虛擬儀器技術的語音采集系統(tǒng)設計方案.docx

1、目 錄1.設計任務書32.總體設計方案72.1、現代測控系統(tǒng)發(fā)展概述72 .1 .1現代測控系統(tǒng)概述72 .1 .2現代測控技術的特 點82 .1 .3現代測控技術的應 用82.1.4現代測控技術的發(fā)展趨勢 .92 . 2 、 L ab V I E W 虛 擬 儀 器 介 紹102.2.1、L a b V I E W 虛 擬 儀 器 簡 介 1 02.2.2、L a b V I E W 虛 擬 儀 器 特 點 1 12.3.語音信號處理122.3.1.語音信號所包含的信息量 122.3 .2 .語音信號處理的關鍵技術122 .4采集系統(tǒng)組建的一般步 驟142.4.1.數據采集板卡(DAQ>

2、;的硬件框圖 142.4.2.基于虛擬儀器的測控系統(tǒng)組建步驟 152.5系統(tǒng)總體結構流程圖163.系統(tǒng)硬件設計173.1、傳感器選型173.1.1、傳感器分類173 .1 .2、傳感器性能指標183.1.3、傳感器的選擇193.2、語音采集信號電路203.2.1語音采集電路203 .2 .2語音采集信號調理電路214.系統(tǒng)軟件設計224.1、前面板設計221/384.1 .1、語音信號采樣信息界面224. 1. 2、語音采集控制按鈕界面及語音采集狀態(tài)顯示界面 234.1.3、時域波形和頻域波形顯示界面 234.2程序框圖設計244.2.1、系統(tǒng)初始化244.2.2、系統(tǒng)等待264.2.3、數據

3、采集274.2.4、報表生成294.2.5、打開報表314.2.6、退出325.系統(tǒng)調試及運行結果336.收獲體會377.參考文獻381. 設計任務書測控系統(tǒng)綜合設計設計任務書( 四>題目：基于虛擬儀器技術的語音采集系統(tǒng)設計一、設計任務本課題所要求設計的基于虛擬儀器技術的語音采集系統(tǒng)硬件由語音芯片、MIC 、喇叭和放大電路組成，其工作原理為語音芯片中包含的音樂由喇叭發(fā)出， MIC 采集音樂信號，經過放大電路的放大，送入 NI ELVIS II 數據采集平臺的模擬輸入通道，然后利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 LabVIEW來開發(fā)系統(tǒng)軟件，以實現對語音信號的采集、分析、處理與報表生成等。語音信號由

4、計算機進行分析和處理，在程序中通過設置采樣點和采樣率，對數據進行時域和頻域的分析、處理，可以觀察音頻的分布和語音信號的特點。具體指標與要求如下：2/38( 一>硬件設計要求1、理解語音信號的特點，認識語音信號處理的一些基本方法。要求對語音采集信號調理電路進行設計，說明其工作原理。2、理解 NI ELVIS II數據采集平臺的工作原理，通過NI ELVIS II數據采集平臺對語音信號及其調理電路出來的電壓信號進行采集、分析與處理。( 二>軟件設計要求要求采用狀態(tài)機的軟件設計結構來設計語音采集系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件具有“系統(tǒng)初始化”、“系統(tǒng)等待”、“數據采集”、“報表生成”“打開報表”、“

5、退出”等功能。具體要求如下：1、系統(tǒng)初始化語音采集系統(tǒng)軟件運行后，首先進入系統(tǒng)初始化狀態(tài)。系統(tǒng)初始化狀態(tài)主要可以對NI ELVIS II數據采集平臺，所用的數據采集通道及軟件界面上的所有控件進行初始化。系統(tǒng)初始化結束后，軟件進行等待狀態(tài)中，等待其他功能的選中與運行。2、系統(tǒng)等待在系統(tǒng)等待狀態(tài)下，用戶可選擇其他功能并運行。要求系統(tǒng)等待狀態(tài)采用事件驅動結構來實現。3、數據采集要求系統(tǒng)可以對語音信號進行連續(xù)的實時采集、分析與顯示。可對采樣參數進行設置包括對所用 NI ELVIS II數據采集平臺物理通道、采樣速率、每通道采樣點數等參數的設置。可對頻域波形參數進行設置包括對頻域波形類型、截止頻率(Hz

6、>、上限截止頻率(Hz>、下限截止頻率 (Hz>等參數的設置。將采集到的時域波形等參數進行實時顯示。對信號進行頻譜分析并顯示其頻譜波形。4、報表生成報表生成功能可以實現對語音信號連續(xù)采集與分析過程中的相關參數包括所用NIELVIS II 數據采集平臺物理通道，電壓最大值、最小值、采樣速率、每通道采樣點數、時域波形、頻譜波形等參數或波形作為報表的內容進行保存。5、打開報表打開報表功能可以對保存的報表進行打開以便進行離線進行分析和處理。6、退出按下“退出”鍵，將退出系統(tǒng)軟件。3/38要求系統(tǒng)軟件界面設計友好，方便操作。在系統(tǒng)軟件界面即前面板上必須有狀態(tài)顯示欄，以顯示軟件當前運行的

