MATLAB - First Step in Audio Processing

MATLAB音频录制与时域频域显示

MATLAB中有各种形式的数据输入函数，其强大而全面的数据读取功能让我们可以使用函数将视频数据、音频数据读取、存储到工作区内。对于视频和音频，进行数学操作和运算后的具体效果可以很直观地被感受到，例如将视频降采样、将音频通过滤波器等。

本篇博客中，我们将使用MATLAB实现电脑音频输入，音频的频谱分析与音频的滤波。

基本内容

1.音频的录制与导入

MATLAB对音频提供了两种对象——audiorecorder与audioplayer。

audiorecoder可以以特定的采样率、时长、分辨率、声道数等录制音频。在初始化好这个对象之后，使用record和recordblocking函数均可以开始录制音频。

record使用非阻滞模式——即调用后会在继续执行之后的代码的同时进行录音。而recordblocking使用阻滞模式，在调用后到录制完成前都不会向下继续运行代码。对于record函数，可以将audiorecoder对象作为参数使用pause和stop函数暂停和停止录音。

而在录音完成后，可以使用play函数和playblocking函数来播放audiorecoder对象，其播放模式和record与recordblocking同理。

audioplayer基本参数和audiorecoder类似，但是并不具有录音的功能。

想要导入具体的音频数据到工作区，可以使用getaudiodata函数，数据将会以向量的形式存储在工作区，可以使用plot函数绘制出来。

2.音频数据的处理

将音频数据导入到工作区后，处理的过程就和普通的数据别无二致了。可以使用fft函数进行快速傅里叶变化，查看频谱信息；可以使用函数运算，在时域和频域进行变换和运算；当然，也可以使用MATLAB内置的滤波器对象和滤波器函数filter，对数据进行滤波。

在这里我们选取了fft和filter进行实验，先将原始音频数据的时域和频域绘出，经过滤波器后，再将处理过后的音频数据在时域和频域绘出。

绘制频域图像的方法在MATLAB相关教材、DSP相关教材和MATLAB官方帮助的示例中都有详细的解释，这里就不多提了。

3.FDA Tool中的滤波器设计

Filter Design&Analysis Tool 是MATLAB提供的滤波器设计与分析工具，在这个工具中，我们可以选取各种类型的FIR滤波器与IIR滤波器进行设计，并输出滤波器参数或滤波器对象到工作区或保存为MATLAB函数。在本篇中我们主要尝试对录入或读入的音频信号进行处理，所以主要需要注意的是滤波器采样率的设定，该数值一定要和你创建的audioplayer或audiorecoder中的参数对应。

具体的设计方法非常的自动化，只要调整好各项参数，如：滤波器的截止频率、通频带、增益分贝数、滤波器阶数等即可。

如果在MATLAB内部操作的话，建议将设计好的滤波器导出为MATLAB的滤波器对象，而如果想要将滤波器运用在DSP、ARM器件（例如使用CMSIS内核的STM32与MSP432），或其他编程语言的环境，可以将滤波器的一些系数作为数组导出。

如果不使用FDA Tool的话，也可以使用MATLAB可以直接调用的滤波器设计函数如fircls,firls,fir1,fir2等函数实现滤波器。

4.音频对象的建立与播放

将数据变化为可播放的对象十分简单，只需要利用audioplayer(data,Fs)去建立一个音频对象，并使用play去播放即可。

其中data对应单纯的音频数据，Fs对应采样率。如果两者不对应的话，可能会出现快放或者慢放的效果，当然也可以利用这个来做一些特殊的的事情。

程序流程

在本篇的程序中，将按序执行以下几件事：

1. 以44100的采样率录制5秒的音频。
2. 绘制录入音频数据的波形与其快速傅里叶变换得到的频谱波形
3. 将音频数据经过一个滤波器对象的处理
4. 绘制处理后的音频数据的波形与其频谱波形
5. 播放处理后的音频
6. 播放原始音频

代码

recObj = audiorecorder;

Fs =  44100; 	% sample rate
seconds = 5;	% total length of audio
nBits = 16 ; 	
nChannels = 2 ; 
ID = -1; 		% default audio input device 
recObj = audiorecorder(Fs,nBits,nChannels,ID);

total_samples = seconds*Fs;

disp('Start speaking.')
recordblocking(recObj,seconds);
disp('End of Recording.');

data = getaudiodata(recObj);

subplot(2,2,1);
plot(data);


fftresult = fft(data);

f = linspace(0,Fs/2,total_samples/2+1);
subplot(2,2,2);
plot(f,abs(fftresult(1:total_samples/2+1)))

axis([0 5000 0 2000])	% axis of the plot should be tuned depending on data 

% Design your Filter Object Hd here 

FIR_data = filter(Hd,data);

t = linspace(0,seconds,total_samples);
t = [t',t'];

k = 1:total_samples;

new_audio =  audioplayer(FIR_data, Fs);

fftresult_alter = abs(fft(FIR_data));

subplot(2,2,3);
plot(FIR_data);

subplot(2,2,4);
plot(f,fftresult_alter(1:total_samples/2+1))
axis([0 5000 0 2000])	% axis of the plot should be tuned depending on data 

playblocking(new_audio);
play(recObj);

图片待补充——2020.11.15 by Jzjerry

参考

音频和视频 - MATLAB & Simulink - Mathworks 中国

快速傅里叶变换 - MATLAB & Simulink - Mathworks 中国

数字和模拟滤波器 - MATLAB & Simulink - Mathworks 中国

基于Matlab dsp工具箱 的实时音频采集及频谱显示 - Panda_1875的博客 - CSDN