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摘要：MATLAB是一款數(shù)據(jù)分析和處理功能都非常強大的科技應用軟件，利用它可以靈活方便地分析處理音頻信號。文章介紹了用MATLAB軟件處理音頻信號的基本流程，并以實例形式列出了幾款技術實現(xiàn)程序。
　　關鍵詞：MATLAB；數(shù)字信號處理；音頻信號；脈沖編碼調(diào)制；數(shù)字濾波

1 引言
　　
　　MATLAB是美國Math Works公司推出的一種面向工程和科學計算的交互式計算軟件。它以矩陣運算為基礎，把計算、可視化、程序設計融合在一個簡單易用的交互式工作環(huán)境中，是一款數(shù)據(jù)分析和處理功能都非常強大的工程實用軟件。本文介紹了用MATLAB處理音頻信號的基本流程，并以實例形式列出了常用音頻處理技術實現(xiàn)程序。
　　
　　2 MATLAB處理音頻信號的流程
　　
　　分析和處理音頻信號，首先要對聲音信號進行采集，MATLAB 的數(shù)據(jù)采集工具箱提供了一整套命令和函數(shù),通過調(diào)用這些函數(shù)和命令,可直接控制聲卡進行數(shù)據(jù)采集[1]。Windows自帶的錄音機程序也可驅(qū)動聲卡來采集語音信號，并能保存為WAV格式文件，供MATLAB相關函數(shù)直接讀取、寫入或播放。本文以WAV格式音頻信號作為分析處理的輸入數(shù)據(jù)，用MATLAB處理音頻信號的基本流程是：先將WAV格式音頻信號經(jīng)wavread 函數(shù)轉(zhuǎn)換成MATLAB列數(shù)組變量；再用MATLAB強大的運算能力進行數(shù)據(jù)分析和處理，如時域分析、頻域分析、數(shù)字濾波、信號合成、信號變換、識別和增強等等；處理后的數(shù)據(jù)如是音頻數(shù)據(jù)，則可用wavwrite轉(zhuǎn)換成WAV格式文件或用sound、wavplay等函數(shù)直接回放。下面分別介紹MATLAB在音量標準化、聲道分離合并與組合、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等音頻信號處理方面的技術實現(xiàn)。
　　
　　3 音量標準化
　　
　　錄制聲音過程中需對聲音電平進行量化處理，最理想的量化是最大電平對應最高量化比特，但實際卻很難做到，常有音輕問題。利用MATLAB很容易實現(xiàn)音量標準化，即最大電平對應最高量化比特。基本步驟是：先用wavread函數(shù)將WAV文件轉(zhuǎn)換成列數(shù)組變量；再求出數(shù)組變量的極值并對所有元素作歸一化處理；最后用wavwrite函數(shù)還原成音量標準化的WAV文件。
　　例1：現(xiàn)以微軟自帶的“Windows XP 關機.wav”音頻信號為例，先將其復制另存到文件名為XPexit.wav的MATLAB當前目錄中，再通過音量標準化處理后保存為XPquit.wav文件。實現(xiàn)程序如下：
　　clear; close all; clc;
　　[Y,FS,NBITS]=wavread('XPexit.WAV');% 將WAV文件轉(zhuǎn)換成變量