7、狀態(tài)。二、設計目的通過本次設計使學生具備：(1> 初步了解測控系統(tǒng)的設計步驟，掌握系統(tǒng)設計方法，加深對專業(yè)理論知識的理解，能夠綜合運用所學的傳感器原理與檢測技術、虛擬儀器技術、測控電路、測控系統(tǒng)原理與設計等專業(yè)知識設計測控系統(tǒng)各個單元，并組成系統(tǒng)。(2> 通過制定測控系統(tǒng)設計方案，合理選擇傳感器及其他元件，正確計算、選擇各電路和元件參數，確定尺寸和選擇材料，以及較全面地考慮制造工藝、使用和維護等要求，達到了解和掌握測控系統(tǒng)綜合設計過程和方法的目的。(3> 進行設計基本技能的訓練。如：計算、繪圖、熟悉和運用設計資料<手冊、圖冊、標準和規(guī)范等）以及使用經驗數據、進行經驗估算

8、和數據處理及計算機應用的能力。(4>了解現代儀器科學與技術的發(fā)展前沿，學習和掌握基于虛擬儀器技術的測控系統(tǒng)組成和工作原理；進一步掌握虛擬儀器LabVIEW圖形化軟件設計方法與調試技巧。(5> 培養(yǎng)學生查閱資料的能力和運用知識的能力；提高學生的論文撰寫和表述能力；培養(yǎng)學生正確的設計思想、嚴謹的科學作風；培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和運用知識的能力。三、設計要求1、了解和掌握整個以虛擬儀器技術平臺構建的測控系統(tǒng)組成、工作原理、各單元功能和應用背景。2、根據設計任務進行文獻資料的檢索，根據測控系統(tǒng)的功能和工作原理，確定測控系統(tǒng)的功能，制定設計方案和設計虛擬儀器面板。3、合理選擇傳感器的種類與型號，

9、設計信號調理電路；利用虛擬儀器技術軟件開發(fā)平臺 LabVIEW來編寫與調試系統(tǒng)軟件。4、按學校課程設計的撰寫規(guī)范撰寫且提交一份完整的設計報告。四、設計內容1、基于虛擬儀器技術的語音采集系統(tǒng)硬件設計。4/382、基于虛擬儀器技術的語音采集系統(tǒng)軟件設計。具體設計內容詳見前面的設計任務。五、設計報告要求報告中提供如下內容：1、目錄2、正文(1> 設計任務書 ( 只需要打印指導教師提供的設計任務書，不要對任務書的內容進行任何的修改 >；(2> 總體設計方案 ( 包括對現代測控系統(tǒng)發(fā)展的概述，構建一個測控系統(tǒng)的總體結構圖，語音信號處理的基本原理、發(fā)展與概述等，語音采集信號調理電路的設計

10、，并根據任務書要求，選擇合適的技術參數和技術方案，對多種設計方案進行分析比較，系統(tǒng)總體結構圖概述等 >；(3> 系統(tǒng)硬件設計，包括傳感器的選擇( 測量原理分析，傳感器的量程、測量精度與結構、型號的確定 >、信號調理電路的選擇、設計及計算( 根據測量要求、傳感器的類型及特點，選擇或設計合適的信號調理電路，并繪制電氣系統(tǒng)原理圖。>；(4> 系統(tǒng)軟件設計，包括系統(tǒng)軟件程序流程圖、前面板與框圖程序的設計及功能實現方法等；(5> 系統(tǒng)總體調試、運行及其結果；要求有程序和運行結果等。3、收獲、總結與體會4、參考文獻 ( 不低于 20 篇>六、設計進度安排本課程設計

11、共需 2周時間，其具體安排見下表 :序號內容時間安排1設計動員、布置設計任務第 1天上午2查找與消化相關資料第 1 天下午，第2 天3總體方案設計第 3 天4系統(tǒng)硬件設計第 4-5 天5系統(tǒng)硬件調試第 6 天5/386系統(tǒng)軟件設計第 7-10天7系統(tǒng)軟件調試第 11-12天8系統(tǒng)總體調試及性能分析與總結第 13天9撰寫設計報告第 14天10完成設計報告并上交第 15 天上午11答辯第 15 天下午七、設計考核辦法本設計滿分為100 分，從設計平時表現、設計報告及設計答辯三個方面進行評分，其所占比例分別為20%、40%、40%。2. 總體設計方案2.1 、現代測控系統(tǒng)發(fā)展概述現代測控技術是一門高

