基于LabView的語(yǔ)音信號(hào)分析系統(tǒng)

1、湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)學(xué)號(hào)業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目: 基于LabVIEW的語(yǔ)音信號(hào)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 作 者 賈 邦 穩(wěn) 屆 別 2015 屆 院 別 信息與通信工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 電子信息工程 指導(dǎo)教師 彭仕玉 職 稱(chēng) 副教授 完成時(shí)間 2015 年 5 月 摘 要虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，實(shí)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(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音合成技術(shù)、語(yǔ)音壓縮編碼和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。本設(shè)計(jì)利用虛擬儀器軟件平臺(tái)LabVIEW 設(shè)計(jì)了一個(gè)語(yǔ)音信號(hào)

2、分析系統(tǒng)。先介紹了四種采集語(yǔ)音信號(hào)的方法，并選擇采用錄音機(jī)錄制的方法采集語(yǔ)音信號(hào)，然后設(shè)計(jì)基于LabVIEW的時(shí)域信號(hào)的FFT分析模塊，接著設(shè)計(jì)截止頻率為3000Hz的Butterworth低通濾波器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波去噪，最后根據(jù)以上設(shè)計(jì)進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析、特性分析等。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；語(yǔ)音信號(hào)；時(shí)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(yǔ)音信號(hào)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(jì)方案52.1系統(tǒng)基本概述52.2系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)52.3系統(tǒng)框圖7第3章 語(yǔ)音信號(hào)的采集83.1

7、 語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)的設(shè)計(jì)14第4章 基于LabVIEW的語(yǔ)音信號(hào)分析的實(shí)現(xiàn)154.1語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析154.1.1語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理154.1.2語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)能量和短時(shí)平均幅度函數(shù)174.1.3語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)自相關(guān)函數(shù)和短時(shí)平均幅度差函數(shù)184.2語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析184.3濾波器的設(shè)計(jì)及濾波實(shí)現(xiàn)204.4語(yǔ)音信號(hào)的綜合實(shí)現(xiàn)234.4.1語(yǔ)音分析系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)234.4.2語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析24第5章 總結(jié)25參考文獻(xiàn)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(guó)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(jì)算機(jī)結(jié)合在一起，用戶(hù)能通過(guò)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的在線幫助功能和數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)圖形環(huán)境，建成圖形化界面的虛擬儀器軟面板，存儲(chǔ)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(jìn)行變換，增強(qiáng)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(shí)讓用戶(hù)能根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)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(diǎn)，而且還超越了前者。虛擬儀器在計(jì)算機(jī)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(jìn)行處理。虛擬儀器作為一個(gè)全新的概念，虛擬儀器是儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)的結(jié)晶，其也是計(jì)算機(jī)和測(cè)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(wàn)能”功能概念，將計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用到極致，特別強(qiáng)調(diào)“軟件即儀器”.還可以利用LabVIEW、Agilent VEE等虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)開(kāi)發(fā)。在某種程序上軟件能做到傳統(tǒng)儀器不可能實(shí)現(xiàn)的一些硬件測(cè)試功能，例如，可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)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(kāi)放性，讓組建系統(tǒng)變得更加靈活簡(jiǎn)單。虛擬儀器具有強(qiáng)大的功能，比如信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理等，還有友好的人機(jī)界面。特別地，用戶(hù)不必花費(fèi)大量錢(qián)財(cái)投資于多臺(tái)不同功能的儀器，編程用戶(hù)可以根據(jù)需要對(duì)各個(gè)功能和面板進(jìn)行擴(kuò)展和自定義。用戶(hù)還可以修改程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同環(huán)境的測(cè)量、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)儀器的

10、遠(yuǎn)程調(diào)試和控制，以節(jié)省資源。常見(jiàn)的虛擬儀器有雙蹤示波器和頻譜分析儀、多蹤信號(hào)示波器、雙蹤儀器庫(kù)、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(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件三大要素構(gòu)成的。計(jì)算機(jī)與儀器硬件又稱(chēng)為VI的通用儀器硬件平臺(tái)。虛擬儀器的主要特點(diǎn)有：擴(kuò)展性強(qiáng)、性能高、智能化程度高、靈活性好、界面友好、兼容性、開(kāi)發(fā)時(shí)間少。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，實(shí)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(diǎn)。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(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)分析系統(tǒng)、橋墩位移監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)、鍋爐