FS,NBITS,% 顯示采樣頻率和量化比特
　　Ym=max(max(max(Y)),max(abs(min(Y)))),% 找出雙聲道極值
　　X=Y/Ym;% 歸一化處理
　　wavwrite(X,FS,NBITS,'XPquit.wav')% 將變量轉(zhuǎn)換成WAV文件
　　試聽可知標準化處理后音量稍大。
　　
　　4 聲道分離合并與組合
　　
　　立體聲或雙聲道音頻信號有左右兩個聲道，利用MATLAB實現(xiàn)雙聲道分離、兩路聲道合并和兩個單聲道組合成一個雙聲道等效果，實際上是利用了MATLAB的矩陣抽取、矩陣相加和矩陣重組運算。
　　例2：現(xiàn)以例1生成的XPquit.wav為例，實現(xiàn)分離、合并和組合處理的程序如下：
　　clear; close all; clc;
　　[x,FS,NBITS]=wavread('XPquit.WAV');% 將WAV文件轉(zhuǎn)換成變量
　　x1=x(:,1);% 抽取第1聲道
　　x2=x(:,2);% 抽取第2聲道
　　wavwrite(x1,FS,NBITS,'XPquit1.WAV');% 實現(xiàn)1聲道分離
　　wavwrite(x2,FS,NBITS,'XPquit2.WAV');% 實現(xiàn)2聲道分離
　　%如果合并位置不對前面補0 %聲道長度不對后面補0
　　x12=x1+x2;% 兩路單聲道列向量矩陣變量合并
　　x12m=max(max(x12),abs(min(x12))),% 找出極值
　　y12=x12./x12m;% 歸一化處理
　　wavwrite(y12,FS,NBITS,'XPquit12.WAV');% 實現(xiàn)兩路聲道合并
　　%如果組合位置不對前面補0--聲道長度不對后面補0
　　x3=[x1,x2];% 兩路單聲道變量組合
　　wavwrite(x3,FS,NBITS,'XPquit3.WAV');% 實現(xiàn)兩路聲道組合
　　可以試聽聲道分離、合并與組合的效果，也可對各文件大小進行比較。
　　
　　5 數(shù)字濾波
　　
　　數(shù)字濾波是常用的音頻處理技術?？筛鶕?jù)技術指標，先利用FDATool工具，設計一個數(shù)字濾波器[2]，再用Filter或Filter2函數(shù)即可實現(xiàn)濾波處理。調(diào)用的Filter函數(shù)格式是：Y = filte (B,A,X) 。其中，B和A是濾波器傳輸函數(shù)的分子和分母系數(shù)，X是輸入變量，Y是實現(xiàn)濾波后的輸出變量。如果處理立體聲音頻信號，可分開處理，但用FIR濾波器時調(diào)用Filter2函數(shù)更方便。
　　例3：現(xiàn)以例2生成的XPquit12.wav為例，實現(xiàn)數(shù)字濾波的程序如下：
　　clear; close all; clc;
　　[X,FS,NBITS]=wavread('XPquit12.WAV');% 將WAV文件轉(zhuǎn)換成變量
　　%利用FDATool設計一個LowpassButterworth濾波器
　　%指標FS=22050Hz Fp=1000Hz Ap=1dB Fs=3000Hz As=20dB
　　B =[0.0062,0.0187,0.0187,0.0062];% 分子系數(shù)
　　

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　　A =[1,-2.1706,1.6517,-0.4312];% 分母系數(shù)
　　Y=filter(B,A,X);% 實現(xiàn)數(shù)字濾波
　　t=(0:length(X)-1)/FS;% 計算數(shù)據(jù)時刻
　　subplot(2,2,1);plot(t,X);% 繪制原波形圖
　　title('原信號波形圖');% 加標題
　　subplot(2,2,3);plot(t,Y);% 繪制濾波波形圖
　　title('濾波后波形圖');% 加標題
　　xf=fft(X);% 作傅里葉變換求原頻譜
　　yf=fft(Y);% 作傅里葉變換求濾波后頻譜
　　fm=3000*length(xf)/FS;% 確定繪頻譜圖的上限頻率
　　f=(0:fm)*FS/length(xf);% 確定繪頻譜圖的頻率刻度
　　subplot(2,2,2);plot(f,abs(xf(1:length(f))));% 繪制原波形頻譜圖