12、新技術，以測控、測量、電子等學科為基礎，涉及計算機技術、信息處理技術、電子技術、自動控制技術、測試測量技術、儀器儀表技術及網絡技術等領域。隨著現代科學技術的飛速發(fā)展和不斷融入，加快了現代測控技術的發(fā)展，使其正朝著智能化、集成化、微型化、虛擬化、網絡化和遠程化的方向大步邁進。作為一門實踐性很強的技術，現代測控技術在工業(yè)、農業(yè)和國防等領域的應用廣度和深度正不斷的擴大，并將為改進技水平和提高生產率做出巨大的貢獻。2.1.1現代測控系統(tǒng)概述現代測控系統(tǒng)是一個綜合系統(tǒng)，其目的是實現生產過程的自動化控制，它以計算機技術為核心，并集控制和測量為一體。2.1.1.1現代測控系統(tǒng)的組成現代測控系統(tǒng)的組成大致可以

13、分為五個部分，即：控制器部分。是系統(tǒng)的控制中心和指揮中心，主要指計算機、小型機、單片機等。程控設備和儀器。包括：激勵源、程控伺服系統(tǒng)、各種程控開關及儀器、執(zhí)行元件、存儲器件、顯示器件等。測控應用軟件。包括 I/O接口軟件、可執(zhí)行應用程序和儀器驅動程序等?？偩€與接口部分。包括連接器、電纜、插槽、機械接插件等。它是連接控制器與各種設備、程控儀器的通路以完成數據、命令及消息的交換與傳輸。被測對象。主要是指生產線、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、被測設備等，通過電纜、開關、接插件等于測控設備相連接。根據測控任務的不6/38同，被測對象也是千差萬別的。2.1.1.2現代測控系統(tǒng)的基本類型按照結構不同，現代測控系統(tǒng)可以分為

14、三類：基本型、閉環(huán)控制型和標準通用接口型?；拘蜏y控系統(tǒng)主要由傳感器、數據采集卡、信號調理和計算機組成。它能夠完成對多點的實時、快速測量，并能進行信號和數據分析，消除干擾，最終做出判別。閉環(huán)控制型是指應用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的測試系統(tǒng)，其過程的自動控制可歸納為實時數據采集、實時控制、實時判斷決策三個階段。標準通用接口型是由模塊組合而成，并且所有模塊的對外接口都是按照規(guī)定標準設計的。2.1.2現代測控技術的特點現代測控技術的特點可以概括為：智能化、數字化、網絡化、分布式化。<1） 智能化現代測控系統(tǒng)中應用的儀器儀表都是智能化的儀器，以微處理器為基礎，具有方便使用、靈巧、多功能等特點。隨著微電子技

15、術的發(fā)展和更多的人工智能的不斷引入，智能化儀器的計算能力和計算方法將得到大大增強。<2） 數字化數字化在測控領域中的應用主要體現在：控制器到遠程終端設備的數字化控制，傳感器的數字化控制，通信、信號處理等過程的數字化控制等。<3） 網絡化傳感器技術、測控技術、計算機技術與網絡技術的結合，使分布式、網絡化的測控系統(tǒng)的組建變得十分便捷。隨著計算機網絡技術的迅猛發(fā)展及其他相關技術的不斷完善，使得計算機網絡的規(guī)模更加龐大，其在航空航天、氣象、通信和國防等領域的應用也更為廣泛。<4） 分布式化分布式測控技術是以網絡技術和微型計算機術為基礎，采用分布式的結構將系統(tǒng)內所使用設備連接起來，從而

16、組合成符合要求的分布式測控系統(tǒng)。在生產過程的控制中，分布式測控系統(tǒng)可以實現測量控制管理的全自動化，大大降低了測控成本，提高了測控效率。2.1.3現代測控技術的應用2.1.3.1新型傳感器技術傳感技術是當今世界發(fā)展最迅速的高新技術之一。為了適應現代科學技術的發(fā)展，新型傳感器逐漸融入了諸如計算機技術、智能技術和網絡技術等新技術，使其結構更加完善，功能更加強大。新型傳感器技術的應用體現在：微型化氣體傳感器廣泛應用于交通、醫(yī)學、化工、機器人、國防、防偽等領域。數字化傳感器在實際生產和生活中應用廣泛，如：銀行監(jiān)控、測量環(huán)境溫度、圖像傳感器等。集成化傳感器主要用于溫7/38度測量、壓力測量和視覺測量。智能

