程 芳

(安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 安慶 246003)

0 引 言

由于每個(gè)人的聲音頻率不同，聲音和指紋一樣可以用作安全認(rèn)證，這樣不需要輸入繁瑣的密碼、指紋等就可以安全通行了。如將聲音識(shí)別系統(tǒng)安裝在家庭里，通過聲音識(shí)別可以開門和上鎖；安裝在家庭電器上，直接通過語音控制，可以完成拉開窗簾、打開電視等工作，方便了人們的生活。將聲音識(shí)別系統(tǒng)安裝在公司大樓里，通過聲音識(shí)別就可以辨識(shí)來人是否為公司員工。但是語音的頻率范圍在30～1 000Hz，很容易受到干擾。本文通過市場(chǎng)比較成熟的FIR(finice impulse response)數(shù)字濾波器來消除各種噪聲，保證聲音識(shí)別系統(tǒng)正常運(yùn)行，總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 聲音識(shí)別系統(tǒng)去噪總體設(shè)計(jì)

1 語音信號(hào)的特點(diǎn)

語音信號(hào)在非常長(zhǎng)的時(shí)間里是隨機(jī)的信號(hào)，但是在10～30 ms這樣短的時(shí)間內(nèi)，可以把它看成穩(wěn)態(tài)而時(shí)不變的信號(hào)。在對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，首先要對(duì)語音信號(hào)提取需要的特征參數(shù)。聲音屬于波的一種，它的重要參數(shù)包括頻率和頻譜。其中頻率決定了聲音的本質(zhì)，只要頻率不變，聲音就不會(huì)變化，它決定了音高；而聲音的大小是由頻譜所決定的。有了特征參數(shù)才能有效地對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行分析。依據(jù)特征參數(shù)的不同，研究方法分類也不同。若分析的是時(shí)間與對(duì)應(yīng)的幅度之間的關(guān)系則為時(shí)域分析，若分析的是頻率和頻譜之間的關(guān)系即為頻域分析。時(shí)域分析具有波形簡(jiǎn)單，計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)；頻域分析能將語音信號(hào)的功率反應(yīng)到頻譜上，意義更重大。本次設(shè)計(jì)中，既繪出語音信號(hào)的時(shí)域圖又繪出它的頻域圖，兩者進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)出最佳的FIR數(shù)字濾波器，去除噪聲。

2 噪聲的來源

對(duì)于有用信號(hào)，只要不是有用信號(hào)頻率范圍內(nèi)的都屬于噪聲。噪聲的來源有3種：一是外界環(huán)境的噪聲，二是機(jī)器噪聲，三是元件噪聲。外界環(huán)境噪聲，除了在錄音棚輸入語音信號(hào)，可以當(dāng)作無外界噪聲，像公司大樓的門禁系統(tǒng)，周邊的環(huán)境必然是車水馬龍，引起干擾是不可避免的；設(shè)備噪聲，是輸入信號(hào)的麥克風(fēng)、聲卡等設(shè)備而造成的噪聲，聲音通過麥克風(fēng)，將聲音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，處理后再轉(zhuǎn)換成聲音播放出來，由此可見聲音信號(hào)需要經(jīng)過很多設(shè)備才能最終播放出來，好的設(shè)備播出的聲音效果就好；元件噪聲指的是組成電路的電阻、二極管、三極管等元件形成的噪聲，主要有電阻元件所形成的熱噪聲，P-N結(jié)所形成的散彈噪聲和閃變?cè)肼暤?，這些元件如果在穩(wěn)定溫度下工作，引起的元件噪聲也會(huì)降低。噪聲的大小一般用信噪比來衡量[1]：

(1)

3 數(shù)字濾波器

濾波是數(shù)字濾波的主要作用，按照濾波器的幅度響應(yīng)分為低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器等[2]，如低通濾波器工作時(shí)選出低于某個(gè)頻段的信號(hào)，并放大，而其他頻段的信號(hào)或者噪聲將會(huì)抑制。有限脈沖響應(yīng)是根據(jù)輸入不同進(jìn)行分類，它是通過左右平移方法校正，相比較之下誤差要小點(diǎn)。綜合比較，我們這里選擇FIR數(shù)字濾波器去除噪聲。在設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器時(shí)窗函數(shù)法是常用的方法，用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器時(shí)，先需要根據(jù)wc和N求出相應(yīng)的理想濾波器單位脈沖響應(yīng)hd(n)。

