項(xiàng)目設(shè)計(jì) 報(bào)告

1、項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告基于NI myDAQ的音頻信號(hào)處理摘 要本項(xiàng)目設(shè)計(jì)介紹了如何通過(guò)myDAQ完成一個(gè)在線(xiàn)音效處理系統(tǒng)，要求先運(yùn)用myDAQ采集一個(gè)外部音源信號(hào)（如MP3的音頻輸出），接著在LabVIEW中對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的分析處理（數(shù)字信號(hào)處理），最后再通過(guò)myDAQ的音頻輸出口將處理之后的信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換輸出，可以用小型音響或者耳機(jī)聽(tīng)到處理后的信號(hào)。（1）通過(guò)函數(shù)控件分析其頻率譜線(xiàn)，并采用不同頻段的帶通濾波器對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，施加不同的可調(diào)節(jié)加權(quán)因子，再對(duì)過(guò)濾信號(hào)進(jìn)行合成，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)頻域均衡器。（2）通過(guò)對(duì)采集到的音頻進(jìn)行聲道分離，并進(jìn)行處理，可以消除音樂(lè)的人聲，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)伴奏提取播放的目的。（

2、3）對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行疊加幾種常見(jiàn)噪聲進(jìn)行干擾，再進(jìn)行信號(hào)去噪聲，以完成對(duì)音頻信號(hào)的處理。目 錄1.緒論32.設(shè)計(jì)內(nèi)容及原理52.1硬件設(shè)備及環(huán)境52.2設(shè)計(jì)功能原理53. LabVIEW設(shè)計(jì)功能63.1LabVIEW程序框圖原理及實(shí)現(xiàn)63.2前面板的設(shè)計(jì)84.設(shè)計(jì)功能不足分析94.1頻率均衡器對(duì)音質(zhì)損傷94.2伴奏的歌曲低頻損失和漏音現(xiàn)象104.3高斯白噪聲去噪不理想105.項(xiàng)目設(shè)計(jì)總結(jié)126.參考文獻(xiàn)131. 緒論NI myDAQ是美國(guó)國(guó)家儀器有限公司(National Instruments，簡(jiǎn)稱(chēng)NI)推出的一個(gè)便攜式教學(xué)設(shè)備，與LabVIEW相結(jié)合使用，可以為模擬電路、信號(hào)與系統(tǒng)、信號(hào)處理

3、等工程科學(xué)課程提供一個(gè)基于動(dòng)手實(shí)踐的學(xué)習(xí)解決方案。通過(guò)LabVIEW與myDAQ的相結(jié)合使用即可方便快捷的對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的處理。圖1 NI myDAQ本項(xiàng)目設(shè)計(jì)基于myDAQ數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW實(shí)現(xiàn)一個(gè)在線(xiàn)實(shí)時(shí)音效處理系統(tǒng)，鍛煉學(xué)生的自主動(dòng)手能力，并在過(guò)程中使其熟悉如何利用LabVIEW控制myDAQ完成信號(hào)采集、分析處理以及信號(hào)生成。主要通過(guò)DAQ助手控制myDAQ采集信號(hào)。圖2 DAQ助手并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，疊加等處理以實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。圖3 配置濾波器最后通過(guò)頻譜分析得出結(jié)果，并通過(guò)揚(yáng)聲器（或耳機(jī)）輸出音頻信號(hào)。圖4 配置頻譜測(cè)量數(shù)字音樂(lè)不僅方便了大眾對(duì)于音樂(lè)的追求，也大大加速

4、了音樂(lè)的推廣。通過(guò)對(duì)音樂(lè)音頻信號(hào)的處理，設(shè)計(jì)出一個(gè)簡(jiǎn)單的頻域均衡器，可以分別調(diào)節(jié)各種頻率成分，讓用戶(hù)更加方便的根據(jù)自己的聽(tīng)音習(xí)慣對(duì)音樂(lè)進(jìn)行調(diào)整，以補(bǔ)償和修飾各種音源。設(shè)計(jì)提取伴奏播放的功能，濾除音樂(lè)中的人聲，方便制作類(lèi)卡拉OK的伴唱帶音頻。并過(guò)濾噪聲的干擾。2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容及原理2.1硬件設(shè)備及環(huán)境硬件設(shè)備及連接：將NI myDAQ采集卡通過(guò)USB數(shù)據(jù)線(xiàn)連接電腦，并將其設(shè)置為Dev1，以便在LabVIEW中使用。采集卡AUDIO IN口用音頻對(duì)錄線(xiàn)連接外置MP3，將MP3中的音頻信號(hào)輸入采集卡中。AUDIO OUT口連接小型揚(yáng)聲器（或立體聲耳機(jī)）播放經(jīng)過(guò)處理的音頻信號(hào)。設(shè)計(jì)環(huán)境及相關(guān)軟件：win