17、化傳感器的典型應用，如：火車機車的狀態(tài)監(jiān)測、心內壓監(jiān)控系統(tǒng)等。網絡化傳感器在工業(yè)、農業(yè)、軍事國防、醫(yī)療、搶險救災、環(huán)境監(jiān)測、城市管理、反恐等許多領域具有潛在的實用價值和重要的科研價值。2.1.3.2現代測控總線技術在現代測控系統(tǒng)中，利用總線技術可以在很大程度上簡化測控系統(tǒng)結構，增加系統(tǒng)的可靠性、開放性、兼容性及可維護性，從而降低系統(tǒng)成本?，F代測控總線技術的應用有： GPIB 總線技術利用計算機實現了對儀器的操作和控制，促使測控技術向大規(guī)模測控系統(tǒng)的方向迅速發(fā)展。USB 總線具有低成本、速度快、使用靈活、即插即用、易于擴展等優(yōu)點，在低速設備上應用廣泛。IEEE 總線具有支持多種總線速率、支持等時

18、和異步兩種傳輸方式、分層的硬件和軟件、支持點對點傳輸、可擴展總線、錯誤檢測和處理等優(yōu)點，成為外部硬盤、視頻設備、高度數字音頻和其他高速外設的首選接口。自動化系統(tǒng)與設備正朝著現場總線體系結構的方向前進，將極大的促進企業(yè)網絡和自動化相關行業(yè)的發(fā)展。 LXI 總線有著巨大的競爭潛力和廣闊的發(fā)展空間，尤其適合于多個單位合作研究開發(fā)生產的工程和分布在不同地區(qū)的研發(fā)機構。2.1.3.3虛擬儀器技術虛擬儀器技術是計算機輔助測試領域的一項重要技術，是現代儀器技術和現代計算機技術深層次結合的產物，具有功能強大、交互性、靈活性、系列化和模塊化、網絡化等優(yōu)點。虛擬儀器技術的應用也較廣泛，如：利用虛擬儀器技術測量不同

19、進口壓力和轉速下的液力變矩器的性能參數。虛擬儀器技術用于蠶繭無損質量檢測。利用虛擬儀器計算機視覺軟件和開發(fā)工具，開發(fā)出計算機自動化秧苗分析系統(tǒng)，可用于預測在最后發(fā)芽期限發(fā)芽良好的秧苗數量及監(jiān)視秧苗質量。虛擬儀器技術用于農機監(jiān)控、檢測上及農機現代化管理與教育。2.1.3.4遠程測控技術常見的遠程測控技術有：專線遠程測控技術、電話網遠程測控技術、以太網遠程測控技術和無線通信遠程測控技術。遠程測控技術的應用主要有：基于Internet的遠程測控技術，在核電站檢測、電網運行監(jiān)控、石油輸送管道的遠程監(jiān)控、機器人的遠程監(jiān)控等領域應用廣泛?；诂F場總線的遠程測控技術，主要應用于現場總線儀表、現場總線網絡、現

20、場總線遠程測控系統(tǒng)等的監(jiān)測?；跓o線通信的遠程測控技術特別適用于用戶密度不高、距離較遠、不易布線和地理環(huán)境復雜的地區(qū)和情況隨著計算機技術的發(fā)展，各領域逐漸開始采用以信息的獲取與應用為中心的方式，8/38以實現工業(yè)生產、儀器儀表的自動化控制。同時，數據處理技術、信號傳感技術、計算機控制技術等先進技術也在飛速發(fā)展，促使現代測控技術發(fā)生深刻的變化?，F代測控技術的未來發(fā)展將朝著智能化、系統(tǒng)化、標準化及系統(tǒng)功能的綜合性等趨向，并更加的開放化、標準化，為促進技術水平的提高做出巨大的貢獻。2.1.4現代測控技術的發(fā)展趨勢現代測控技術正向智能化、網絡化和集成化的方向發(fā)展。大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，提高了

21、計算機的可靠性和性能價格比，從而使計算機控制系統(tǒng)的應用也越來越廣泛。隨著現代科學技術以及復雜自動控制系統(tǒng)和信息處理與技術的提高，現代檢測技術將朝著檢測結果高精度、系統(tǒng)智能化、檢測結果數字化、檢測功能多元化、檢測器件微型化、檢測系統(tǒng)自動化的放向發(fā)展，它將廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、家庭、醫(yī)學、軍事和空間科學技術等許多科學領域。測控系統(tǒng)中，就控制儀表與裝置涉及的面而言便是非常的廣泛的，如 DCS、 PLC、新型控制儀表、變送器及執(zhí)行器等都有自己的發(fā)展軌跡，但它們的發(fā)展都圍繞著實現工廠整體自動化 <FA）這個總目標，即將自動控制裝置用于生產流程的整個操作過程，從開機到停機的全程控制及將控制、生產計劃

