基于LabView的語音信號分析系統(tǒng)

1、湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)學(xué)號業(yè)設(shè)計(論文) 題目: 基于LabVIEW的語音信號分析系統(tǒng)的設(shè)計 作 者 賈 邦 穩(wěn) 屆 別 2015 屆 院 別 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 指導(dǎo)教師 彭仕玉 職 稱 副教授 完成時間 2015 年 5 月 摘 要虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，實現(xiàn)了儀器的智能化、模塊化、多樣化等功能，體現(xiàn)出多功能、低成本等操作優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊。隨著計算機的出現(xiàn)及計算機技術(shù)的快速發(fā)展，語音信號處理技術(shù)更是得到了飛速發(fā)展，得到了廣泛的應(yīng)用，如語音合成技術(shù)、語音壓縮編碼和語音識別技術(shù)。本設(shè)計利用虛擬儀器軟件平臺LabVIEW 設(shè)計了一個語音信號

2、分析系統(tǒng)。先介紹了四種采集語音信號的方法，并選擇采用錄音機錄制的方法采集語音信號，然后設(shè)計基于LabVIEW的時域信號的FFT分析模塊，接著設(shè)計截止頻率為3000Hz的Butterworth低通濾波器對語音信號進行濾波去噪，最后根據(jù)以上設(shè)計進行語音信號的時頻分析、特性分析等。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；語音信號；時頻分析；數(shù)字濾波器AbstractCompared with traditional instruments, virtual instruments achieve the intelligent, modularity, diversity and other functi

3、ons of the instrument, and reflect the operating advantages, such as multi-purpose, low cost, etc. So it has broad application prospect. With the advent of computers and the rapid development of computer technology, speech signal processing technology has been develop rapidly, and used widely, such

4、as speech synthesis technology, speech coding and speech recognition technology.This design projects a speech signal analysis system based on the virtual instrument software platform LabVIEW. The first step is to introduce the methods of four kinds of voice signal acquisition, and select t

5、he method of recording voice signal by recorder . The second step is to design FFT analysis of time-domain signals which based on LabVIEW. Then design Butterworth low pass filter to realize the filtration of speech signals which cutoff frequency is 3000hz. Finally it is to achieve time-frequenc

6、y analysis and characteristic analysis according to the the above designs.Key words：Virtual instruments；LabVIEW；Speech signal；time-frequency analysis；digital filter.目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第1章 緒 論11.1 虛擬儀器概述11.2 語音信號處理的發(fā)展及應(yīng)用21.3 本課題研究任務(wù)及章節(jié)安排4第2章 系統(tǒng)設(shè)計方案52.1系統(tǒng)基本概述52.2系統(tǒng)總體實現(xiàn)52.3系統(tǒng)框圖7第3章 語音信號的采集83.1

7、 語音信號的采集方法83.2 聲卡的相關(guān)介紹及參數(shù)設(shè)置103.2.1 LabVIEW中的相關(guān)聲卡函數(shù)103.2.2聲卡的參數(shù)及設(shè)置113.3 讀取歷史語音信號的設(shè)計14第4章 基于LabVIEW的語音信號分析的實現(xiàn)154.1語音信號的時域分析154.1.1語音信號的預(yù)處理154.1.2語音信號的短時能量和短時平均幅度函數(shù)174.1.3語音信號的短時自相關(guān)函數(shù)和短時平均幅度差函數(shù)184.2語音信號的頻域分析184.3濾波器的設(shè)計及濾波實現(xiàn)204.4語音信號的綜合實現(xiàn)234.4.1語音分析系統(tǒng)的整體設(shè)計234.4.2語音信號的時頻分析24第5章 總結(jié)25參考文獻26致 謝27附 錄2827第1章

8、緒 論1.1 虛擬儀器概述1986年美國NI公司最先提出“虛擬儀器”。其利用應(yīng)用程序?qū)⒐δ芑K與通用計算機結(jié)合在一起，用戶能通過計算機強大的在線幫助功能和數(shù)據(jù)處理存儲圖形環(huán)境，建成圖形化界面的虛擬儀器軟面板，存儲和顯示儀器的控制數(shù)據(jù)分析，使傳統(tǒng)儀器的使用方式進行變換，增強儀器的功能、提高儀器的使用效率，從而大幅度降低儀器的成本，同時讓用戶能根據(jù)自己的需求設(shè)計儀器的功能。虛擬儀器以傳統(tǒng)儀器為基礎(chǔ)，繼承發(fā)展了其所有的優(yōu)點，而且還超越了前者。虛擬儀器在計算機中引入了傳統(tǒng)儀器的顯示和硬件數(shù)據(jù)處理，并用軟件進行處理。虛擬儀器作為一個全新的概念，虛擬儀器是儀器技術(shù)和計算機的結(jié)晶，其也是計算機和測試技術(shù)深

9、層次結(jié)合的產(chǎn)物。虛偽儀器相較于傳統(tǒng)儀器打破了其“萬能”功能概念，將計算機技術(shù)運用到極致，特別強調(diào)“軟件即儀器”.還可以利用LabVIEW、Agilent VEE等虛擬儀器軟件開發(fā)平臺來開發(fā)。在某種程序上軟件能做到傳統(tǒng)儀器不可能實現(xiàn)的一些硬件測試功能，例如，可以實現(xiàn)用戶自己定義儀器或系統(tǒng)的功能、規(guī)模，虛擬儀器的功能軟件的模塊化和開放性，讓組建系統(tǒng)變得更加靈活簡單。虛擬儀器具有強大的功能，比如信號分析、數(shù)據(jù)處理等，還有友好的人機界面。特別地，用戶不必花費大量錢財投資于多臺不同功能的儀器，編程用戶可以根據(jù)需要對各個功能和面板進行擴展和自定義。用戶還可以修改程序?qū)崿F(xiàn)對不同環(huán)境的測量、通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)儀器的