5、dows 7操作系統(tǒng)，NI MAX，NI LabVIEW 2013。2.2設(shè)計(jì)功能原理（1）頻率均衡器均衡器（Equalizer），是一種可以分別調(diào)節(jié)各種頻率成分電信號(hào)放大量的電子設(shè)備，通過(guò)對(duì)各種不同頻率的電信號(hào)的調(diào)節(jié)來(lái)補(bǔ)償揚(yáng)聲器和聲場(chǎng)的缺陷，補(bǔ)償和修飾各種聲源及其它特殊作用。均衡器的主要作用是調(diào)整各頻段信號(hào)的增益值。常用的頻段劃分有：極低頻：040Hz，能通過(guò)控制低音鼓、管風(fēng)琴和貝司的表現(xiàn)使音樂(lè)強(qiáng)而有力，但過(guò)度提升會(huì)使音樂(lè)混濁。低頻：40Hz150Hz，是聲音的基礎(chǔ)組成部分，能量強(qiáng)大。低音的張弛得宜，使聲音豐滿(mǎn)柔和，不足時(shí)聲音單薄。中低頻：150Hz500Hz，人聲位于該位置，適當(dāng)提升會(huì)使人

6、聲更為渾厚，力度感充足。不足時(shí)，人聲將被背景音樂(lè)淹沒(méi)而柔軟無(wú)力。過(guò)度提升會(huì)使低音變得生硬。中頻：500Hz2KHz，包含大多數(shù)樂(lè)器的低次諧波和泛音，是打擊樂(lè)器的特征音。適當(dāng)時(shí)聲音透徹明亮，不足時(shí)聲音朦朧。中高頻：2KHz5KHz，是弦樂(lè)的特征音。不足時(shí)聲音的穿透力下降，過(guò)強(qiáng)時(shí)會(huì)掩蔽語(yǔ)言音節(jié)的識(shí)別。高頻：5KHz8KHz，是影響聲音層次感的頻率。過(guò)度提升會(huì)使語(yǔ)言的齒音加重和音色發(fā)毛。極高頻：8KHz20KHz，三角鐵的金屬感通透率高，沙鐘的節(jié)奏清晰可辨。過(guò)度提升會(huì)使聲音不自然，易燒毀高頻單元。（2）伴奏錄音棚錄制音樂(lè)時(shí)，通常都是采取以下的方式：先將人聲錄制到一個(gè)單聲道的音軌當(dāng)中，在將這個(gè)音軌插入

7、到立體聲的歌曲伴奏中，這樣便形成了一首完整的歌曲。在混編錄音的時(shí)候，我們通常人聲的軌跡平均混合到歌曲伴奏中，也就是說(shuō)，人聲的聲波波形在歌曲的兩個(gè)聲道是相同或者相似的，因此，我們可以采取兩個(gè)聲道相減的辦法來(lái)消除立體聲歌曲中的人聲。在人聲無(wú)法達(dá)到的頻率范圍中，可以將其通過(guò)濾波的方式濾出，不進(jìn)行聲道的相減過(guò)濾人聲，僅在人聲通帶內(nèi)進(jìn)行人聲的消除處理。人聲的通帶為200Hz-12kHz，新左聲道=左聲道-右聲道，新右聲道=右聲道-左聲道。（3）加噪去噪噪聲指的是音高和音強(qiáng)變化混亂、聽(tīng)起來(lái)不諧和的聲音。是由發(fā)音體不規(guī)則的振動(dòng)產(chǎn)生的。從物理學(xué)的角度來(lái)看：噪聲是發(fā)聲體做無(wú)規(guī)則振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音。高斯白噪聲中的高