22、安排和工廠全面管理有機的結合起來，實現工廠整體的自動化、綜合化、最佳化。測量單元微小型化、智能化測量控制與儀器儀表大量采用新的傳感器、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、計算機及專家系統(tǒng)等信息技術產品，不斷向微小型化、智能化發(fā)展，從目前出現的“芯片式儀器儀表”，“芯片實驗室”、“芯片系統(tǒng)”等看，測量單元的微小型化和智能化將是長期發(fā)展趨勢。從應用技術看，微小型化和智能化測量單元的嵌入式連接和聯網應用技術得到重視。測控范圍向立體化、全球化擴展，測量控制向系統(tǒng)化、網絡化發(fā)展。隨著儀器儀表所測控的既定區(qū)域不斷向立體化、全球化甚至星球的發(fā)展，儀器儀表和測控裝置已不再呈單個裝置形式，它必然向測控裝置系統(tǒng)化、網絡化方

23、向發(fā)展。例如一個大型水電站的測控系統(tǒng)，僅檢測大壩安全性的傳感器就達數千個，此外各個發(fā)電機組狀態(tài)及水位情況的檢測控制點 < I/O 測控點）將超過萬點，要達到大型水電站的正常發(fā)電和送電，必須將各個測控點的測控裝置形成一個有機的測控網絡系統(tǒng)。又例如衛(wèi)星測控系統(tǒng)，運載火箭上配置的各種傳感器就達到數千，而衛(wèi)星上各種測控裝置構成一個完整的自動測控系統(tǒng)，然后和多個地面站的測控系統(tǒng)構成一個廣域測控系統(tǒng)。正如清華大學出版社何克忠老師主編的計算機控制系統(tǒng)中所總結的：現代測控9/38系統(tǒng)的發(fā)展趨勢可以概括為集成化、智能化、全球化、虛擬化、標準化和綠色化。2.2 、LabVIEW虛擬儀器介紹2.2.1 、 L

24、abVIEW虛擬儀器簡介LabVIEW 是由美國NI公司開發(fā)的、優(yōu)秀的圖形化編程開發(fā)平臺，是LaboratoryVirtual Instrument Engineering Workbench的簡稱，即實驗室虛擬儀器工程平臺，是目前應用范圍最廣、功能最為強大的虛擬儀器開發(fā)平臺。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、 RS-232 和 RS-485 協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。圖形化的程序語言，又稱為“G”語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術人員、

25、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念。因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率2.2.2 、 LabVIEW虛擬儀器特點與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點，具體表現為：<1）智能化程度高，處理能力強虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一

26、個新的層次。<2）復用性強，系統(tǒng)費用低應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高速數字采樣器，可設計出數字示波器、邏輯分析儀、計數器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費用更低。通過與計算機網絡連接，還可實現虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價值。<3）可操作性強，易用靈活虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數據庫系統(tǒng)或通過網絡發(fā)送。測量完后還可打印、顯示所需的報表或曲線，這些都使得儀器的可

27、操作性大大提高而且易用、靈活。虛擬儀器較之于傳統(tǒng)儀器 , 有顯而易見的優(yōu)勢，見下表2.1 。表 2.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的對比表10/38虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開放、靈活，與計算機技術保持同步發(fā)封閉，儀器間相互配合差展核心是軟件，系統(tǒng)性能升級方便關鍵技術是硬件，升級成本高價格低廉，資源可重復利用價格昂貴，儀器間一般不能相互利用用戶可根據需要定義儀器功能只有廠家可與網絡及周邊設備方便連接功能單能定義儀器功能一，只能連接有限的獨立設備開發(fā)與維護費用可降至最低開發(fā)與維護費用高技術更新周期短 <一般來說， 12 年）技術更新周期長 <一般來說， 5 10 年）2.3. 語音信號處理在現代信息社

28、會中，小至人們的日常生活，大到國家大事、世界新聞、社會輿論和各種重要會議，都離不開語言和文字。近年來，普通電話、移動電話和互聯網已經普及到家庭。在這些先進的工具中，語音信號處理中的語音編碼和語音合成就有很大貢獻。再進一步，可以預料到的口呼打字機( 又稱聽寫機，它能把語音轉換為文字>、語音翻譯機 ( 例如輸入為漢語，輸出為英語，或者相反 >，已經不是夢想而是提到日程上的研究工作了。2.3.1.語音信號所包含的信息量語音信號一般被看作一種短時平穩(wěn)的隨機信號，語音信號中到底包含了多少信息量，需要多少比特才能夠無失真地表示它們，這對于語音編碼、語音合成和語音識別的研究都是很有用的。但是這也

