基于LabVIEW的語音信號(hào)處理

劉鑫+金暄宏

摘 要：針對(duì)LabVIEW的語音信號(hào)分析，為了體現(xiàn)LabVIEW的簡潔性與可靠性，分別通過聲卡和LabVIEW自帶的程序包對(duì)聲音進(jìn)行信號(hào)采集與聲音信息保存，并利用LabVIEW自身強(qiáng)大的信號(hào)處理能力進(jìn)行信號(hào)分析處理，對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行端點(diǎn)檢測、濾波、加窗等預(yù)處理。研究結(jié)果表明，通過與理論數(shù)值的對(duì)比，可以得到與預(yù)期一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并能夠通過更加簡單易懂的程序完成該功能，從而充分體現(xiàn)了G語言的簡潔性、可靠性。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；聲卡；信號(hào)采集；聲音保存；信號(hào)分析；G語言

DOIDOI：10.11907/rjdk.171328

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：1672-7800（2017）008-0135-03

0 引言

語音信號(hào)的處理與人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信號(hào)處理學(xué)等領(lǐng)域關(guān)系越來越密切。語音信號(hào)采集與分析更是智能機(jī)器人發(fā)展的重要推動(dòng)力量。但是現(xiàn)在市場上的語音分析系統(tǒng)價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜，且僅能用于特定的方面，因此有關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是利用Matlab進(jìn)行語音及其相關(guān)信號(hào)的處理[1]。但是Matlab卻有學(xué)習(xí)慢、程序直觀性不夠等缺點(diǎn)，在進(jìn)行語音信號(hào)處理時(shí)往往比較慢、比較難。

LabVIEW作為一種強(qiáng)大的信號(hào)處理軟件，其基礎(chǔ)語言G語言作為圖形化語言，不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，還擁有應(yīng)用方案靈活、性能提高快、綜合成本更低等優(yōu)點(diǎn)[2]。不論是工程實(shí)踐還是學(xué)校教學(xué)，它都是一個(gè)很不錯(cuò)的工具軟件，也越來越多地在工業(yè)領(lǐng)域、教育領(lǐng)域得到推廣。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 LabVIEW簡介

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（National Instruments，NI）公司研制開發(fā)，是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言[3]。LabVIEW類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是與其它計(jì)算機(jī)語言有著明顯的差別。其它計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 不僅使編程變得簡單，而且生動(dòng)有趣，有助于語言學(xué)習(xí)。

1.2 信號(hào)采集過程

聲卡（Sound Card）也叫音頻卡，是多媒體技術(shù)中最基本的組成部分，是實(shí)現(xiàn)聲波/數(shù)字信號(hào)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(hào)加以轉(zhuǎn)換，輸出到耳機(jī)、揚(yáng)聲器、擴(kuò)音機(jī)、錄音機(jī)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)出聲音。電腦聲卡的工作原理很簡單，麥克風(fēng)和喇叭所用的都是模擬信號(hào)，而電腦所能處理的都是數(shù)字信號(hào)，聲卡的作用就是實(shí)現(xiàn)兩者的轉(zhuǎn)換。從結(jié)構(gòu)上分，聲卡可分為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路兩部分：模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將麥克風(fēng)等聲音輸入設(shè)備采集到的模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電腦能處理的數(shù)字信號(hào)，而數(shù)模轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將電腦使用的數(shù)字聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為喇叭等設(shè)備能使用的模擬信號(hào)[4]。

LabVIEW中提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集程序包，可以很簡單地通過程序包對(duì)聲卡進(jìn)行調(diào)用。例如使用Acquire Sound獲取相關(guān)聲音信息，只需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)就可以獲得所需要的語音信息。

由于聲卡直接對(duì)收集的聲音信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此聲卡所得到的信息直接為數(shù)字量而非模擬量，不需要再次進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)對(duì)信號(hào)采集和保存的相關(guān)要求，程序后面板設(shè)計(jì)如圖1所示。

對(duì)聲音進(jìn)行采集時(shí)主要的參數(shù)為錄音時(shí)間、采樣位數(shù)、采樣頻率和聲卡通道。在LabVIEW的Acquire Sound程序包中都涵蓋了相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。雙擊該函數(shù)即可看見設(shè)置面板，為了方便修改相關(guān)信息，也可外接。

1.3 語音信號(hào)分析處理

對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采集保存后，便可對(duì)存儲(chǔ)的信號(hào)進(jìn)行讀取進(jìn)而進(jìn)行處理分析。由于語音信號(hào)攜帶著大量的信息，而語音分析的目的就是對(duì)這些信息進(jìn)行處理分析，因此需要對(duì)語音信息進(jìn)行不同的變換。語音信息分析可分為時(shí)域和變換域等處理方法[5]。而利用傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而得到其頻域信息是研究語音信號(hào)特征的重要方法之一。傅立葉變換是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域一種很重要的算法。傅立葉原理表明：任何連續(xù)測量的時(shí)序或信號(hào)，都可以表示為不同頻率的正弦波信號(hào)的無限疊加。而根據(jù)該原理創(chuàng)立的傅立葉變換算法利用直接測量到的原始信號(hào)，以累加方式來計(jì)算該信號(hào)中不同正弦波信號(hào)的頻率、振幅和相位。

和傅立葉變換算法對(duì)應(yīng)的是反傅立葉變換算法。該反變換從本質(zhì)上說也是一種累加處理，這樣就可以將單獨(dú)改變的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)信號(hào)。因此，可以說，傅立葉變換將原來難以處理的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成了易于分析的頻域信號(hào)（信號(hào)的頻譜），可以利用一些工具對(duì)這些頻域信號(hào)進(jìn)行處理、加工，最后還可以利用傅立葉反變換將這些頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)[6]。傅里葉變換如下：