11、供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)等。因此它成為儀器行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，并受到許多國(guó)家儀器行業(yè)的重視。世界上最早開(kāi)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(guó)海軍研制了一種基于計(jì)算機(jī)的聲吶測(cè)試儀，其可以再計(jì)算機(jī)的控制下完成指定指令的測(cè)試工作，畢竟是第一次開(kāi)發(fā)虛擬儀器，成本與開(kāi)發(fā)周期都不太理想。后來(lái)他們二人在多次研發(fā)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)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(jiǎn)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(yùn)行在Macintosh平臺(tái)上，后

12、來(lái)出現(xiàn)了Windows 3.0操作系統(tǒng)，操作性能更加良好。科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，在自動(dòng)測(cè)試、儀器控制和數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域無(wú)一例外不應(yīng)用到虛擬儀器技術(shù)，測(cè)試系統(tǒng)和儀器控制的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)也因?yàn)樘摂M儀器技術(shù)而發(fā)生了深刻的變化。測(cè)試與測(cè)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(cè)控儀器，用戶(hù)可以對(duì)虛擬儀器進(jìn)行充分的想象并發(fā)揮，根據(jù)自己的實(shí)際需要設(shè)計(jì)符合開(kāi)發(fā)要求的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器具有先進(jìn)的性能和廣泛的應(yīng)用前景吸引著許多國(guó)際知廠商如HP公司、PC儀器公司、Racal公司等先后開(kāi)始研發(fā)虛擬儀器。常見(jiàn)的虛擬儀器開(kāi)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(yǔ)音的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)十分適合于開(kāi)發(fā)面向測(cè)控領(lǐng)域的基于Windows的圖形化應(yīng)用軟件。其以ANSIC和擴(kuò)展集為編程語(yǔ)言，含有豐富的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，如RS232、GPIB、VISA、數(shù)據(jù)分析和TCP協(xié)議函數(shù)庫(kù)等，可以進(jìn)行測(cè)量、控制、數(shù)據(jù)傳輸及處理等。本設(shè)計(jì)主要采用LabVIEW。LabVIEW由NI公司推出，是一種圖形化編程語(yǔ)言，與傳統(tǒng)的文本編輯語(yǔ)言中的子程序或函數(shù)相似，虛擬儀器就是用LabVIEW開(kāi)發(fā)的軟件，其操作界面與現(xiàn)實(shí)中的儀器幾乎沒(méi)有什么差別，但功能卻比現(xiàn)實(shí)中的傳統(tǒng)儀器更強(qiáng)大。LabVIEW的全稱(chēng)是Laboratory Virtual Inst

14、rument Engineering Workbench，其源程序完全是圖形化框圖，沒(méi)有文本代碼，稱(chēng)圖形化源代碼為G代碼。在LabVIEW平臺(tái)上編寫(xiě)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(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲(chǔ)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(kuò)展庫(kù)函數(shù)，還能在自身配備的工具不能完成一些任務(wù)時(shí)，調(diào)用專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)采集和處理工具包擴(kuò)展庫(kù)進(jìn)行強(qiáng)大的專(zhuān)業(yè)分析。它也具有強(qiáng)大的儀器驅(qū)動(dòng)庫(kù)可以和多種儀器連接。軟件LabVIEW能編出功能強(qiáng)大、界面美觀的程序，其編程語(yǔ)言簡(jiǎn)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(lèi)編程技巧。作為編程者你可以在編程過(guò)程中，直接找到所需控件然后拖動(dòng)至程序框圖中，再一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行連線，便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送了，避免了很多復(fù)雜的公式運(yùn)算、程序調(diào)用及傳遞參數(shù)，十分簡(jiǎn)便。LabVIEW經(jīng)過(guò)快速發(fā)展，自問(wèn)世至今已被大多數(shù)人所認(rèn)同。它已然成為當(dāng)今測(cè)控領(lǐng)域的潮流熱點(diǎn)，代表著未來(lái)虛擬儀器的發(fā)展方向。1.2 語(yǔ)音信號(hào)處理的發(fā)展及應(yīng)用語(yǔ)音是人類(lèi)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(lái)源和利用信息的重要手段。在高度信息化的今天，語(yǔ)音處理的一系列技術(shù)及應(yīng)用已經(jīng)成為信息社會(huì)不可或缺的重要組成部分。語(yǔ)言是人類(lèi)特有的功能，其是記載和創(chuàng)造幾千年