29、是一個很復雜的問題，它涉及到對于信號失真的評價。下面列舉了三種評價，其中兩種是由弗雷雷格(Flanagan> 給出的，另一種是由約翰斯登(Johnston> 提出的。它們是建立在下面三種不同的失真評價上：(1> 語音信號的信噪比；(2> 接收語音信號時，信號由聽覺外圍處理以后，人們在主觀上能夠感覺到的失真；(3>人在接收語音信號時，不正確接收音素的數目和正確接收音素數目的比值。2.3.2. 語音信號處理的關鍵技術語音信號處理的理論基礎就是一般的數字信號處理理論，它的主要研究內容是語音編碼和語音壓縮技術?？紤]到人對聽覺煤體的感應特點，研究語音信號處理必須與聲音11/

30、38心理學聯系起來。2.3.2.1聲音心理學聲音的物理屬性和心理屬性既有聯系也有區(qū)別。聲音有兩個最明顯的量綱，即響度和單調，其它還有音色、諧和、不諧和與樂意等。物理屬性主要有強度和頻率。聲音的正弦波的強度增加，聲的響度也增加；頻率增加，音調南昌增高。但這些關系不是線性的，且是耦合的，如頻率的變化既影響響度也影響音調。人的大腦處理聽覺信息還有一些特性，產生了一些客觀存在的效應，如屏蔽效應。聲的響度不僅取決于白身的強度和頻率，而且也依賴同時出現的其它聲音而定。它分為聽覺屏蔽、頻譜屏蔽和瞬態(tài)屏蔽。頻譜屏蔽是高電平音調使附近頻率的低電平聲音不能被人耳聽到。聲音的屏蔽特性可以用于聲音特別是語音信號的壓縮

31、。2.3.2.2語音編碼語音編碼分為三類：波形編碼、參量編碼和混合編碼。波形編碼是將時域信號直接變換為數字代碼，其目的是盡可能精確地再現原來的話音波形。自適應量化、自適應比特分配和矢量量化等等。現代數字信號處理的進步都能在語音信號處理技術中得到應用。語音信號是最能體現信號非線性的一個領域?，F代數字信號處理的一個主要發(fā)展趨勢是對非線性、非平穩(wěn)信號的研究。因此，循環(huán)而平穩(wěn)信號分析、多譜分析和時頻尺度理論對于語音信號的表示，關鍵特征的捕捉有很重要的應用前景。2.3.3. 語音信號數字處理應用下面我們重點來談談語音信號數字處理應用技術領域中的語音編碼、語音合成、語音識別與語音理解技術。2.3.3.1語

32、音編碼技術 (Speech Coding Technology>在語音信號數字處理過程中，語音編碼技術是至關重要的，直接影響到話音存儲、語音合成、語音識別與理解。語音編碼是模擬語音信號實現數字化的基本手段。語音信號是一種時變的準周期信號，而經過編碼描述以后，語音信號可以作為數字數據來傳輸、存儲或處理，因而具有一般數字信號的優(yōu)點。語音編碼主要有三種方式：波形編碼、信源編碼 ( 又稱聲碼器 > 和混合編碼，這三種方式都涉及到語音的壓縮編碼技術。通常把編碼速率低于64 kbps的語音編碼方式稱為語音壓縮編碼技術。如何在盡量減少失真的情況下，降低語音編碼的比特數已成為語音壓縮編碼技術的主要

33、內容。換言之，在相同編碼比特率下，如何取得更高質量的恢復語音是較高質量語音編碼系統(tǒng)的要求。12/382.3.3.2語音合成技術 (Speech Synthesis Technology>語音合成技術就是所謂“會說話的機器”。它可分為三類：波形編碼合成、參數式合成和規(guī)則合成。波形編碼合成以語句、短語、詞或音節(jié)為合成單元。合成單元的語音信號被錄取后直接進行數字編碼，經數據壓縮組成一個合成語音庫。重放時根據待輸出的信息，在語音庫中取出相應的合成單元的波形數據，將它們連接在一起，經解碼還原成語音。參數式合成以音節(jié)或音素為合成單元。2.3.3.3語音識別技術 (Speech Recognition

34、 Technology>語音識別又稱語音自動識別(Automated Speech Recognition，ASR>，語音識別基于模式匹配的思想，從語音流中抽取聲學特征，然后在特征空間完成模式的比較匹配，尋找最接近的詞 ( 字>作為識別結果。幾十年來，語音識別技術經歷了從特定人(Speaker Dependent ， SD>中小詞匯量的孤立詞語和連接詞語的語音識別到非特定人(Speaker Independent， SI> 大詞匯量的自然口語識別的發(fā)展歷程。盡管如此，語音識別技術要走出實驗室、全面融入人們的日常生活還需假以時日。當使用環(huán)境與訓練環(huán)境有差異時，如在存