title('原信號頻譜圖');% 加標題
　　subplot(2,2,4);plot(f,abs(yf(1:length(f))));% 繪制濾波后頻譜圖
　　title('濾波后信號頻譜圖');% 加標題
　　wavwrite(Y,FS,NBITS,'XPquitFilter.WAV');% 寫成WAV文件
　　程序運行結果如圖1所示。由圖可知，濾波對波形影響不大，但對高頻有較大衰減。試聽會感覺到處理后的聲音比較沉悶。
　　
　　6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
　　
　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是指改變音頻格式中的采樣頻率或量化位數(shù)。轉(zhuǎn)換原理是：先用矩陣插值或抽取技術實現(xiàn)變量變換，如果是抽取數(shù)據(jù)還需在變換前作濾波處理使之滿足采樣定理；變量變換完成后再用Wavwrite函數(shù)重新定義量化位數(shù)和采樣頻率即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，要注意采樣頻率與原始采樣頻率及插值或抽取系數(shù)的關系。MATLAB實現(xiàn)插值或抽取的函數(shù)有decimate、interp和resample，具體應用可參考有關文獻[3]。這果以2倍抽取為例，將例3中經(jīng)過濾波后產(chǎn)生的XPquitFilter.WAV文件進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。具體程序如下：
　　clear; close all; clc;
　　[x,FS,NBITS]=wavread('XPquitFilter.WAV');% 將WAV文件轉(zhuǎn)換成變量
　　N=length(x);% 計算數(shù)據(jù)點數(shù)
　　% 不是偶數(shù)點化成偶數(shù)點
　　if mod(N,2)==0; N=N; else x(N)=[]; N=N-1; end;
　　% 原信號波形頻譜分析
　　tx=(0:N-1)/FS;% 計算原信號數(shù)據(jù)點時刻
　　subplot(3,2,1);plot(tx,x);% 繪制原信號波形
　　title('原信號波形圖');% 加標題
　　xf=fft(x);% 求原信號頻譜
　　fx=(0:N/2)*FS/N;% 確定頻譜圖頻率刻度
　　subplot(3,2,2);plot(fx,abs(xf(1:N/2+1)));% 繪制原信號頻譜
　　title('原信號頻譜圖');% 加標題
　　% 實現(xiàn)數(shù)據(jù)抽取
　　k=[1:N/2];% 確定抽取位置
　　y=x(2*k);% 實現(xiàn)抽取后的數(shù)據(jù)
　　M=length(y);% 計算抽取后數(shù)據(jù)點數(shù)
　　% 抽取數(shù)據(jù)在原采樣頻率FS下的波形頻譜分析
　　ty=(0:M-1)/FS;% 計算數(shù)據(jù)點時刻
　　subplot(3,2,3);plot(ty,y);% 繪制信號波形圖
　　title('原采樣率下新波形圖');% 加標題
　　yf=fft(y);% 求頻譜
　　fy=(0:M/2)*FS/M;% 確定頻譜圖頻率刻度
　　subplot(3,2,4);plot(fy,abs(yf(1:M/2+1)));% 繪制頻譜圖
　　title('原采樣率下新頻譜圖');% 加標題
　　% 抽取數(shù)據(jù)在FS/2采樣頻率下的波形頻譜分析
　　tz=(0:M-1)/(FS/2);% 計算數(shù)據(jù)點時刻
　　subplot(3,2,5);plot(tz,y);% 繪制信號波形圖
　　title('新采樣率下新波形圖');% 加標題
　　fz=(0:M/2)*(FS/2)/M;% 確定頻譜圖頻率刻度
　　subplot(3,2,6);plot(fz,abs(yf(1:M/2+1)));% 繪制頻譜圖
　　title('新采樣率下新頻譜圖');% 加標題
　　% 實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
　　wavwrite(y,FS/2,NBITS,'XPquit16B.WAV');% 音頻格式PCM 11025Hz 16位
　　wavwrite(y,FS/2,NBITS/2,'XPquit8B.WAV');% 音頻格式PCM 11025Hz 8位
　　運行程序，在得到的圖形窗口中，執(zhí)行Edit/Axes Properties…命令，再把各分圖下X標簽中的Limits設為0、0.01和0、1000，得到0—0.01秒的波形和0—1000Hz的頻譜如圖2所示。由圖可知，在滿足采樣定律條件下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)抽取，在原采樣率下波形變密、頻譜變寬且幅度減半，但在新采樣率下波形和頻譜都很好。通過試聽輸出文件還可感受處理效果。

7 結束語
　　
　　MATLAB提供了許多專用工具箱，靈活利用這些工具箱和函數(shù)，可以實現(xiàn)很多信號處理任務。同時，MATLAB還支持用戶對其函數(shù)進行二次開發(fā)，以滿足不同要求。在信號處理過程中，MATLAB兼顧了專用工具軟件的簡單性和計算機程序語言的靈活性,特別是處理效果的可視性和可感知，有利于理解信號處理的本質(zhì)，有利于激發(fā)學習和研究興趣，也有利于培養(yǎng)MATLAB軟件的操作技能。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 陳宇鋒.基于聲卡和MATLAB的語音信號采集和處理[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2006(5):49-51.
　　[2] 張登奇.基于MATLAB的IIR數(shù)字濾波器設計[J].湖南理工學院學報,2007(3):26-29.
　　[3] Sanjit K.Mitra.數(shù)字信號處理[M].孫洪等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.
　　[4] 張志涌等.精通MATLAB6.5版[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.