10、遠程調(diào)試和控制，以節(jié)省資源。常見的虛擬儀器有雙蹤示波器和頻譜分析儀、多蹤信號示波器、雙蹤儀器庫、多蹤X-Y軌跡儀、傳遞函數(shù)（頻響特性）分析儀、多蹤頻譜分析儀等。虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機、應(yīng)用軟件和儀器硬件三大要素構(gòu)成的。計算機與儀器硬件又稱為VI的通用儀器硬件平臺。虛擬儀器的主要特點有：擴展性強、性能高、智能化程度高、靈活性好、界面友好、兼容性、開發(fā)時間少。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，實現(xiàn)了儀器的智能化、模塊化、多樣化等功能，體現(xiàn)出多功能、低成本等操作優(yōu)點。具有更廣泛的應(yīng)用范圍，在工業(yè)上的應(yīng)用有羥基鎳在線檢查系統(tǒng)、輸油泵機組在線監(jiān)測系統(tǒng)、信號分析系統(tǒng)、橋墩位移監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)電機組在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)、鍋爐

11、供熱自動控制系統(tǒng)等。因此它成為儀器行業(yè)發(fā)展的一個重要方向，并受到許多國家儀器行業(yè)的重視。世界上最早開發(fā)和應(yīng)用虛擬儀器的公司是National Instruments公司。20世紀(jì)70年代，杰姆特魯查德和杰夫柯德斯凱為美國海軍研制了一種基于計算機的聲吶測試儀，其可以再計算機的控制下完成指定指令的測試工作，畢竟是第一次開發(fā)虛擬儀器，成本與開發(fā)周期都不太理想。后來他們二人在多次研發(fā)、總結(jié)經(jīng)驗后，嘗試功能模塊化處理，從而使程序結(jié)構(gòu)和操作的復(fù)雜性大大簡化。1986年5月NI公司推出了LabVIEW Beta版本，同年10月推出了LABVIEW 1.0正式版。這些軟件先是運行在Macintosh平臺上，后

12、來出現(xiàn)了Windows 3.0操作系統(tǒng)，操作性能更加良好?？茖W(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，在自動測試、儀器控制和數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域無一例外不應(yīng)用到虛擬儀器技術(shù)，測試系統(tǒng)和儀器控制的設(shè)計方法與實現(xiàn)技術(shù)也因為虛擬儀器技術(shù)而發(fā)生了深刻的變化。測試與測量技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志也漸漸趨向“軟件即儀器”。作為新興的測控儀器，用戶可以對虛擬儀器進行充分的想象并發(fā)揮，根據(jù)自己的實際需要設(shè)計符合開發(fā)要求的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器具有先進的性能和廣泛的應(yīng)用前景吸引著許多國際知廠商如HP公司、PC儀器公司、Racal公司等先后開始研發(fā)虛擬儀器。常見的虛擬儀器開發(fā)軟件是NI公司提供的LabVIEW和LabWindowa/CVI兩種。Lab

13、Windowa/CVI是NI公司推出的一種基于C語音的虛擬儀器開發(fā)平臺十分適合于開發(fā)面向測控領(lǐng)域的基于Windows的圖形化應(yīng)用軟件。其以ANSIC和擴展集為編程語言，含有豐富的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，如RS232、GPIB、VISA、數(shù)據(jù)分析和TCP協(xié)議函數(shù)庫等，可以進行測量、控制、數(shù)據(jù)傳輸及處理等。本設(shè)計主要采用LabVIEW。LabVIEW由NI公司推出，是一種圖形化編程語言，與傳統(tǒng)的文本編輯語言中的子程序或函數(shù)相似，虛擬儀器就是用LabVIEW開發(fā)的軟件，其操作界面與現(xiàn)實中的儀器幾乎沒有什么差別，但功能卻比現(xiàn)實中的傳統(tǒng)儀器更強大。LabVIEW的全稱是Laboratory Virtual Inst

14、rument Engineering Workbench，其源程序完全是圖形化框圖，沒有文本代碼，稱圖形化源代碼為G代碼。在LabVIEW平臺上編寫的程序拓展名是VI。LabVIEW還包括大量工具和函數(shù)、大量的控件，用來進行數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲等操作。不僅如此還提供了許多接口，方便與DDL、Visua Basic、 MATLAB等多種軟件相互調(diào)用，大大拓展了其功能。它附帶的擴展庫函數(shù)，還能在自身配備的工具不能完成一些任務(wù)時，調(diào)用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集和處理工具包擴展庫進行強大的專業(yè)分析。它也具有強大的儀器驅(qū)動庫可以和多種儀器連接。軟件LabVIEW能編出功能強大、界面美觀的程序，其編程語言簡單形

15、象，可以讓初學(xué)者很容易學(xué)習(xí)、掌握，也能夠很快地掌握各類編程技巧。作為編程者你可以在編程過程中，直接找到所需控件然后拖動至程序框圖中，再一一對應(yīng)進行連線，便可以進行數(shù)據(jù)的傳送了，避免了很多復(fù)雜的公式運算、程序調(diào)用及傳遞參數(shù)，十分簡便。LabVIEW經(jīng)過快速發(fā)展，自問世至今已被大多數(shù)人所認同。它已然成為當(dāng)今測控領(lǐng)域的潮流熱點，代表著未來虛擬儀器的發(fā)展方向。1.2 語音信號處理的發(fā)展及應(yīng)用語音是人類相互交流和通信最方便快捷的手段，也是獲取信息的重要來源和利用信息的重要手段。在高度信息化的今天，語音處理的一系列技術(shù)及應(yīng)用已經(jīng)成為信息社會不可或缺的重要組成部分。語言是人類特有的功能，其是記載和創(chuàng)造幾千年