16、以來(lái)人類(lèi)文明史的主要手段，如果沒(méi)有語(yǔ)言那么就沒(méi)有今天的人類(lèi)文明。其中語(yǔ)音既是語(yǔ)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(lèi)最有效、最重要、最方便和最常用的交換信息的形式。語(yǔ)音信號(hào)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(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行了研究。由于沒(méi)有適當(dāng)?shù)膬x器設(shè)備，長(zhǎng)期以來(lái)，一直是由耳傾聽(tīng)和用口模仿來(lái)進(jìn)行研究。因此，這種語(yǔ)言研究常備稱(chēng)為“口耳之學(xué)”，所以對(duì)語(yǔ)音只是停留在定性的描寫(xiě)上。語(yǔ)音信號(hào)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(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的語(yǔ)音傳輸。1939年Homer Dudley提出并研制成功的第一

17、個(gè)聲碼器，從此奠定了語(yǔ)音產(chǎn)生模型的基礎(chǔ)。這一發(fā)明在語(yǔ)音信號(hào)處理領(lǐng)域具有劃時(shí)代的意義。19世紀(jì)60年代，亥姆霍茲應(yīng)用聲學(xué)方法對(duì)元音和歌唱進(jìn)行了研究，從而奠定了語(yǔ)音的聲學(xué)基礎(chǔ)。20世紀(jì)40年代，一種語(yǔ)言聲學(xué)的專(zhuān)用儀器語(yǔ)譜圖儀問(wèn)世了。它可以把語(yǔ)音的時(shí)變頻譜用語(yǔ)圖表示出來(lái)，從而得到了“可見(jiàn)語(yǔ)言”。1948年美國(guó)Haskins實(shí)驗(yàn)室研制成功“語(yǔ)音回放機(jī)”，該儀器可以把手工繪制在薄膜片上的語(yǔ)譜圖自動(dòng)轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音，并進(jìn)行語(yǔ)音合成。20世紀(jì)50年代對(duì)語(yǔ)言產(chǎn)生的聲學(xué)理論開(kāi)始有了系統(tǒng)論述。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，語(yǔ)音信號(hào)處理的研究得到了計(jì)算機(jī)技術(shù)的幫助，使得過(guò)去受人力、時(shí)間限制的大量的語(yǔ)音統(tǒng)計(jì)分析工作，得以在電子計(jì)算機(jī)上

18、進(jìn)行。作為高科技應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)主要研究和利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(DSP)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理與分析，讓未來(lái)的計(jì)算機(jī)更加智能，做到“能聽(tīng)會(huì)說(shuō)”。語(yǔ)音分析會(huì)涉及許多很難的數(shù)學(xué)運(yùn)算，但考慮到它的價(jià)格和靈活性，不建議采用硬件方式實(shí)現(xiàn)，對(duì)于用計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合的方法，采用主流的編程方式實(shí)現(xiàn)就可能存在不易拓展、編程復(fù)雜、界面不友好等問(wèn)題。但若采用圖形化軟件LabVIEW，就會(huì)具有編程功能完備、有豐富的各種板卡和多種專(zhuān)用軟件包可供選擇等優(yōu)點(diǎn)，就能很方便地提供一個(gè)界面友好、符合要求的語(yǔ)音分析開(kāi)發(fā)平臺(tái)。語(yǔ)音處理主要從基礎(chǔ)理論、算法實(shí)現(xiàn)及實(shí)際應(yīng)用等方面來(lái)研究。主要研究以下兩個(gè)方面：一是從語(yǔ)音產(chǎn)生和