35、在背景噪聲、信道傳輸噪聲、說話人語速和發(fā)音不標準等情況下，識別系統(tǒng)的性能往往會顯著下降，無法滿足實用的要求。環(huán)境噪聲、方言和口音、口語識別已經成為目前語音識別中三個主要的新難題。2.3.3.4 、語音理解技術 (Language Understanding Technology>語音理解又稱自然語音理解(Natural Language Understanding， NLU>，其目的是實現人機智能化信息交換，構成通暢的人機語音通信。目前，語音理解技術開始使計算機丟掉了鍵盤和鼠標，人們對語音理解的研究重點正拓展到特定應用領域的自然語音理解上。一些基于口語識別、語音合成和機器翻譯的專用

36、性系統(tǒng)開始出現，如信息發(fā)布系統(tǒng)、語音應答系統(tǒng)、會議同聲翻譯系統(tǒng)、多語種口語互譯系統(tǒng)等等，正受到各方面越來越多的關注。這些系統(tǒng)可以按照人類的自然語音指令完成有關的任務，提供必要的信息服務，實現交互式語音反饋。語音是語言的聲學表現形式，是最符合人類自然習慣的一種人際信息傳播方式，具有便捷性、高效性、隨機性、交互性等顯著特點，是實現人機交互的一種重要通信方式?？梢灶A見，隨著計算機技術、數字信號處理技術和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，語音信號數字處理技術將成為信息化戰(zhàn)爭不可或缺的重要組成部分，并直接進入到信息化戰(zhàn)爭的前沿。13/382.4 采集系統(tǒng)組建的一般步驟2.4.1. 數據采集板卡 (DAQ>

37、的硬件框圖圖 2-1數據采集板卡 (DAQ>的硬件框圖2.4.2. 基于虛擬儀器的測控系統(tǒng)組建步驟14/38圖 2-2 測控系統(tǒng)組建步驟2.5 系統(tǒng)總體結構流程圖15/38系統(tǒng)初始化N“開始實“等待狀態(tài)”驗”按鍵按Y“開始實驗”狀態(tài)進行數據采集N“停止實驗”按鍵按下？Y是否需要保存數據？Y“保存數據”狀態(tài)NN圖 2-3 系統(tǒng)總體結構流程圖3. 系統(tǒng)硬件設計3.1 、傳感器選型傳感器實際上是一種換能器，它可以把聲音信號攜帶的機械能轉變?yōu)殡娔?，電信號的強度與聲強在一定范圍內滿足線性關系。3.1.1 、 傳感器分類傳感器可以按照不同的能量轉換機理分為動圈式、電容式、壓電式和半導體式等，16/3

38、8其中動圈式和電容式應用最為廣泛。也可以按照其可錄制聲場的范圍分有指向性和無指向性兩種，其中無指向性也叫做全指向性，有指向性又可按照其指向性范圍分為心形指向性、超心形指向性、雙指向性和單一指向性幾種。按其在最佳工作狀態(tài)下與聲源的有效距離分為遠場傳感器和近場傳感器。也可按照用途分為人聲傳感器、樂器傳感器和測量傳感器等。l> 動圈式傳感器動圈傳感器由于其價格低廉、堅固耐用、可承受較大聲壓而廣泛應用于各種場合。動圈傳感器主要由振膜、音圈、永磁體和阻抗匹配變壓器組成。當聲音震動通過空氣傳到傳感器時，會引起振膜的振動，振膜帶動音圈在永磁體的磁場中運動切割磁力線產生電流。由于音圈阻抗相對較低，通過阻

39、抗匹配變壓器可以提高傳感器的輸出阻抗，更容易與后續(xù)放大器的阻抗進行匹配。動圈傳感器因其結構和原理相對簡單、穩(wěn)定性高、可以承受較大聲壓、抗外界噪音能力較強，廣泛應用于擴音、錄音等各種場合。但其缺點是靈敏度較低、瞬態(tài)響應性能不佳、頻響曲線不夠平直。2>電容式傳感器電容傳感器是利用電容器容量隨極板間距而變化的原理工作的.電容傳感器主要由振膜、剛性極板以及輔助部件組成。其內部的導體振膜和剛性極板組成一個電容器，電容傳感器在工作是需要外部電源供電。當聲音通過空氣傳導到傳感器時，振膜隨著空氣振動而前后運動，其與剛性極板的間距隨即發(fā)生變化，從而因其電容的變化。在外部電源的作用下，極板兩端電壓便會發(fā)生改

40、變，從而將機械能轉換為電能。電容傳感器靈敏度高、頻響范圍寬、瞬態(tài)響應好、失真較小，但其結構精密、成本較高、且難以承受瞬間大聲壓的沖擊，因此僅用于音頻環(huán)境較好的錄音棚、消聲室，作為錄音傳感器或測量傳感器使用。3>駐極體式傳感器駐極體式傳感器是一種利用駐極體材料做成的電容傳感器。主要結構形式有兩種: 一種是用駐極體高分子薄膜材料作振膜。另一種是用駐極體材料做后極板。因為駐極體本身帶電，所以這種傳感器無須外部笨重的極化電源，簡化了電容傳感器的結構。該傳感器是由一片駐極體薄膜和一片金屬電極( 背電極 >構成的電容。當聲波引起駐極體薄膜產生振動而發(fā)生位移時，電容極板間的距離就會發(fā)生變化，從而