16、以來人類文明史的主要手段，如果沒有語言那么就沒有今天的人類文明。其中語音既是語言的聲學(xué)表現(xiàn)，也是相互傳遞信息的最重要的手段之一，是人類最有效、最重要、最方便和最常用的交換信息的形式。語音信號的處理研究就是是起源于發(fā)聲器官的模擬。早在一兩千年以前，人們便對語音信號進行了研究。由于沒有適當(dāng)?shù)膬x器設(shè)備，長期以來，一直是由耳傾聽和用口模仿來進行研究。因此，這種語言研究常備稱為“口耳之學(xué)”，所以對語音只是停留在定性的描寫上。語音信號處理真正意義上的研究可以追溯到1876年貝爾電話的發(fā)明，該技術(shù)首次用聲電、電聲轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了遠距離的語音傳輸。1939年Homer Dudley提出并研制成功的第一

17、個聲碼器，從此奠定了語音產(chǎn)生模型的基礎(chǔ)。這一發(fā)明在語音信號處理領(lǐng)域具有劃時代的意義。19世紀(jì)60年代，亥姆霍茲應(yīng)用聲學(xué)方法對元音和歌唱進行了研究，從而奠定了語音的聲學(xué)基礎(chǔ)。20世紀(jì)40年代，一種語言聲學(xué)的專用儀器語譜圖儀問世了。它可以把語音的時變頻譜用語圖表示出來，從而得到了“可見語言”。1948年美國Haskins實驗室研制成功“語音回放機”，該儀器可以把手工繪制在薄膜片上的語譜圖自動轉(zhuǎn)換成語音，并進行語音合成。20世紀(jì)50年代對語言產(chǎn)生的聲學(xué)理論開始有了系統(tǒng)論述。隨著計算機的出現(xiàn)，語音信號處理的研究得到了計算機技術(shù)的幫助，使得過去受人力、時間限制的大量的語音統(tǒng)計分析工作，得以在電子計算機上

18、進行。作為高科技應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點，語音信號處理技術(shù)主要研究和利用數(shù)字信號處理技術(shù)(DSP)對語音信號進行處理與分析，讓未來的計算機更加智能，做到“能聽會說”。語音分析會涉及許多很難的數(shù)學(xué)運算，但考慮到它的價格和靈活性，不建議采用硬件方式實現(xiàn)，對于用計算機軟硬件結(jié)合的方法，采用主流的編程方式實現(xiàn)就可能存在不易拓展、編程復(fù)雜、界面不友好等問題。但若采用圖形化軟件LabVIEW，就會具有編程功能完備、有豐富的各種板卡和多種專用軟件包可供選擇等優(yōu)點，就能很方便地提供一個界面友好、符合要求的語音分析開發(fā)平臺。語音處理主要從基礎(chǔ)理論、算法實現(xiàn)及實際應(yīng)用等方面來研究。主要研究以下兩個方面：一是從語音產(chǎn)生和

19、語音感知來研究；二是將語音作為一種信號進行處理。從20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的數(shù)字濾波器、FFT到后來出現(xiàn)的線性預(yù)測編碼技術(shù)，以及80年代出現(xiàn)的分析合成法、馬激勵線性預(yù)測、矢量量化、隱馬爾可夫模型等一系列算法和模型等都極大地推動了語音信號處理的發(fā)展和應(yīng)用。語音信號處理有著非常廣泛的應(yīng)用，最基本的是語音的數(shù)字傳輸，也就是鍵語音進行數(shù)字化后在數(shù)字通信系統(tǒng)中進行傳輸，以實現(xiàn)數(shù)字語音通信。主要從語音合成技術(shù)、語音壓縮編碼和語音識別技術(shù)這三個方面介紹語音處理的應(yīng)用。語音合成技術(shù)的目的就是讓計算機說話。按規(guī)則的文字語音合成系統(tǒng)將文字轉(zhuǎn)換成語言讓計算機模仿人來朗讀文本。語音壓縮編碼技術(shù)的目的是在保證一定語音質(zhì)量的

20、前提下，盡可能降低編碼的比特率，以節(jié)省頻率資源。實現(xiàn)語音壓縮碼的設(shè)備通常稱為聲碼器，還可以利用線性預(yù)測、矢量量化、碼本激勵等技術(shù)來實現(xiàn)語音壓縮編碼。根據(jù)語音壓縮采樣率，語音壓縮編碼可分為3003400Hz的窄帶、7kHz的寬帶和20kHz的音樂帶寬壓縮編碼。語音識別技術(shù)語音識別以語音為研究對象，最終目標(biāo)是將語音轉(zhuǎn)換成等價的書面信息實現(xiàn)人與機器進行自然語言通信。語音識別可以有許多分類方法，目前研究的重點是實現(xiàn)大詞匯表、費特定人的連續(xù)語音識別系統(tǒng)，可應(yīng)用于人機直接對話、語音打字機、兩種語音之間的直接通信等。語音識別有著廣泛的應(yīng)用，若將語音識別與語音合成結(jié)合起來還可以實現(xiàn)甚低比特率的語音通信系統(tǒng)。1

21、.3 本課題研究任務(wù)及章節(jié)安排本課題研究的主要任務(wù)是設(shè)計基于LabVIEW的語音信號分析系統(tǒng)。語音信號分析系統(tǒng)包括時域分析和頻域分析，語音信號的時域參數(shù)包括短時能量、短時過零率、短時自相關(guān)函數(shù)和短時平均幅度差函數(shù)等。語音信號的頻域分析包括語音信號的頻譜、功率譜、倒頻譜、頻譜網(wǎng)絡(luò)分析等頻譜特性進行分析。但是本設(shè)計只進行了頻譜分析。首先需要了解LabVIEW平臺以及掌握LabVIEW的編程基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上再設(shè)計相應(yīng)的語音信號采集、語音信號時頻分析、語音信號的濾波去噪處理等模塊，用于進行語音信號的時頻分析、特性分析等。本文共分為5個部分進行論述：第一章為緒論部分，介紹了虛擬儀器和語音信號處理的發(fā)展和