19、語(yǔ)音感知來(lái)研究；二是將語(yǔ)音作為一種信號(hào)進(jìn)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(lái)出現(xiàn)的線性預(yù)測(cè)編碼技術(shù)，以及80年代出現(xiàn)的分析合成法、馬激勵(lì)線性預(yù)測(cè)、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(dòng)了語(yǔ)音信號(hào)處理的發(fā)展和應(yīng)用。語(yǔ)音信號(hào)處理有著非常廣泛的應(yīng)用，最基本的是語(yǔ)音的數(shù)字傳輸，也就是鍵語(yǔ)音進(jìn)行數(shù)字化后在數(shù)字通信系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字語(yǔ)音通信。主要從語(yǔ)音合成技術(shù)、語(yǔ)音壓縮編碼和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)這三個(gè)方面介紹語(yǔ)音處理的應(yīng)用。語(yǔ)音合成技術(shù)的目的就是讓計(jì)算機(jī)說(shuō)話。按規(guī)則的文字語(yǔ)音合成系統(tǒng)將文字轉(zhuǎn)換成語(yǔ)言讓計(jì)算機(jī)模仿人來(lái)朗讀文本。語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)的目的是在保證一定語(yǔ)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(shí)現(xiàn)語(yǔ)音壓縮碼的設(shè)備通常稱(chēng)為聲碼器，還可以利用線性預(yù)測(cè)、矢量量化、碼本激勵(lì)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音壓縮編碼。根據(jù)語(yǔ)音壓縮采樣率，語(yǔ)音壓縮編碼可分為3003400Hz的窄帶、7kHz的寬帶和20kHz的音樂(lè)帶寬壓縮編碼。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)語(yǔ)音識(shí)別以語(yǔ)音為研究對(duì)象，最終目標(biāo)是將語(yǔ)音轉(zhuǎn)換成等價(jià)的書(shū)面信息實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器進(jìn)行自然語(yǔ)言通信。語(yǔ)音識(shí)別可以有許多分類(lèi)方法，目前研究的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)大詞匯表、費(fèi)特定人的連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，可應(yīng)用于人機(jī)直接對(duì)話、語(yǔ)音打字機(jī)、兩種語(yǔ)音之間的直接通信等。語(yǔ)音識(shí)別有著廣泛的應(yīng)用，若將語(yǔ)音識(shí)別與語(yǔ)音合成結(jié)合起來(lái)還可以實(shí)現(xiàn)甚低比特率的語(yǔ)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(jì)基于LabVIEW的語(yǔ)音信號(hào)分析系統(tǒng)。語(yǔ)音信號(hào)分析系統(tǒng)包括時(shí)域分析和頻域分析，語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)包括短時(shí)能量、短時(shí)過(guò)零率、短時(shí)自相關(guān)函數(shù)和短時(shí)平均幅度差函數(shù)等。語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析包括語(yǔ)音信號(hào)的頻譜、功率譜、倒頻譜、頻譜網(wǎng)絡(luò)分析等頻譜特性進(jìn)行分析。但是本設(shè)計(jì)只進(jìn)行了頻譜分析。首先需要了解LabVIEW平臺(tái)以及掌握LabVIEW的編程基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)相應(yīng)的語(yǔ)音信號(hào)采集、語(yǔ)音信號(hào)時(shí)頻分析、語(yǔ)音信號(hào)的濾波去噪處理等模塊，用于進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析、特性分析等。本文共分為5個(gè)部分進(jìn)行論述：第一章為緒論部分，介紹了虛擬儀器和語(yǔ)音信號(hào)處理的發(fā)展和

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

23、基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)的上述信號(hào)處理模塊。采集語(yǔ)音信號(hào)頻譜分析設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)語(yǔ)音分析平臺(tái)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(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A /D轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號(hào)的形式傳入計(jì)算機(jī)，還能通過(guò)聲卡外接耳機(jī)或音箱將語(yǔ)音波形文件回放。硬件包括三個(gè)部分：拾音及信號(hào)調(diào)理電路，A /D轉(zhuǎn)換電路，PC機(jī)接口電路。如今聲卡作為計(jì)算機(jī)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(jì)工作，使用起來(lái)非常簡(jiǎn)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(gè)部分的設(shè)計(jì)。前面板就好像是一臺(tái)儀器的面板，所呈現(xiàn)出來(lái)面板的和實(shí)際儀表面板幾乎無(wú)差，可以對(duì)儀表進(jìn)行控制、將信號(hào)顯示表達(dá)出來(lái)。LabVIEW包含非常強(qiáng)大的控制模板庫(kù)，用戶(hù)可以找到所需模板并利用其來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而程序框圖面板就負(fù)責(zé)一臺(tái)儀器的內(nèi)部工作部分，用于實(shí)現(xiàn)儀表對(duì)信號(hào)的采集處理等操作。對(duì)應(yīng)的LabVIEW包含的功能模板庫(kù)，用來(lái)幫助用戶(hù)實(shí)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(shí)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(hào)分析處理（波形操作、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)組處理等）被測(cè)信號(hào)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(hào)發(fā)生及分析系統(tǒng)的組成第3章 語(yǔ)音信號(hào)的采集3.1 語(yǔ)音信號(hào)的采集方法利用電腦采集語(yǔ)言信號(hào)的方法有很多種，每一種都有其獨(dú)特的地方，以下幾種是比較常用的錄制語(yǔ)音信號(hào)的方法。方法一：利用筆記本電腦系統(tǒng)自帶錄音機(jī)進(jìn)行錄制Windows 自帶了一個(gè)錄音機(jī)程序（簡(jiǎn)稱(chēng)錄音機(jī)），通過(guò)它可以驅(qū)動(dòng)聲卡采集、播放和簡(jiǎn)單處理語(yǔ)音信號(hào)。語(yǔ)音信號(hào)的采集可以使用電腦的錄音機(jī)直接錄制人的語(yǔ)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(jī)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣的過(guò)程，電