41、引發(fā)了電容器17/38兩端電壓的變化，完成聲電轉換。3.1.2 、 傳感器性能指標靈敏度和指向性是傳感器的兩個重要性能，由此而關聯的傳感器性能指標主要有以下幾條 :l> 靈敏度靈敏度是表征傳感器在一定聲壓作用下能產生多大的電輸出的一個物理量，表示傳感器的聲電轉換效率。一般說來它是傳感器的輸出電壓同該傳感器所受聲壓的復數比。一般來說，傳感器的靈敏度越高，失真度就越小，其所接受的聲音信號的質量就越好，輸出信號的音質越接近于真實聲音。2>頻率響應傳感器的頻率響應是指在某一確定的聲場中，聲波以一指定的方向入射，并保持聲壓恒定時，傳感器的開路輸出電壓隨頻率的變化的曲線。傳感器的頻率響應是傳感

42、器的主要指標之一，為了得到良好的音質，一般要求傳感器的頻響曲線在較寬的頻率范圍之內平直。3>指向性傳感器的靈敏度隨聲波入射方向而變化的特性就是傳感器的指向性。傳感器的指向性對音質有較大影響。根據不同的使用目的，不同的聲源以及不同的聲場條件，選用具有不同指向性的傳感器，對提高音質是很重要的。4>輸出阻抗輸出阻抗也稱源阻抗是指傳感器的兩根輸出線之間在1kHz 信號輸入時的阻抗。源阻抗在 150-600 歐之間的傳感器是低阻抗型的。在1-5 千歐之間是中阻抗型的。在25-150千歐之間是高阻抗型的。應注意的是，所有的電動式傳感器都是低阻抗器件，那些有高阻抗輸出的電動式傳感器使用一個內置阻

43、抗升高變換器。高阻抗傳感器的缺點是它們的高阻抗電纜線容易拾取到靜電噪聲，諸如發(fā)動機和熒光燈等引起的噪聲，這就是要求使用帶屏蔽的電纜。另外，圍繞屏蔽的導體會形成一個電容器，它實際上是跨接在傳感器的輸出上。當電纜的長度增加時，電容量就變大，直到6 至 8M 長時，電容量開始短路掉由傳感器拾取的許多高頻信號。因此，使用高阻抗傳感器應避免用長電纜來連接，這種限制有時會給錄音帶來不便。5>最大聲壓級指的是在傳感器在不產生非線性失真時所能承受的最大聲壓。18/386>等效噪聲級用來衡量聲音傳感器本身的固有噪聲大小，固有噪聲主要由膜片的熱擾動或有源器件的電噪聲引入。通常用等效噪聲的聲壓級來衡量傳

44、感器固有噪聲的大小。7>動態(tài)范圍指的是傳感器所能接收信號聲壓變化范圍的上下限，上限受到最大聲壓級的限制，下限受到等效噪聲級的限制。專業(yè)級傳感器的動態(tài)范圍一般在110dB 左右。8>失真度指的是聲信號經傳感器拾音以后聲音發(fā)生畸變的程度。失真主要是因為傳感器的振動波形與聲源不符或傳感器接收聲音的聲壓超過其能接收的最大聲壓級造成的。3.1.3 、 傳感器的選擇我們在選擇傳感器的時候，要在了解不同的目標聲場特性的基礎上，結合傳感器的技術特性來選擇。一般考慮兩個方面的需求 : 一方面要滿足環(huán)境特性的需求，包括對溫度、濕度、壓力和風的適應性等。另一方面要滿足技術特性的需求，包括對靈敏度、頻率響應、動態(tài)范圍和指向性等的需求。本系統(tǒng)所測的目的是語音采集，因此我們要選用靈敏度高、頻響寬而平直的傳感器。具體選型時在綜合考慮傳感器性能和市場價格等因素后，最終選定了一種測量電容式駐極體傳聲器。駐極體電容傳聲器 <俗稱咪頭）是一種聲電轉換器件，類屬于電容傳聲器。但是，與早期的電容傳聲器相比，其內部振膜或背極采用的是可儲存電荷的駐極體材料，因此無需外加極化電源。同時，由于駐極體電容傳聲器內置了場效應管，輸出靈敏度得到大幅度提升。而且駐極體電容傳聲器采用了超小型的零部件，使得產品體積可以做的很小。由于擁有諸多優(yōu)良性能，駐極體電容傳聲器廣泛應用于手機、