22、應(yīng)用；第二章為系統(tǒng)的設(shè)計方案，交代了整體思路和設(shè)計流程；第三章主要介紹了語音信號的采集與聲卡的相關(guān)知識；第四章介紹語音信號的處理分析，包括時域、頻域分析、濾波分析；最后是總結(jié)，對本設(shè)計的一些不足之處進行總結(jié)，并提出進一步的研究方向。第2章 系統(tǒng)設(shè)計方案2.1系統(tǒng)基本概述本系統(tǒng)的設(shè)計思路如下：先設(shè)計基于計算機自帶聲卡和LabVIEW 的語音信號的采集模塊；然后設(shè)計時域信號的快速傅氏變換模塊、語音信號的濾波去噪模塊，對于濾波處理模塊設(shè)計了巴特沃斯低通濾波器進行濾波去噪；最后根據(jù)各個模塊來進行語音信號的時域分析、頻譜分析、特性分析。利用LabVIEW編程出語音信號分析系統(tǒng)的前面板圖和程序流程圖，搭建

23、基于LabVIEW開發(fā)平臺的上述信號處理模塊。采集語音信號頻譜分析設(shè)計濾波器濾波去噪頻譜分析圖2.1 系統(tǒng)流程圖2.2系統(tǒng)總體實現(xiàn)語音分析平臺由軟、硬件兩部分組成。硬件部分：硬件部分的任務(wù)是利用麥克風(fēng)和聲卡將語音信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過A /D轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號的形式傳入計算機，還能通過聲卡外接耳機或音箱將語音波形文件回放。硬件包括三個部分：拾音及信號調(diào)理電路，A /D轉(zhuǎn)換電路，PC機接口電路。如今聲卡作為計算機的標(biāo)準(zhǔn)配置，采用聲卡與話筒的組合采集聲音，可以省去大量硬件設(shè)計工作，使用起來非常簡便。聲音輸入A/D轉(zhuǎn)換放大器PGA放大器PGADSP放大器PGA放大器PGAD/A轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換PCA總線

24、聲音輸出圖2.2 聲卡工作流程顯示（文件操作、圖形圖表處理、數(shù)據(jù)輸出等）軟件部分：LabVIEW的編程包括前面板和程序框圖兩個部分的設(shè)計。前面板就好像是一臺儀器的面板，所呈現(xiàn)出來面板的和實際儀表面板幾乎無差，可以對儀表進行控制、將信號顯示表達出來。LabVIEW包含非常強大的控制模板庫，用戶可以找到所需模板并利用其來進行設(shè)計。而程序框圖面板就負責(zé)一臺儀器的內(nèi)部工作部分，用于實現(xiàn)儀表對信號的采集處理等操作。對應(yīng)的LabVIEW包含的功能模板庫，用來幫助用戶實現(xiàn)程序改造、儀器控制數(shù)據(jù)分析等功能。主要的功能模塊如下：采集與預(yù)處理、時域處理、頻域處理。數(shù)據(jù)采集與控制（RS232、GPIB、DAQ、PX

25、I、PCI等）信號分析處理（波形操作、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)組處理等）被測信號圖2.3 LabVIEW系統(tǒng)的組成2.3系統(tǒng)框圖圖2.4 系統(tǒng)總體框圖圖 2.5 信號發(fā)生及分析系統(tǒng)的組成第3章 語音信號的采集3.1 語音信號的采集方法利用電腦采集語言信號的方法有很多種，每一種都有其獨特的地方，以下幾種是比較常用的錄制語音信號的方法。方法一：利用筆記本電腦系統(tǒng)自帶錄音機進行錄制Windows 自帶了一個錄音機程序（簡稱錄音機），通過它可以驅(qū)動聲卡采集、播放和簡單處理語音信號。語音信號的采集可以使用電腦的錄音機直接錄制人的語音，并將其保存在電腦中。圖3-1 所示，電腦系統(tǒng)自帶錄音機對語音信號進行采樣的過程，電

26、腦聲卡會自動將原本模擬語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，即進行A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換之后獲得WMA文件（WMA是錄音時windows系統(tǒng)默認的文件格式），為數(shù)字信號處理準(zhǔn)備了原文件。WMA文件 A/D轉(zhuǎn)換 采樣 L濾波 聲音 圖3.1 聲卡語音信號采集過程圖3.2 錄音機方法二：利用LabVIEW中的聲音采集函數(shù)進行采集在LabVIEW中，使用聲音采集函數(shù):Sound Input Congfigure.vi與Sound Input Read.vi。從聲音輸入設(shè)備讀取數(shù)據(jù)時使用Sound Input Congfigure.vi 配置設(shè)備，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。Sound Input Congfigure.vi 采集到

27、的數(shù)據(jù)被發(fā)送到緩存，使用Sound Input Read.vi從聲音輸入設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)執(zhí)行采集數(shù)據(jù)時，可以對信號進行存儲和實時地顯示、分析。語音信號的存儲主要由 Sound File Write Open.vi( 設(shè)置為寫入) 和Sound File Write.vi實現(xiàn)。此時進行存儲的語音格為.wav文件。Sound File Write Open.vi用于創(chuàng)建待寫入的新.wav 文件。Sound File Write.vi將來自Sound Input Read.vi的輸出數(shù)據(jù)寫入.wav 文件。接著將系統(tǒng)功能切換至讀取語音文件模塊，執(zhí)行對歷史語音信號的讀取、顯示、分析。Sound Fil

