基于聲卡的虛擬音頻分析處理系統

周建芳， 陳 新

（福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州350002）

0 引言

計算機聲卡是一種常用的數據采集卡。所謂“虛擬儀器”就是借助于計算機的軟硬件平臺，并配以少量輔助設備(或器件)，構成功能適合用戶要求的儀器。系統操作直觀、方便、靈活，如同在真實儀器上的一樣[1]。實驗室虛擬儀器工程平臺 (LabVIEW，Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一個圖形化編程系統，集開發、調試、運行于一體，廣泛應用于數據采集與控制、測試等領域[2]。基于聲卡的音頻信號分析處理系統，是在LabVIEW環境下利用聲卡采集信號并對信號進行分析與處理。系統價格低、實用性好，在實驗室應用與工程測量中具有廣闊的前景。

1 系統設計思路

聲卡適合于采集頻率在20～20 000 Hz范圍內的音頻信號。LabVIEW提供了豐富的函數庫和子例程，還有專用的代碼庫，開發的虛擬儀器系統靈活性高，功能強大。基于聲卡的虛擬音頻信號分析處理系統應該達到以下目標：被測音頻信號由話筒采集，聲卡實現A/D 轉換，經LabVIEW開發的虛擬儀器進行時域分析、頻域分析和嘯叫抑制處理。且在系統中增加了錄音與回放部分，可以直接調用做比對分析。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框

2 軟、硬件開發技術

2.1 LabVIEW簡介

LabVIEW是一個基于G語言(Graphics Language)的測試系統軟件開發平臺。LabVIEW將廣泛的數據采集、分析與顯示功能集中在同一個環境中，用戶通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標創建虛擬儀器。

LabVIEW平臺開發的虛擬儀器軟件包括兩個方面：前面板和程序框圖。前面板是模仿真實儀器的面板，用于設置輸入和顯示輸出。前面板中放置的控件在程序框圖中都有相應的對象。程序框圖用 G語言編寫。程序由端口、圖框、節點與連線構成[2]。

2.2 計算機聲卡

作為語音信號與計算機的通用接口，聲卡的基本工作流程如圖2所示。

圖2 聲卡的基本工作流程

聲卡具有16 位以上的量化精度，且價格低廉、兼容性好等優點，其主要技術參數包括：采樣頻率、采樣位數和緩沖區大小[3]。設置緩沖區，可以有效地保證聲卡與CPU的協調工作，一般使用的默認值是8KB(8192字節)。

在LabVIEW環境中有專門的聲音子選板，集中在Sound VI下，有3大模塊Sound Input、Sound Output和文件。聲卡的參數設置由Sound Input模塊中的SI CONFIG函數完成，提供與聲卡相關的函數，這些函數節點直接與聲卡驅動聯系，能夠快速對聲卡進行訪問和操作，執行性能高[4]。

3 系統設計與實現

根據VI結構化的特征，系統采用友好的圖形界面與用戶進行交互。系統的功能模塊包括：音頻采集與存儲、時域分析、頻域分析、嘯叫抑制和錄音與回放。以下對各功能模塊進行簡要說明[5]。

3.1 音頻采集與存儲

利用LabVIEW中相關的函數節點，可以實現對音頻信號的采集與存儲。根據設置的聲音格式參數從聲卡獲得數據。采集到的數據及其特性以波形圖呈現于用戶面前，且采集結束后，可以播放采集到的.wav文件。

音頻信號采集過程分為初始化配置聲卡、采樣、釋放聲卡。由LabVIEW提供的SI CONFIG函數、SI START函數、SI READ函數、SI STOP函數和SI CLEAR函數完成。程序運行前先對設備ID、每通道采樣數、采樣模式、聲音格式參數進行設置。聲卡可設置為單/雙通道，則運行音頻采集與存儲程序將實現單/雙通道的音頻采集；而無信號輸入時采集的是系統噪聲。數據存儲功能是通過 Sound File Write．vi(寫入波形至文件)實現，在前面板要設置信號存儲路徑，一般為采集的音頻波形文件命名時默認擴展名是.wav[6]。

3.2 時域分析

音頻時域分析.vi可直接調用音頻采集和存儲.vi所采集的信號文件或其他待測的音頻文件，測量其時域參數并顯示相應的波形圖。LabVIEW提供了大量的信號時域分析函數，如平滑濾波、加窗函數等。由于話筒采集的音頻信號中含有周圍環境的噪聲，因此需要對采集的數據作濾波處理。程序中選用帶通濾波器函數，高、低截止頻率可根據被測對象固有頻率的大小合理選擇。通過時域分析，可測得幅度周期平均值、峰峰值（波峰/ 波谷檢測）、信號的平均頻率、均方值、方差等參數。還可以利用LabVIEW強大的信號處理功能，對信號進行時域內其他分析。