8、斯是指概率分布是正態(tài)函數(shù)，而白噪聲是指它的二階矩不相關(guān)，一階矩為常數(shù)，是指先后信號(hào)在時(shí)間上的相關(guān)性。熱噪聲和散粒噪聲是高斯白噪聲。在通信系統(tǒng)中，高斯白噪聲十分常見(jiàn)，也對(duì)系統(tǒng)造成很大影響。將噪聲信號(hào)與原始信號(hào)疊加，通過(guò)左右聲道相減操作，能濾除噪聲，但會(huì)使人聲信號(hào)部分消失，再進(jìn)行人聲補(bǔ)償。信噪比，即SNR（Signal to Noise Ratio）。狹義來(lái)講是指放大器的輸出信號(hào)的功率與同時(shí)輸出的噪聲功率的比，常常用分貝數(shù)表示，設(shè)備的信噪比越高表明它產(chǎn)生的雜音越少。通過(guò)觀察信噪比變化，可以直觀的看出去噪的效果。3. LabVIEW設(shè)計(jì)功能3.1LabVIEW程序框圖原理及實(shí)現(xiàn)（1）頻率均衡器：在L

9、abVIEW中通過(guò)DAQ助手，采集音頻信號(hào)。左右聲道分別輸入Dev1/audioInputLeft和Dev1/audioInputRight。電壓信號(hào)輸入范圍為-2V2V。接線(xiàn)端配置為RSE。采集模式為連續(xù)采集，待讀取采樣為20k，采樣率為100kHz。提高采樣率可以有效地減少噪聲，但會(huì)引起程序緩存大小不足等問(wèn)題。將采集的音頻信號(hào)分別通過(guò)7個(gè)2階Butterworth濾波器過(guò)濾，分為7個(gè)頻段。因Butterworth濾波器特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)最大限度平坦，起伏小，在通帶內(nèi)對(duì)原來(lái)音樂(lè)的損傷小，2階Butterworth即可以滿(mǎn)足要求。7個(gè)頻段為極低頻0Hz40Hz，低頻40Hz150Hz

10、，中低頻150Hz500Hz，中頻500Hz2kHz，中高頻2kHz5kHz，高頻5kHz8kHz，極高頻8kHz以上。將各頻段音頻乘以可調(diào)節(jié)的加權(quán)因子控件，并進(jìn)行信號(hào)疊加合成，對(duì)其輸出并進(jìn)行頻譜測(cè)量顯示。輸出DAQ助手設(shè)置，左右聲道分別輸出Dev1/audioOutputLeft和Dev1/audioOutputRight。電壓信號(hào)輸出范圍為-2V2V。接線(xiàn)端配置<通過(guò)NI-DAQ選擇>。生成模式為連續(xù)采樣，待寫(xiě)入采樣100，采樣率44.1kHz。圖5 “頻率均衡器”程序框圖（2）伴奏：將采集的音頻信號(hào)通過(guò)3個(gè)10階Chebyshev濾波器。因高階Chebyshev濾波器的傳遞函

11、數(shù)在過(guò)渡帶比Butterworth衰減快，和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)之間的誤差最小，最大可能的減少濾波器自身不足所產(chǎn)生的漏音現(xiàn)象。低通Chebyshev濾波器0Hz200Hz，高通Chebyshev濾波器12kHz以上。在這兩個(gè)頻段內(nèi)沒(méi)有人聲。帶通Chebyshev濾波器200Hz-12kHz，該頻段內(nèi)有人聲。將其進(jìn)行聲道分離，成為兩路信號(hào)，左聲道和右聲道。在進(jìn)行聲道相減去人聲處理，新左聲道=左聲道-右聲道，新右聲道=右聲道-左聲道。將以上三個(gè)頻段的信號(hào)進(jìn)行疊加合成，對(duì)12kHz以上的高頻信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，加權(quán)因子為1.3，對(duì)200Hz以下的低頻信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，加權(quán)因子為1.5。對(duì)其輸出并進(jìn)行頻譜測(cè)