28、e Write Open.vi讀取文件的路徑參數(shù)，打開用于讀取的.wav 文件。Sound File Read.vi接收來自Sound File Write Open.vi的數(shù)據(jù)，將.wav 文件的數(shù)據(jù)以波形數(shù)組形式讀出，并輸入到后面所需的控件中。圖3.3 聲音采集函數(shù)采集設(shè)計方法三：使用Matlab軟件直接調(diào)用wavrecord函數(shù)對語音信號進行采集。wavrecord是調(diào)用pc機聲卡來對語音信號進行采集，函數(shù)調(diào)用方式為：wavrecord(n,fs,ch,dtype); n:采樣點數(shù)；fs：采樣頻率，其系統(tǒng)默認值為11025Hz；ch：樣本采集通道，1為單聲道，2為雙聲道，默認值為1；dt

29、ype：采樣數(shù)據(jù)存儲格式，即每個樣本的解析度。利用MATLAB實現(xiàn)錄音的語句如下；clear;clc;fs=8000; %8000為采樣頻率channel=1;t=5 ; %采樣時長fprintf('按任意鍵后開始 %d 秒錄音：',t); pause; %文字提示 fprintf('錄音中.'); %文字提示y=wavrecord(t*fs, fs,channel,'double'); %錄制語音信號fprintf('錄音結(jié)束n'); %文字提示wavwrite(y,fs,'E:jiayou.wav'); %存儲

30、錄音信號fprintf('按任意鍵后回放:');pause;wavplay(y,fs);方法四：使用GoldWave軟件采集語音信號GoldWave是一個功能強大的數(shù)字音樂編輯器，包含聲音編輯、播放、錄制和轉(zhuǎn)換等功能，它還可以對音頻內(nèi)容進行轉(zhuǎn)換格式等處理。它體積小巧，功能強大，可以打開WAV、OGG、VOC、 IFF、AIFF、 AIFC、AU、SND、MP3、 MAT、 DWD、 SMP、 VOX、SDS、AVI、MOV、APE等格式。GoldWave的特性：* 直觀、可定制的用戶界面，使操作更簡便；* 多文檔界面可以同時打開多個文件，簡化了文件之間的操作；* 編輯較長的音樂

31、時，GoldWave會自動使用硬盤，而編輯較短的音樂時，GoldWave就會在速度較快的內(nèi)存中編輯，等等。3.2 聲卡的相關(guān)介紹及參數(shù)設(shè)置聲卡 (Sound Card)也叫音頻卡（港臺稱之為聲效卡）：聲卡是多媒體技術(shù)中最基本的組成部分，是實現(xiàn)聲波/數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換的一種硬件。聲卡的基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原始聲音信號加以轉(zhuǎn)換，輸出到耳機、揚聲器、擴音機、錄音機等聲響設(shè)備，或通過音樂設(shè)備數(shù)字接口(MIDI)使樂器發(fā)出美妙的聲音。3.2.1 LabVIEW中的相關(guān)聲卡函數(shù)LabVIEW提供了一系列使用Windows底層函數(shù)編寫的與聲卡有關(guān)的函數(shù)，利用這些函數(shù)可以方便的搭建基于聲

32、卡的信號采集程序，這些函數(shù)位于“函數(shù)-編程-圖形與聲音-聲音”子選板上，如圖3-2所示。這些函數(shù)都是用Windows底層函數(shù)編寫的，直接與聲卡驅(qū)動聯(lián)系，可以實現(xiàn)對聲卡的快速訪問和操作，具有比較高的執(zhí)行性能。聲音子選板下有分輸出、輸入與文件三個子選板，它們分別提供聲音輸出、輸入與聲音文件相關(guān)的VI。圖3.4 聲卡操作函數(shù)子選板3.2.2聲卡的參數(shù)及設(shè)置聲卡作為一種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，最主要的兩個參數(shù)是采樣位數(shù)和采樣頻率。采樣頻率，也稱為采樣速度或采樣率，表示符號為fs，指每秒從連續(xù)信號中提取并組成離散信號的采樣個數(shù)，單位為 Hz。采樣頻率的倒數(shù)是采樣周期或采樣時間，它是采樣點之間的時間間隔。采樣頻率越

33、高，獲得的聲音文件質(zhì)量越好，占用磁(光)盤的空間也就越大。采樣率通常有44100 Hz，22050 Hz，11025 Hz，8000 Hz。對于少數(shù)專業(yè)的聲卡，采樣率能達到96kHz或者更高的192kHz等。采樣位數(shù)，也就是采樣值，可以衡量聲卡對聲音的解析度，又被稱為聲卡的分辨率。聲卡的分辨率越大，解析度越高，錄制或回放的聲音效果就越好。相對大多數(shù)采集卡12位的分辨率來講，目前市場上16位的主流聲卡性能比較高。其他的參數(shù)還有：通道數(shù)，就是指定通道的個數(shù)，該輸入可接受的通道數(shù)與聲卡支持的通道數(shù)一致對于多數(shù)聲卡，1為單聲道，2 為立體聲，設(shè)置為2。每通道采樣數(shù)，指的是每次從通道讀取的數(shù)據(jù)長度，其實

34、是從通道的buffer里面讀取的。如果每次讀得太少，而且讀的間隔過長，那么buffer里面的數(shù)據(jù)就會堆積，最后導(dǎo)致buffer溢出。所以 buffer size應(yīng)該大于數(shù)據(jù)讀取間隔*采樣率，否則一個間隔的數(shù)據(jù)就足以把buffer填滿了，同時讀取的長度也應(yīng)該保證buffer不會溢出。錄音設(shè)備錄制設(shè)置及參數(shù)設(shè)置如下圖所示：圖3.5 錄音設(shè)備錄制設(shè)置圖3.6 錄音設(shè)備參數(shù)設(shè)置圖3.7 聲音采集函數(shù)參數(shù)設(shè)置3.3 讀取歷史語音信號的設(shè)計采用錄音機錄制語音直接對語音信號進行采集，將其保存在E盤，然后用控件path對其進行調(diào)用，接著采用讀取并打開聲音文件函數(shù)Sound File Open.vi 和讀取聲音