3.3 頻域分析

對信號進行時域分析有時不能反映信號的全部特征，因此要對信號進行頻域分析，LabVIEW提供了豐富的信號頻域分析節點。通過Sound Input Read讀取輸入的聲音波形，將波形輸入到FFT Spectrum. vi模塊、FFT Power Specstrum. vi模塊和其他頻譜測量模塊，一般測量頻譜需要對輸入信號做加窗處理，常選擇Hanning窗。通過頻域分析模塊后分別輸出未加窗的幅頻譜和相頻譜、分析后的功率譜波形、加窗后的幅頻譜。另外為了便于觀察，還輸出處理前的時域波形[5]。圖3為一被測音頻信號的頻域分析圖。

圖3 音頻頻域分析

3.4 嘯叫抑制

話筒拾音的音響系統，都有反饋嘯叫的可能。實際測試對講系統的雙向通話時，嵌入式硬件終端的話筒與喇叭距離太近，喇叭輸出的聲音直接被話筒拾音而產生嘯叫。話筒嘯叫的危害很大，直接影響聽者的情緒。嘯叫時輸出的聲壓很大，破壞效果，影響語音質量。

聲反饋嘯叫實際上是一個或多個音頻頻率點在聲學路徑上形成了正反饋，導致一個或多個音頻頻率點被過分放大后通過揚聲器送出“刺耳”的周期頻率聲音。即原理是音頻系統存在正反饋形成的振蕩。嘯叫產生模型是：傳聲器拾音——前置放大——功率放大——揚聲器——聲學直達或反射路徑——傳聲器拾音。目前在擴聲系統中對嘯叫的抑制方法有很多，如移相法、移頻法、均衡法等。雖然抑制嘯叫手段有所不同, 但都是為了破壞聲音信號正反饋而形成振蕩。移頻方式抑制嘯叫的能力比較顯著。移頻就是移動頻率，將音頻信號的頻譜整體搬移幾個赫茲，從而破壞構成聲反饋的條件，減小嘯叫發生的可能性，從而顯著提高擴聲系統增益[7]。它適用于各種類型的擴聲系統中，具有極大的實用價值。

LabVIEW環境下信號移頻處理過程如下：輸入信號——窗函數選擇——FFT——截取雙邊譜——單邊譜移位——重構雙邊譜——IFFT——輸出信號[8]。程序中多次調用數組選板提供的數組函數[9]。如圖4所示。

圖4 信號移頻處理邏輯框

圖5 嘯叫抑制部分程序框

硬件終端采集語音時，必須采集到一幀或多幀后才能實現編碼、打包及解碼。因此在嘯叫抑制模塊中先對采集的數據進行了信號分幀處理（每幀長320個字節）再移頻。其中將信號移頻處理功能部分的程序單獨編制成為一個子VI，在需要時直接調用，簡化程序框圖，如圖5所示。

3.5 錄音與回放

錄音與回放模塊設置聲卡參數后運行程序可實現音頻的錄入，以及設置錄制聲音的文件名保存路徑，并開發有對于保存的數據文件讀取程序，實現.wav格式文件的回放。回放移頻處理后的文件，抑制嘯叫效果明顯。該程序也可增添其它功能。

4 結語

以計算機聲卡對音頻信號進行采集分析處理，借助LabVIEW軟件平臺，設計開發的音頻信號分析處理系統，實現了對音頻信號的采集、時域分析、頻域分析以及嘯叫抑制處理等功能。實驗測試中，系統運行平穩，操作方便，分析處理結果較理想。而且，系統充分利用LabVIEW數據分析處理能力強、界面友好等優點，降低開發成本，方便實用，具有一定的參考和工程應用價值[10]。

[1] 曲麗蓉,胡蓉,范壽康.LabVIEW、MATLAB及其混合編程技術[M].北京:機械工業出版社,2011.

[2] 郝張紅,劉先勇,袁長迎,等.基于聲卡的虛擬音頻信號采集與處理[J].微計算機原理,2007,23(12):98-99.

[3] 李江全,劉恩博,胡蓉,等. LabVIEW虛擬儀器數據采集與串口通信測控應用實踐[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[4] 史劍鋒,常國棟,李志剛.一種基于LabVIEW和MATLAB 的語音識別方法[J].信息安全與通信保密,2007(07):57-59.

[5] 高丙坤,高潤檸,王靜,等.基于 PC聲卡和 LabVIEW的音頻分析儀設計[J].實驗室科學,2010,13(04):117-119.

[6] 蔣靈搏.基于 LabVIEW 的音頻檢測系統設計[J].儀器儀表用戶,2011,3(28):78-90.

[7] 郝為強.擴聲系統移頻增音的PSpice仿真分析[J].電聲技術,2006,12(03):13-16.

[8] 劉鋼.快速傅立葉變換在聲音均衡和頻譜中的應用[J].通信技術,2008,41(07):250-251.

[9] 楊君,呂鏡清.FFT濾波誤差分析[J].通信技術,2010,43(06):235-237.

[10] 高陽,黃征,徐徹,等.基于高階頻譜分析的音頻篡改鑒定[J].信息安全與通信保密,2008(02):94-96.