F（ω）=F[f（t）]=∫∞-∞f（t）e-jωt dt（1）

其逆變換如下所示：

f（t）=F-1[F（ω）]=12π∫∞-∞F（ω） ejωtdω（2）

在LabVIEW中可利用已有的工程包簡單方便地對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，并針對(duì)不同的傅里葉變換信息進(jìn)行分類處理。由于錄音時(shí)無法完全錄入所需信息，其中必然會(huì)夾雜一些非有效信息，需要將這些無效的雜音或者并未發(fā)聲的信息進(jìn)行濾除，因而需要進(jìn)行端點(diǎn)檢測，探查出語音信號(hào)是從何處開始又在何處結(jié)束的。由于LabVIEW內(nèi)部是擁有Matlab節(jié)點(diǎn)的，所以可以使用Matlab進(jìn)行聯(lián)合編程。后面板如圖2所示。雖然使用了Matlab，但是這樣處理仍然比單獨(dú)使用Matlab編程快得多。

在進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)加重，主要是加窗，并對(duì)高頻部分進(jìn)行加重，進(jìn)而加強(qiáng)其高頻部分的分辨率。其結(jié)果是高頻部分的幅值得到提升，頻譜變得平坦。

在加強(qiáng)高頻部分時(shí)，傳遞函數(shù)為：endprint

H（z）=1-a·z-1（3）

一般通過式（3）的一階FIR高通數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)預(yù)加重，其中a為預(yù)加重系數(shù)，一般a取值為0.9

接下來需要進(jìn)行加窗分幀處理。所謂分幀，就是語音信號(hào)平穩(wěn)性只在很短的時(shí)間內(nèi)（一般認(rèn)為在10～30ms內(nèi)語音信號(hào)可近似相等），這就意味著可以將語音信號(hào)分割成短段來處理。而語音信號(hào)的分幀多是采用可移動(dòng)的有限長度的窗口進(jìn)行加權(quán)處理。一般分幀為33～100幀/s，不同的情況分幀長度也會(huì)不同。而分幀方法采用的是交疊分段的方法，即前后幀的交疊部分稱為幀移，幀移與幀長相對(duì)度（即比值）控制在0～0.5之間[7]。而加窗時(shí)可采用漢明窗來進(jìn)行加窗處理，漢明窗函數(shù)如下：w（n）=0.54-0.46cos[2πnN-1]，0≤n≤N

0，其他 （4）

然后對(duì)所需要的信息進(jìn)行濾波提取。

綜上所述，圖3是設(shè)計(jì)后面板。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先，先錄一段語音，然后對(duì)所存語音信息進(jìn)行提取即端點(diǎn)提取。結(jié)果的時(shí)域信號(hào)如圖4和圖5所示。

由圖5不難發(fā)現(xiàn)，在之前保存的語音信號(hào)已經(jīng)得到了裁剪，原始語音信號(hào)開始部分的無效信號(hào)的大部分成分已經(jīng)被濾除。

接下來使用LabVIEW中的快速傅里葉函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到信號(hào)的頻率譜以及能量譜密度函數(shù)。由于人所能接受的語音信號(hào)的頻率為300～3 400Hz之間，可以對(duì)所得到的語音信號(hào)進(jìn)行300～3 400Hz帶通濾波。可在LabVIEW后面板中選擇濾波器，并將類型選擇為帶通，這里可選擇使用IIR、巴特沃斯濾波器，階數(shù)選擇3，對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行觀察。所得結(jié)果如圖6-圖10所示。

本實(shí)驗(yàn)中使用的窗函數(shù)為漢明窗。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中不難看出，預(yù)處理后得到的信號(hào)高頻部分得到加強(qiáng)，波形整體變得更加平坦，濾波效果明顯。此信號(hào)可以直接對(duì)照運(yùn)用Matlab實(shí)現(xiàn)對(duì)語音的采集與分析，結(jié)果相同[8]。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)利用聲卡對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行采集和保存，并利用LabVIEW進(jìn)行信號(hào)有效部分截取（端點(diǎn)檢測）、預(yù)處理和濾波處理。雖然設(shè)計(jì)簡單，但是對(duì)處理后的信息可以進(jìn)行再次加工，獲得諸如聲紋識(shí)別、語音加密等用途，充分證明了LabVIEW的簡單性和功能的強(qiáng)大性。面對(duì)將來對(duì)語音信息越來越大的需求，運(yùn)用LabVIEW對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行處理會(huì)越來越快速、簡單、可靠。該實(shí)驗(yàn)就很好地證明了這一點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于振江.一種基于Matlab的語音信息采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2012，22（12）：112-112.

[2] 張易知，肖嘯，張喜斌，等.虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3] 火元蓮，齊永峰，張鵬萬，等.基于LabVIEW的數(shù)字信號(hào)處理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，67（4）：114-115.

[4] 饒志芳.聲卡工作原理[J].電子測試， 2000，7（2）：156-160.

[5] 李春泉，伍軍云，熊殷，基于MATLAB的語音信號(hào)時(shí)頻域參數(shù)分析[J].科技廣場，2007，20（9）：22-24.

[6] 冷建華.傅里葉變換[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2004.

[7] 劉代龍.基于MATLAB的語音信號(hào)預(yù)處理[D].畢節(jié)：貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院， 2014.

[8] 陳宇峰.基于聲卡和Matlab的語音信號(hào)采集和處理[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2006，9（5）：49-56.