35、文件函數(shù)Sound File Read.vi對其進行讀取，如下圖所示：圖3.8 錄音機采集設(shè)計圖3.9 讀取歷史語音信號的設(shè)計第4章 基于LabVIEW的語音信號分析的實現(xiàn)語音信號是一種非平穩(wěn)的時變信號，它攜帶著各種信息，具有短時平穩(wěn)性，因而在整個語音分析過程中將采用“短時分析技術(shù)”。也就是將語音信號分段分析，一段也就是一“幀”，然后再對其特征參數(shù)進行分析，得出的整體語音信號就是將各個幀的特征參數(shù)疊加成一個整體特征參數(shù)時間序列。分析語音信號的時候，可根據(jù)參數(shù)性質(zhì)的不同，對語音信號進行時域分析、頻域分析、倒頻域分析等。對語音信號而言，非常重要的感知特性反映在功率譜中，而相位變化只起著很小的作用，

36、故雖然時域分析方法具有其簡單、獨特的優(yōu)點，但相對而言，頻域分析更重要。語音信號在頻域內(nèi)，它的頻率范圍通常集中在3003400Hz。對語音信號進行采集一般情況下取采樣頻率為8kHz即可，就可以得到離散的語音信號。采樣頻率越高，獲得的聲音文件質(zhì)量越好，占用磁(光)盤的空間也就越大。4.1語音信號的時域分析語音信號的時域分析就是分析和提取語音信號的時域參數(shù)，語音信號本身就是時域信號，故直接利用語音信號的時域波形。語音信號的時域參數(shù)包括短時能量、短時過零率、短時自相關(guān)函數(shù)和短時平均幅度差函數(shù)等。4.1.1語音信號的預(yù)處理在進行分析之前，還要對語音信號的數(shù)字化、語音信號的預(yù)處理（包括預(yù)加重、加窗和分幀等

37、）等相關(guān)技術(shù)進行了解。由于電腦自帶的聲卡已經(jīng)將所記錄到的模擬信號（語音）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，故語音信號已為數(shù)字信號，可直接進行預(yù)處理。首先是預(yù)加重，然后進行加窗分幀處理，一般每秒的幀數(shù)約為33100幀。前一幀和后一幀的交疊不分稱為幀移，幀移與幀長的比值一般為01/2。分幀是用可移動的有限長度窗口進行加權(quán)。圖4.1 語音信號分幀圖對語音信號進行數(shù)字處理的時候會經(jīng)常用到漢明窗（hanning）、矩形窗等，窗函數(shù)的選擇（形狀和長度）非常影響短時分析參數(shù)的特性。如何選擇合適的窗函數(shù)顯得尤為重要：在時域，要減小時間窗兩端的坡度以便讓窗口邊緣兩端平滑過渡到零，讓截取出的語音波形慢慢降為零，減小語音幀的截斷效應(yīng)

38、；在頻域，要有較小的邊帶最大值和較寬的3dB帶寬。Hanning Window和Rectangular Window的主瓣狹窄且旁瓣衰減較大，具有低通的性質(zhì)。窗越長主瓣越窄，加窗后的頻譜能夠更好地逼近短時語音的頻譜；窗長越長，頻譜分辨率越高，但時間分辨率相應(yīng)下降。矩形窗窗函數(shù)如下： （4-1）圖4.2 矩形窗及其頻譜漢明窗窗函數(shù)如下： （4-2）圖4.3 漢明窗及其頻譜本設(shè)計中采用漢明窗，由于Hanning Window的主瓣寬度比Rectangular Window大一倍，也就是帶寬約增加一倍，而且它的帶外衰減也比Rectangular Window大一倍多。雖然Rectangular Wi

39、ndow的譜平滑性較好，但損失了高頻成分，使波形細節(jié)丟失，而Hanning Window卻恰恰相反，所以漢明窗比矩形窗更加合適。采樣周期、窗口長度N、和分辨率之間的關(guān)系： （4-3）對于時域而言，若N很大，就等效于很窄的低通濾波器了，反應(yīng)語音信號波形細節(jié)的高頻部分被阻礙，短時能量隨時間變化小，不能真實反映語音信號的幅度變化；相反，若N太小，濾波器的通帶變寬，短時能量隨時間變化劇烈，不能得到平滑的能量函數(shù)。通常一個語音幀包含17個基音周期，最長基音周期約為20ms，N至少大于兩個基音周期。4.1.2語音信號的短時能量和短時平均幅度函數(shù)短時能量定義為： （4-4）式中N為窗長?？梢姸虝r能量為一幀樣

40、點值的加權(quán)平方。短時平均幅度函數(shù)定義為： （4-5）短時能量用來度量語音信號幅度值的變化，但它有一個缺點，就是對高電平非常敏感，為此，可采用短時平均幅度函數(shù)，另一個可以度量語音信號幅度值變化的函數(shù)。和主要用來區(qū)分濁音段和清音段，區(qū)分聲韻母、有無聲、連字的分界，用于語音識別。短時過零率表示一幀語音中語音信號波形穿過橫軸（即零電平）的次數(shù)。它可以從背景噪聲中找出語音信號，可用來判斷寂靜無聲段和有聲段的起點和終點位置。高頻意味著高的平均過零率清音時，低頻意味著低的平均過零率濁音時。4.1.3語音信號的短時自相關(guān)函數(shù)和短時平均幅度差函數(shù)短時自相關(guān)函數(shù)可以求出濁音語音的波形序列的基音周期，在進行語音信號