12、量顯示。圖6 “伴奏”程序框圖（3）加噪去噪：設(shè)計(jì)三種噪聲信號(hào)發(fā)生器，分別為10kHz的高頻鋸齒信號(hào)，60Hz的低頻正弦波信號(hào)，全頻帶的高斯白噪聲信號(hào)。在對(duì)其進(jìn)行控制輸出疊加到原有的音頻信號(hào)中。對(duì)混有噪聲的信號(hào)進(jìn)行聲道分離，左右聲道相減，因噪聲在左右聲道中相同，故可以濾除噪聲。但是人聲區(qū)域中，聲道相減使得部分人聲被濾除。所以要對(duì)人聲進(jìn)行補(bǔ)償。將原信號(hào)通過(guò)一個(gè)帶通的Butterworth濾波器，濾出300Hz-5kHz的人聲信號(hào)，再進(jìn)行疊加控制輸出。根據(jù)信噪比公式，信噪比=輸出信號(hào)的功率/同時(shí)輸出的噪聲功率，計(jì)算信噪比并直觀顯示去噪效果。圖7 “加噪去噪”程序框圖3.2前面板的設(shè)計(jì)（1）頻率均衡

13、器頻率均衡器的前面板中，一個(gè)總音量的控制滑塊以及七個(gè)不同頻段的滑塊調(diào)節(jié)，可根據(jù)用戶(hù)的音樂(lè)喜好調(diào)整各頻段的加權(quán)因子，以改補(bǔ)償和修飾音源。頻譜儀所顯示的橫坐標(biāo)為頻率的對(duì)數(shù)值，便于更好地觀察各頻段的曲線(xiàn)起伏。左右聲道的曲線(xiàn)顏色不同，可以觀察左右聲道音頻的區(qū)別。圖8 “頻率均衡器”前面板（2）伴奏通過(guò)伴奏開(kāi)關(guān)可以控制伴奏的提取，音量滑塊控制音量大?。J(rèn)為0.5）。圖9 “伴奏”前面板（3）加噪去噪通過(guò)控制按鈕，可以疊加不同種的噪聲。疊加噪聲后可對(duì)噪聲進(jìn)行消除，并可以通過(guò)數(shù)字顯示窗口，看到信噪比的變化。圖10 “加噪去噪”前面板4. 設(shè)計(jì)功能不足分析4.1頻率均衡器對(duì)音質(zhì)損傷在均衡器的程序框圖中采用的

14、是2階Butterworth濾波器，其特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。因此該頻率均衡器能保證通頻帶內(nèi)的音質(zhì)最大化無(wú)損。但在某些頻點(diǎn)（40Hz，150Hz，500Hz，2kHz，5kHz，8kHz）附近，會(huì)造成一定的音質(zhì)損失。若直接提高濾波器階數(shù)，能將影響的頻段縮小，但對(duì)于上述頻點(diǎn)的影響將更大，使得聲場(chǎng)變小，聲音的包圍感不充足。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，2階Butterworth能較為完善的處理該問(wèn)題，但仍會(huì)對(duì)音樂(lè)造成損傷。圖11 “頻率均衡器”測(cè)試結(jié)果4.2伴奏的歌曲低頻損失和漏音現(xiàn)象對(duì)兩個(gè)聲道進(jìn)行相減處理，會(huì)損失原有歌曲中的低頻，低頻指的是200Hz400

15、Hz。通常歌曲的低頻部分有貝斯和低音鼓組成，如果貝斯和鼓的低頻部分在左右聲道波形基本相同時(shí)，伴奏提取過(guò)程中難免會(huì)損失原有的低頻效果，所以應(yīng)該對(duì)低頻進(jìn)行一定的補(bǔ)償。但該方法無(wú)法避免歌曲的品質(zhì)下降問(wèn)題。在伴奏的程序框圖中采用的是10階Chebyshev濾波器，其特點(diǎn)是在過(guò)渡帶比Butterworth濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動(dòng)。選用Chebyshev濾波器的原因是其在過(guò)渡帶衰減快，會(huì)減少人聲漏音的現(xiàn)象，但在通頻帶中會(huì)影響原有的音樂(lè)品質(zhì)。部分低成本歌曲沒(méi)有對(duì)伴奏進(jìn)行混編，使得伴奏和人聲均位于聲場(chǎng)的