26、腦聲卡會(huì)自動(dòng)將原本模擬語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換之后獲得WMA文件（WMA是錄音時(shí)windows系統(tǒng)默認(rèn)的文件格式），為數(shù)字信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)采集過(guò)程圖3.2 錄音機(jī)方法二：利用LabVIEW中的聲音采集函數(shù)進(jìn)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(shí)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(shí)，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)地顯示、分析。語(yǔ)音信號(hào)的存儲(chǔ)主要由 Sound File Write Open.vi( 設(shè)置為寫(xiě)入) 和Sound File Write.vi實(shí)現(xiàn)。此時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)的語(yǔ)音格為.wav文件。Sound File Write Open.vi用于創(chuàng)建待寫(xiě)入的新.wav 文件。Sound File Write.vi將來(lái)自Sound Input Read.vi的輸出數(shù)據(jù)寫(xiě)入.wav 文件。接著將系統(tǒng)功能切換至讀取語(yǔ)音文件模塊，執(zhí)行對(duì)歷史語(yǔ)音信號(hào)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(kāi)用于讀取的.wav 文件。Sound File Read.vi接收來(lái)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(jì)方法三：使用Matlab軟件直接調(diào)用wavrecord函數(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集。wavrecord是調(diào)用pc機(jī)聲卡來(lái)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集，函數(shù)調(diào)用方式為：wavrecord(n,fs,ch,dtype); n:采樣點(diǎn)數(shù)；fs：采樣頻率，其系統(tǒng)默認(rèn)值為11025Hz；ch：樣本采集通道，1為單聲道，2為雙聲道，默認(rèn)值為1；dt

29、ype：采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，即每個(gè)樣本的解析度。利用MATLAB實(shí)現(xiàn)錄音的語(yǔ)句如下；clear;clc;fs=8000; %8000為采樣頻率channel=1;t=5 ; %采樣時(shí)長(zhǎng)fprintf('按任意鍵后開(kāi)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(yǔ)音信號(hào)fprintf('錄音結(jié)束n'); %文字提示wavwrite(y,fs,'E:jiayou.wav'); %存儲(chǔ)

30、錄音信號(hào)fprintf('按任意鍵后回放:');pause;wavplay(y,fs);方法四：使用GoldWave軟件采集語(yǔ)音信號(hào)GoldWave是一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)字音樂(lè)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(duì)音頻內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)換格式等處理。它體積小巧，功能強(qiáng)大，可以打開(kāi)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(hù)界面，使操作更簡(jiǎn)便；* 多文檔界面可以同時(shí)打開(kāi)多個(gè)文件，簡(jiǎn)化了文件之間的操作；* 編輯較長(zhǎng)的音樂(lè)

31、時(shí)，GoldWave會(huì)自動(dòng)使用硬盤(pán)，而編輯較短的音樂(lè)時(shí)，GoldWave就會(huì)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(tái)稱(chēng)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(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(lái)自話筒、磁帶、光盤(pán)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(guò)音樂(lè)設(shè)備數(shù)字接口(MIDI)使樂(lè)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(xiě)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(hào)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(xiě)的，直接與聲卡驅(qū)動(dòng)聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲卡的快速訪問(wèn)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(gè)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(gè)參數(shù)是采樣位數(shù)和采樣頻率。采樣頻率，也稱(chēng)為采樣速度或采樣率，表示符號(hào)為fs，指每秒從連續(xù)信號(hào)中提取并組成離散信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)，單位為 Hz。采樣頻率的倒數(shù)是采樣周期或采樣時(shí)間，它是采樣點(diǎn)之間的時(shí)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(pán)的空間也就越大。采樣率通常有44100 Hz，22050 Hz，11025 Hz，8000 Hz。對(duì)于少數(shù)專(zhuān)業(yè)的聲卡，采樣率能達(dá)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(duì)聲音的解析度，又被稱(chēng)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(duì)大多數(shù)采集卡12位的分辨率來(lái)講，目前市場(chǎng)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(gè)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(duì)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(zhǎng)度，其實(shí)