41、的線性預(yù)測分析時也要用到，其計算公式如下： （4-6）這里K為最大的延遲點數(shù)。自相關(guān)函數(shù)具有以下性質(zhì)：1）周期性。周期為的信號的自相關(guān)函數(shù)是一個同周期的周期函數(shù)，即有2）對稱性。3）存在最大值。對所有k有：4）對確定信號，值等于信號能量：對隨機信號或周期信號，值等于平均功率。短時平均幅度差函數(shù)(AMDF)能代替自相關(guān)函數(shù)進行語音分析且大大減少了計算量。短時平均幅度差函數(shù) （4-7）4.2語音信號的頻域分析對一個時域信號進行傅里葉變換，就可以得到的信號的頻譜，信號的頻譜由兩部分構(gòu)成：幅度譜和相位譜。幅度譜以頻率作為自變量，以組成信號的各個頻率成分的幅值作為因變量，表征信號的幅值隨頻率的分布情況。

42、相位譜就是相位隨頻率變化的曲線，代表各頻率分量在時間原點所具有的相位。功率譜是功率譜密度函數(shù)的簡稱，它定義為單位頻帶內(nèi)的信號功率。它表示了信號功率隨著頻率的變化情況，即信號功率在頻域的分布狀況。語音信號的頻域分析包括語音信號的頻譜、功率譜、倒頻譜、頻譜網(wǎng)絡(luò)分析等頻譜特性進行分析，常用的頻域分析方法有傅里葉變化法、帶通濾波器組發(fā)、線性預(yù)測法等幾種。信號的傅立葉表示在信號的分析與處理中起著重要的作用。傅里葉頻譜分析的基礎(chǔ)是傅里葉變換，用傅里葉變換及其反變換可以求得傅里葉譜，自相關(guān)函數(shù)，功率譜，倒譜。因為對于線性系統(tǒng)來說，可以很方便地確定其對正弦或復(fù)指數(shù)和的響應(yīng)，所以傅立葉分析方法能完善地解決許多信

43、號分析和處理問題。另外，傅立葉表示使信號的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說明信號的各項宏物理現(xiàn)象。短時傅里葉變換就是對語音信號分幀處理，然后計算某一幀的傅里葉變換，定義為： （4-8）其中為實數(shù)窗序列，n取不同的值，窗沿時間軸滑動到不同的位置，取出不同的語音幀進行傅里葉變換。它反映了語音信號的頻譜隨時間變化的特性。短時傅里葉反變換由時頻函數(shù)重構(gòu)，主要有濾波器組相加法、疊接相加法。FFT即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，可以將一個信號變換到頻域，有些信號在時域上的特征不是很明顯，但是如果變換到頻域之后，就很容易看出特征了。這也是為什么很多信號分析采用FFT變換的原因。而且FFT

44、可以將一個信號的頻譜提取出來，其根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得。用FFT對信號作頻譜分析對學(xué)習(xí)數(shù)字信號處理來說十分重要。模擬信號和時域離散信號經(jīng)常需要進行譜分析。對信號進行譜分析的重要問題是頻譜分辨率D和分析誤差。頻譜分辨率直接和FFT的變換區(qū)間N有關(guān)，因為FFT能夠?qū)崿F(xiàn)的頻率分辨率是2/N，因此要求2/ND?？梢愿鶕?jù)此式選擇FFT的變換區(qū)間N。誤差主要來自于用FFT作頻譜分析時，得到的是離散譜，而信號（周期信號除外）是連續(xù)譜，只有當(dāng)N較大時離散譜的包絡(luò)才能逼近于連續(xù)譜，因此N要適當(dāng)選擇大一些。假設(shè)采樣頻率為Fs，采樣點數(shù)為N，做FFT之后，某一點n

45、（n從1開始）表示的頻率為：Fn=(n-1)*Fs/N；該點的模值除以N/2就是對應(yīng)該頻率下的信號的幅度；該點的相位即是對應(yīng)該頻率下的信號的相位。要精確到x Hz，則需要采樣長度為1/x秒的信號，并做FFT。要提高頻率分辨率，就需要增加采樣點數(shù)，但是這卻并不可取，在實際應(yīng)用中需要在較短的時間內(nèi)完成分析?？梢試L試頻率細分法來解決問題，要想簡單些的話采樣比較短時間的信號，然后在后面補充一定數(shù)量的0，使其長度達到需要的點數(shù)，再做FFT。圖4.4 原始信號及濾波信號的時頻分析設(shè)計4.3濾波器的設(shè)計及濾波實現(xiàn)采集信號的時候由于受到外在因素等原因的干擾不可避免地會產(chǎn)生噪聲信號，從而導(dǎo)致信號的失真，于是，就

46、需要濾波技術(shù)來消除這些噪聲。濾波器是一種選頻裝置，能讓信號中特定的頻率成分通過而衰減其他不需要的頻率成分。數(shù)字濾波器，就是輸入、輸出均為數(shù)字信號，通過數(shù)值運算處理改變輸入信號所含頻率成分的相對比例，或者濾除某些頻率成分的數(shù)字器件或程序。其基本工作原理是利用離散系統(tǒng)特性去改變輸入數(shù)字信號的波形或頻譜，讓有用信號頻率分量通過，抑制無用信號分量輸出。數(shù)字濾波器根據(jù)其沖擊響應(yīng)函數(shù)的時域特征，可分為兩種，即無限長沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器和有限長沖擊響應(yīng)（FIR）濾波器。IIR濾波器的特征是，具有無限持續(xù)時間沖擊響應(yīng)，具有遞歸性，幅頻特性較平坦，但其相位響應(yīng)非線性。FIR濾波器的沖擊響應(yīng)只能延續(xù)一段時間，