16、正中間，即左右聲道完全一致，則該方法無(wú)法提取伴奏。另一種情況，伴奏和人聲都進(jìn)行混編，使得伴奏和人聲在左右聲道的表現(xiàn)完全不同，這種情況常出現(xiàn)在歐美的高成本音樂(lè)中，以及電影音頻中，則無(wú)法完全提取伴奏，伴奏中會(huì)有人聲漏音的現(xiàn)象。此外濾波器的不理想也會(huì)造成人聲的漏音現(xiàn)象，但通過(guò)提高濾波器的階數(shù)能減少漏音對(duì)于伴奏提取的影響。4.3高斯白噪聲去噪不理想在疊加的三種噪聲中，其中10kHz的高頻鋸齒波信號(hào)和60Hz的低頻正弦波信號(hào)均不在人聲的頻帶范圍中，所以對(duì)噪聲的濾除情況較好，但是通過(guò)此方法對(duì)原有音樂(lè)有很大損傷，高頻和低頻范圍內(nèi)因聲道相減的操作，左右聲道中相同的音頻伴隨著噪聲一同被剔除。圖12 去噪開(kāi)關(guān)關(guān)閉

17、時(shí)，疊加正弦波鋸齒波圖13 去噪開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，疊加正弦波鋸齒波可以明顯看出信噪比從-27dB提高到了78dB，去噪開(kāi)關(guān)打開(kāi)后揚(yáng)聲器中基本無(wú)法聽(tīng)到噪聲的干擾，去噪效果明顯。但全頻帶的高斯白噪聲信號(hào)通過(guò)此方法濾除效果不佳，雖然噪聲減少，但是在人聲頻帶范圍中無(wú)法濾除，人聲會(huì)被高斯白噪聲所干擾，若提高噪聲的音量，甚至人聲會(huì)被湮沒(méi)在噪聲之中。圖14 去噪開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，疊加高斯白噪聲圖15 去噪開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，疊加高斯白噪聲從結(jié)果中可以看出信噪比從-37dB提高到了13dB，效果不佳，揚(yáng)聲器中雖然噪聲明顯減少，但還是對(duì)原有的音頻信號(hào)產(chǎn)生了很大影響。一些常見(jiàn)的改進(jìn)算法：譜減法：即在頻域?qū)г胝Z(yǔ)音的功率譜減去噪聲的功

18、率譜，得到語(yǔ)音的功率譜估計(jì)，開(kāi)方后就得到語(yǔ)音幅度估計(jì)，將其相位恢復(fù)后再采用逆傅立葉變換恢復(fù)時(shí)域信號(hào)。考慮到人耳對(duì)相位的感覺(jué)不靈敏，相位恢復(fù)時(shí)所采用的相位是帶噪語(yǔ)音的相位信息。同步疊加平均去噪法：周期信號(hào)經(jīng)過(guò)m 次同步疊加后, 信噪比提高為原來(lái)的m 倍。因此, 周期性信號(hào)或可重復(fù)性信號(hào)經(jīng)過(guò)多次取樣積累后, 其信噪比有所提高, 積累次數(shù)越多, 信噪比改善越好。小波去噪算法：將信號(hào)映射到小波域，根據(jù)噪聲和噪聲的小波系數(shù)在不同尺度上具有不同的性質(zhì)和機(jī)理，對(duì)含噪信號(hào)的小波系數(shù)進(jìn)行處理。實(shí)質(zhì)是減少剔除噪聲產(chǎn)生的小波系數(shù)，最大限度的保留真實(shí)信號(hào)的系數(shù)。5. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)總結(jié)在此次的項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分的調(diào)動(dòng)了我前三年所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也從對(duì)labview軟件的不熟悉到能獨(dú)立完成一個(gè)項(xiàng)目，其中不僅有自己的努力和老師的支持，也有網(wǎng)絡(luò)上許多不知道姓名的labview愛(ài)好者的幫助。本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)項(xiàng)目，我完成了這個(gè)簡(jiǎn)單音頻處理項(xiàng)目，運(yùn)用了各類(lèi)硬件軟件，對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行擴(kuò)展。但是我的項(xiàng)目程序仍然存在一些不足之處，比如偶有出現(xiàn)緩存區(qū)不足情況、無(wú)法保證對(duì)各種歌