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(guò)長(zhǎng)，那么buffer里面的數(shù)據(jù)就會(huì)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(gè)間隔的數(shù)據(jù)就足以把buffer填滿了，同時(shí)讀取的長(zhǎng)度也應(yīng)該保證buffer不會(huì)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(yǔ)音信號(hào)的設(shè)計(jì)采用錄音機(jī)錄制語(yǔ)音直接對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集，將其保存在E盤(pán)，然后用控件path對(duì)其進(jìn)行調(diào)用，接著采用讀取并打開(kāi)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(duì)其進(jìn)行讀取，如下圖所示：圖3.8 錄音機(jī)采集設(shè)計(jì)圖3.9 讀取歷史語(yǔ)音信號(hào)的設(shè)計(jì)第4章 基于LabVIEW的語(yǔ)音信號(hào)分析的實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)是一種非平穩(wěn)的時(shí)變信號(hào)，它攜帶著各種信息，具有短時(shí)平穩(wěn)性，因而在整個(gè)語(yǔ)音分析過(guò)程中將采用“短時(shí)分析技術(shù)”。也就是將語(yǔ)音信號(hào)分段分析，一段也就是一“幀”，然后再對(duì)其特征參數(shù)進(jìn)行分析，得出的整體語(yǔ)音信號(hào)就是將各個(gè)幀的特征參數(shù)疊加成一個(gè)整體特征參數(shù)時(shí)間序列。分析語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)候，可根據(jù)參數(shù)性質(zhì)的不同，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、倒頻域分析等。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)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(shí)域分析方法具有其簡(jiǎn)單、獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)而言，頻域分析更重要。語(yǔ)音信號(hào)在頻域內(nèi)，它的頻率范圍通常集中在3003400Hz。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)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(yǔ)音信號(hào)。采樣頻率越高，獲得的聲音文件質(zhì)量越好，占用磁(光)盤(pán)的空間也就越大。4.1語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析就是分析和提取語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)，語(yǔ)音信號(hào)本身就是時(shí)域信號(hào)，故直接利用語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域波形。語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)包括短時(shí)能量、短時(shí)過(guò)零率、短時(shí)自相關(guān)函數(shù)和短時(shí)平均幅度差函數(shù)等。4.1.1語(yǔ)音信號(hào)的預(yù)處理在進(jìn)行分析之前，還要對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化、語(yǔ)音信號(hào)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(jìn)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(hào)（語(yǔ)音）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，故語(yǔ)音信號(hào)已為數(shù)字信號(hào)，可直接進(jìn)行預(yù)處理。首先是預(yù)加重，然后進(jìn)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(chēng)為幀移，幀移與幀長(zhǎng)的比值一般為01/2。分幀是用可移動(dòng)的有限長(zhǎng)度窗口進(jìn)行加權(quán)。圖4.1 語(yǔ)音信號(hào)分幀圖對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理的時(shí)候會(huì)經(jīng)常用到漢明窗（hanning）、矩形窗等，窗函數(shù)的選擇（形狀和長(zhǎng)度）非常影響短時(shí)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(shí)域，要減小時(shí)間窗兩端的坡度以便讓窗口邊緣兩端平滑過(guò)渡到零，讓截取出的語(yǔ)音波形慢慢降為零，減小語(yǔ)音幀的截?cái)嘈?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(zhǎng)主瓣越窄，加窗后的頻譜能夠更好地逼近短時(shí)語(yǔ)音的頻譜；窗長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻譜分辨率越高，但時(shí)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(jì)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(xì)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(zhǎng)度N、和分辨率之間的關(guān)系： （4-3）對(duì)于時(shí)域而言，若N很大，就等效于很窄的低通濾波器了，反應(yīng)語(yǔ)音信號(hào)波形細(xì)節(jié)的高頻部分被阻礙，短時(shí)能量隨時(shí)間變化小，不能真實(shí)反映語(yǔ)音信號(hào)的幅度變化；相反，若N太小，濾波器的通帶變寬，短時(shí)能量隨時(shí)間變化劇烈，不能得到平滑的能量函數(shù)。通常一個(gè)語(yǔ)音幀包含17個(gè)基音周期，最長(zhǎng)基音周期約為20ms，N至少大于兩個(gè)基音周期。4.1.2語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)能量和短時(shí)平均幅度函數(shù)短時(shí)能量定義為： （4-4）式中N為窗長(zhǎng)?？梢?jiàn)短時(shí)能量為一幀樣