47、其系統(tǒng)穩(wěn)定、嚴(yán)格線性相移，但不易取得較好的通帶與阻帶衰減特性。1） 巴特沃斯濾波器巴特沃斯濾波器的幅頻響應(yīng)表達式： （4-9）式中，為通帶截止頻率，n為濾波器的階數(shù)。Butterworth濾波器具有許多特性：通帶內(nèi)具有最大平坦的幅頻特性；隨頻率的增大，平滑單調(diào)下降；在通帶中，是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零；在截止頻率處即當(dāng)時，有半功率頻率，即有3dB衰減。2）切比雪夫濾波器切比雪夫濾波器的幅頻響應(yīng)表達式： （4-10）式中，為通帶截止頻率，n為濾波器的階數(shù)，為小于1的正數(shù)，決定通帶紋波大小的系數(shù)，表示通帶內(nèi)幅度波動的程度，越大波動幅度越大。Chebyshev濾波器具有許多特性：通帶內(nèi)峰值誤

48、差最小；通帶內(nèi)具有等幅的波紋起伏特性；阻帶內(nèi)幅頻響應(yīng)單調(diào)下降且具有更大的衰減；與巴特沃斯濾波器相比，過度迅速。通過仿真實驗可以證實，當(dāng)濾波器的階次較高時，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)速度越快，階次越高就越接近理想特性。通過巴特沃斯濾波處理的信號不會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，因為在濾波器的通帶和阻帶之間有一平滑過渡。綜合以上對濾波器特性的考慮，本設(shè)計采用Butterworth低通濾波器對所采集到的語音信號進行濾波處理。語音信號在頻域內(nèi)，它的頻率范圍通常集中在3003400Hz。故低通濾波器的低截止頻率設(shè)置為3000Hz。圖4.5 數(shù)字濾波器的參數(shù)設(shè)置圖4. 6 語音信號的濾波設(shè)計4.4語音信號的綜合實現(xiàn)4.4.1語音分析

49、系統(tǒng)的整體設(shè)計圖4.7語音分析系統(tǒng)的程序框圖圖4.8 語音分析系統(tǒng)的前面板4.4.2語音信號的時頻分析圖4.9 讀取信號的時、頻域波形圖圖4.10 濾波信號的時、頻域波形圖對于巴特沃斯低通濾波器的低截止頻率設(shè)置為3000Hz，由圖4-9和圖4-10對比，可以很明顯地看出在3000Hz以后的高頻成分幾乎被濾掉了。而且通過改變其階數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，階數(shù)越高，濾波效果就越好。第5章 總結(jié)我設(shè)計的是基于labview的語音信號分析系統(tǒng)的設(shè)計，首先要了解LabView平臺、掌握LabView的編程技術(shù)，然后設(shè)計相應(yīng)的語音信號采集系統(tǒng)，語音信號時頻分析，語音信號的濾波處理等模塊，用于對語音信號分析系統(tǒng)的分析和處

50、理。真正開始的時候，才發(fā)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計比我想象中要難得多。我按部就班，從搜索有用資料開始，通過閱讀大量相關(guān)文獻和書籍，慢慢對語音信號的相關(guān)知識有了一定的了解，在此基礎(chǔ)上，我開始打開labview軟件進行模擬操作，嘗試做出結(jié)果。我向指導(dǎo)老師彭老師說了一下自己大概的思路，彭老師聽了之后也做了相關(guān)補充說明，然后我朝著自己的思路繼續(xù)摸索。我首先參考采集部分的文獻，調(diào)用了labview軟件庫中自帶的聲音采集函數(shù)，畫出了采集部分的程序框圖，并調(diào)用了利用電腦錄音機錄制了5秒的音頻。比較難的是語音分析模塊和濾波模塊，手中的文獻書籍遠遠不夠，于是在同學(xué)的建議下，我去labview論壇搜索看看有沒有我想要的知識，在論

51、壇里，我才發(fā)現(xiàn)labview有如此強大的功能和廣泛的應(yīng)用，更加激發(fā)了我學(xué)習(xí)labview的熱情和動力。Labview的軟件庫非常強大，省去了復(fù)雜的運算，可以直接調(diào)用所需要的控件，比如濾波器控件、FFT控件、功率譜控件等。經(jīng)過反反復(fù)復(fù)的探索和嘗試，終于將頻譜分析模塊、功率譜波形模塊、濾波模塊完成。在波形圖出現(xiàn)的時候，心中才舒暢許多，但是由于理論掌握不夠到位，分析起來還是存在些許困難，于是我又繼續(xù)拾起理論知識，多番鉆研。在第一次交論文的時候，彭老師不辭辛勞，幫我們面批初稿，給每個人從內(nèi)容到格式都十分詳細地進行了講解，因此我對整個論文和整個設(shè)計又有了一個全新的把握，并進行了第二次修改。在一次次的調(diào)試

52、過程中發(fā)現(xiàn)前面的設(shè)計仍然存在很多問題，如沒有弄清錄音機采集和labview中聲卡采集函數(shù)采集之間的區(qū)別，采用了聲卡采集函數(shù)，卻一直以為是在對自己用錄音機采集的語音信號進行分析。經(jīng)過和彭老師及同組同學(xué)的共同探討，終于理清思路，進行完善。但是本設(shè)計仍然存在不足之處，比如對于加噪模塊的設(shè)計依舊有待探討。彭老師在此基礎(chǔ)上進一步指出，對采用聲卡采集函數(shù)這種采集方法，如果可以，采集時設(shè)計開始采集和結(jié)束采集控制。在整個實驗過程中，我參考了很多方法，進行了很多次試驗，一次次失敗激勵著我不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而不斷更新了自己的知識庫，此過程雖然無數(shù)次壓抑、煩躁，但是解決問題后的愉悅也是無法代替的，在整個設(shè)計探究過程中，我受益匪淺。 參考文獻1 趙力.語音信號處理.M機械工業(yè)出版社. 2003.4:1461502 高西全，丁玉美.數(shù)字信號處理（第三版）M.西安：西安電子科技大學(xué). 2008.08:33123 3 林遂芳.基于LabVIEW的語音分析平臺的實現(xiàn)J. 現(xiàn)代電子技術(shù)2005年第3期總第194期4 周鵬等.精通LabVIEW信號處