背景声音变的很刺耳。
4.2.4 语音信号的滤波
(1) 语音信号的低通滤波
首先是低通滤波器的设置，在选取性能指标时，观察到语音信号的采样频率是22050Hz，而且为单声道的声音，从音频图可以看出来，声音的能量集中在0.1pi也就是1102.5Hz以下，其余部分能量较少。低通滤波器性能指标：通带截止频率wp=0.075pi，阻带截止频率ws =0.125pi，通带波纹Rp=0.25；阻带衰减As=50dB；中心频率是fp=1500；在使用低通滤波器后，可以得到滤波前后的波形，使用subplot指令将figure分为两部分，然后用plot来输出波形，这样可以很好的比较前后的波形和频谱图形。低通滤波后波形和频谱图如图7所示。
图7 低通滤波后波形和频谱图
添加随机噪声后的语音信号经过低通滤波器处理后，比较处理前后的波形图和频谱图，看到大部分的噪声很明显的滤除掉了，如图7第一部分所示。可以和图4比较，发现波形的轮廓与原始信号的波形很类似。图7中第二部分可明显看出，高频部分被明显的滤除掉，说明低通滤波器工作正常；与图4比较后可以发现，很好的保留了含有高能量部分的频率，滤除的效果通过sound指令回放后，可以听到低通滤波后的声音稍微有些发闷、低沉，原因是高频分量被低通滤波器衰减。但是很接近原来的声音。可以再通过语音信号的调整，调用指令sound（4*h,fs,bits）将声音幅值放大4倍，达到补偿的目的。