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

41、的線性預(yù)測(cè)分析時(shí)也要用到，其計(jì)算公式如下： （4-6）這里K為最大的延遲點(diǎn)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(hào)的自相關(guān)函數(shù)是一個(gè)同周期的周期函數(shù)，即有2）對(duì)稱(chēng)性。3）存在最大值。對(duì)所有k有：4）對(duì)確定信號(hào)，值等于信號(hào)能量：對(duì)隨機(jī)信號(hào)或周期信號(hào)，值等于平均功率。短時(shí)平均幅度差函數(shù)(AMDF)能代替自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行語(yǔ)音分析且大大減少了計(jì)算量。短時(shí)平均幅度差函數(shù) （4-7）4.2語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析對(duì)一個(gè)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，就可以得到的信號(hào)的頻譜，信號(hào)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(hào)的各個(gè)頻率成分的幅值作為因變量，表征信號(hào)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(shí)間原點(diǎn)所具有的相位。功率譜是功率譜密度函數(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它定義為單位頻帶內(nèi)的信號(hào)功率。它表示了信號(hào)功率隨著頻率的變化情況，即信號(hào)功率在頻域的分布狀況。語(yǔ)音信號(hào)的頻域分析包括語(yǔ)音信號(hào)的頻譜、功率譜、倒頻譜、頻譜網(wǎng)絡(luò)分析等頻譜特性進(jìn)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(cè)法等幾種。信號(hào)的傅立葉表示在信號(hào)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?yàn)閷?duì)于線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以很方便地確定其對(duì)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(hào)分析和處理問(wèn)題。另外，傅立葉表示使信號(hào)的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說(shuō)明信號(hào)的各項(xiàng)宏物理現(xiàn)象。短時(shí)傅里葉變換就是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)分幀處理，然后計(jì)算某一幀的傅里葉變換，定義為： （4-8）其中為實(shí)數(shù)窗序列，n取不同的值，窗沿時(shí)間軸滑動(dòng)到不同的位置，取出不同的語(yǔ)音幀進(jìn)行傅里葉變換。它反映了語(yǔ)音信號(hào)的頻譜隨時(shí)間變化的特性。短時(shí)傅里葉反變換由時(shí)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(gè)信號(hào)變換到頻域，有些信號(hào)在時(shí)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(hào)分析采用FFT變換的原因。而且FFT

44、可以將一個(gè)信號(hào)的頻譜提取出來(lái)，其根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得。用FFT對(duì)信號(hào)作頻譜分析對(duì)學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理來(lái)說(shuō)十分重要。模擬信號(hào)和時(shí)域離散信號(hào)經(jīng)常需要進(jìn)行譜分析。對(duì)信號(hào)進(jìn)行譜分析的重要問(wèn)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?yàn)镕FT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(lái)自于用FFT作頻譜分析時(shí)，得到的是離散譜，而信號(hào)（周期信號(hào)除外）是連續(xù)譜，只有當(dāng)N較大時(shí)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(diǎn)數(shù)為N，做FFT之后，某一點(diǎn)n

45、（n從1開(kāi)始）表示的頻率為：Fn=(n-1)*Fs/N；該點(diǎn)的模值除以N/2就是對(duì)應(yīng)該頻率下的信號(hào)的幅度；該點(diǎn)的相位即是對(duì)應(yīng)該頻率下的信號(hào)的相位。要精確到x Hz，則需要采樣長(zhǎng)度為1/x秒的信號(hào)，并做FFT。要提高頻率分辨率，就需要增加采樣點(diǎn)數(shù)，但是這卻并不可取，在實(shí)際應(yīng)用中需要在較短的時(shí)間內(nèi)完成分析。可以嘗試頻率細(xì)分法來(lái)解決問(wèn)題，要想簡(jiǎn)單些的話采樣比較短時(shí)間的信號(hào)，然后在后面補(bǔ)充一定數(shù)量的0，使其長(zhǎng)度達(dá)到需要的點(diǎn)數(shù)，再做FFT。圖4.4 原始信號(hào)及濾波信號(hào)的時(shí)頻分析設(shè)計(jì)4.3濾波器的設(shè)計(jì)及濾波實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的時(shí)候由于受到外在因素等原因的干擾不可避免地會(huì)產(chǎn)生噪聲信號(hào)，從而導(dǎo)致信號(hào)的失真，于是，就

46、需要濾波技術(shù)來(lái)消除這些噪聲。濾波器是一種選頻裝置，能讓信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)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(hào)，通過(guò)數(shù)值運(yùn)算處理改變輸入信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)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(hào)的波形或頻譜，讓有用信號(hào)頻率分量通過(guò)，抑制無(wú)用信號(hào)分量輸出。數(shù)字濾波器根據(jù)其沖擊響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域特征，可分為兩種，即無(wú)限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器和有限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)（FIR）濾波器。IIR濾波器的特征是，具有無(wú)限持續(xù)時(shí)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(shí)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(dá)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(shí)，有半功率頻率，即有3dB衰減。2）切比雪夫?yàn)V波器切比雪夫?yàn)V波器的幅頻響應(yīng)表達(dá)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(dòng)的程度，越大波動(dòng)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(guò)度迅速。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)，當(dāng)濾波器的階次較高時(shí)，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(guò)巴特沃斯濾波處理的信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，因?yàn)樵跒V波器的通帶和阻帶之間有一平滑過(guò)渡。綜合以上對(duì)濾波器特性的考慮，本設(shè)計(jì)采用Butterworth低通濾波器對(duì)所采集到的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波處理。語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)的濾波設(shè)計(jì)4.4語(yǔ)音信號(hào)的綜合實(shí)現(xiàn)4.4.1語(yǔ)音分析