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其中α是一個(gè)常數(shù)時(shí)刻，選擇合適的窗函數(shù)w(n)來截取hd(n)， 最后得到FIR濾波器單位脈沖響應(yīng)h(n)=hd(n)w(n)。

4 聲音識(shí)別系統(tǒng)基于FIR數(shù)字濾波器消除噪聲的過程

以某公司大樓的門禁為例，設(shè)計(jì)門禁能否通過識(shí)別聲音，來識(shí)別該人員是否是該公司的員工。設(shè)計(jì)分成兩個(gè)部分：一是利用聲音識(shí)別系統(tǒng)采集公司員工的聲音，記錄聲音的頻域并將聲音保存在系統(tǒng)庫(kù)里；二是員工通過語音輸入時(shí)會(huì)有噪音疊加進(jìn)入，需要通過去噪后，將聲音的波形圖和頻譜圖與聲音識(shí)別系統(tǒng)庫(kù)中的波形圖和頻譜圖進(jìn)行匹配，如果匹配成功，門禁打開，如果匹配不成功，就不打開。

(1)聲音識(shí)別系統(tǒng)采集語音

員工通過麥克風(fēng)將受到干擾的聲音信號(hào)輸入到聲音識(shí)別系統(tǒng)，接下來，聲音識(shí)別系統(tǒng)對(duì)該員工的聲音進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析，得出對(duì)應(yīng)的時(shí)域分析圖和頻域分析圖。聲音識(shí)別系統(tǒng)的聲音采集如圖2所示，對(duì)應(yīng)的程序和波形如圖3所示。

圖2 聲音識(shí)別系統(tǒng)聲音采集

圖3 采集員工聲音的程序和圖形

(2)FIR數(shù)字濾波器在聲音識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用過程

如果在輸入語音的時(shí)候受到其他信號(hào)的干擾，形成新的頻率，與聲音識(shí)別系統(tǒng)匹配后，沒有這個(gè)頻率的聲音，門禁系統(tǒng)就認(rèn)為你不是這個(gè)公司的員工，會(huì)把你“拒之門外”。所以，在匹配之前需要將輸入的聲音信號(hào)通過濾波器，把噪聲去除，再去匹配，是很有必要的。聲音系統(tǒng)的識(shí)別匹配如圖4所示。

圖4 聲音系統(tǒng)識(shí)別匹配

其中FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)尤為重要，合適的濾波器可以準(zhǔn)確地去除噪聲，還原語音信號(hào)，方便與系統(tǒng)庫(kù)匹配，控制門禁的開關(guān)。根據(jù)語音的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)的是巴特沃斯低通濾波器，程序和幅頻如圖5所示。

圖5 實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器的程序及幅頻

給原始輸入語音信號(hào)隨機(jī)加上一個(gè)噪聲，聽到的效果有雜音，經(jīng)過設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器后，比較采集的員工的波形圖和頻譜圖，確實(shí)有濾除噪聲的效果，使得整個(gè)聲音識(shí)別匹配能正常運(yùn)行。具體的程序與生成的波形如圖6所示。

圖6 濾除噪聲的程序及波形

5 結(jié) 論

在未來的生活中，聲音識(shí)別系統(tǒng)將會(huì)用到各個(gè)領(lǐng)域中，如我們?cè)缟线M(jìn)公司大門，不用進(jìn)行人臉識(shí)別，不用進(jìn)行指紋打開，只要輕啟語音，門禁系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)為你開門。由于聲音信號(hào)容易受到干擾，如市場(chǎng)現(xiàn)在比較流行的智能音箱，在用語音控制時(shí)就很容易受到周圍環(huán)境的影響，而導(dǎo)致錯(cuò)誤執(zhí)行。如果在這些產(chǎn)品中加裝一個(gè)濾波器，這些問題就會(huì)迎刃而解了。本次設(shè)計(jì)是基于MATLAB設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器，能夠準(zhǔn)確地濾除噪聲，即使外界環(huán)境非常嘈雜，系統(tǒng)也會(huì)準(zhǔn)確無誤地執(zhí)行“命令”。