49、系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖4.7語(yǔ)音分析系統(tǒng)的程序框圖圖4.8 語(yǔ)音分析系統(tǒng)的前面板4.4.2語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)頻分析圖4.9 讀取信號(hào)的時(shí)、頻域波形圖圖4.10 濾波信號(hào)的時(shí)、頻域波形圖對(duì)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(duì)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(guò)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(jì)的是基于labview的語(yǔ)音信號(hào)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先要了解LabView平臺(tái)、掌握LabView的編程技術(shù)，然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的語(yǔ)音信號(hào)采集系統(tǒng)，語(yǔ)音信號(hào)時(shí)頻分析，語(yǔ)音信號(hào)的濾波處理等模塊，用于對(duì)語(yǔ)音信號(hào)分析系統(tǒng)的分析和處

50、理。真正開(kāi)始的時(shí)候，才發(fā)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)比我想象中要難得多。我按部就班，從搜索有用資料開(kāi)始，通過(guò)閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)和書(shū)籍，慢慢對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的相關(guān)知識(shí)有了一定的了解，在此基礎(chǔ)上，我開(kāi)始打開(kāi)labview軟件進(jìn)行模擬操作，嘗試做出結(jié)果。我向指導(dǎo)老師彭老師說(shuō)了一下自己大概的思路，彭老師聽(tīng)了之后也做了相關(guān)補(bǔ)充說(shuō)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(xiàn)，調(diào)用了labview軟件庫(kù)中自帶的聲音采集函數(shù)，畫(huà)出了采集部分的程序框圖，并調(diào)用了利用電腦錄音機(jī)錄制了5秒的音頻。比較難的是語(yǔ)音分析模塊和濾波模塊，手中的文獻(xiàn)書(shū)籍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，于是在同學(xué)的建議下，我去labview論壇搜索看看有沒(méi)有我想要的知識(shí)，在論

51、壇里，我才發(fā)現(xiàn)labview有如此強(qiáng)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(dòng)力。Labview的軟件庫(kù)非常強(qiáng)大，省去了復(fù)雜的運(yùn)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(guò)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(shí)候，心中才舒暢許多，但是由于理論掌握不夠到位，分析起來(lái)還是存在些許困難，于是我又繼續(xù)拾起理論知識(shí)，多番鉆研。在第一次交論文的時(shí)候，彭老師不辭辛勞，幫我們面批初稿，給每個(gè)人從內(nèi)容到格式都十分詳細(xì)地進(jìn)行了講解，因此我對(duì)整個(gè)論文和整個(gè)設(shè)計(jì)又有了一個(gè)全新的把握，并進(jìn)行了第二次修改。在一次次的調(diào)試

52、過(guò)程中發(fā)現(xiàn)前面的設(shè)計(jì)仍然存在很多問(wèn)題，如沒(méi)有弄清錄音機(jī)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(duì)自己用錄音機(jī)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)和彭老師及同組同學(xué)的共同探討，終于理清思路，進(jìn)行完善。但是本設(shè)計(jì)仍然存在不足之處，比如對(duì)于加噪模塊的設(shè)計(jì)依舊有待探討。彭老師在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步指出，對(duì)采用聲卡采集函數(shù)這種采集方法，如果可以，采集時(shí)設(shè)計(jì)開(kāi)始采集和結(jié)束采集控制。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我參考了很多方法，進(jìn)行了很多次試驗(yàn)，一次次失敗激勵(lì)著我不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，從而不斷更新了自己的知識(shí)庫(kù)，此過(guò)程雖然無(wú)數(shù)次壓抑、煩躁，但是解決問(wèn)題后的愉悅也是無(wú)法代替的，在整個(gè)設(shè)計(jì)探究過(guò)程中，我受益匪淺。 參考文獻(xiàn)1 趙力.語(yǔ)音信號(hào)處理.M機(jī)械工業(yè)出版社. 2003.4:1461502 高西全，丁玉美.數(shù)字信號(hào)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(yǔ)音分析平臺(tái)的實(shí)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(hào)處