湖南理工學院畢業設計(論文)學號業設計(論文) 題目: 基于LabVIEW的語音信號分析系統的設計 作 者 賈 邦 穩 屆 別 2015 屆 院 別 信息與通信工程學院 專 業 電子信息工程 指導教師 彭仕玉 職 稱 副教授 完成時間 2015 年 5 月 摘 要虛擬儀器與傳統儀器相比，實現了儀器的智能化、模塊化、多樣化等功能，體現出多功能、低成本等操作優點，應用前景廣闊。隨著計算機的出現及計算機技術的快速發展，語音信號處理技術更是得到了飛速發展，得到了廣泛的應用，如語音合成技術、語音壓縮編碼和語音識別技術。本設計利用虛擬儀器軟件平臺LabVIEW 設計了一個語音信號分析系統。先介紹了四種采集語音信號的方法，并選擇采用錄音機錄制的方法采集語音信號，然后設計基于LabVIEW的時域信號的FFT分析模塊，接著設計截止頻率為3000Hz的Butterworth低通濾波器對語音信號進行濾波去噪，最后根據以上設計進行語音信號的時頻分析、特性分析等。關鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；語音信號；時頻分析；數字濾波器AbstractCompared with traditional instruments, virtual instruments achieve the intelligent, modularity, diversity and other functions 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 as speech synthesis technology, speech coding and speech recognition technology.This design projects a speech signal analysis system based on the virtual instrument software platformLabVIEW.The first step is to introduce the methods of four kinds of voice signal acquisition, and select the 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-frequency analysis and characteristic analysis according to thethe 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 語音信號處理的發展及應用21.3 本課題研究任務及章節安排4第2章 系統設計方案52.1系統基本概述52.2系統總體實現52.3系統框圖7第3章 語音信號的采集83.1 語音信號的采集方法83.2 聲卡的相關介紹及參數設置103.2.1 LabVIEW中的相關聲卡函數103.2.2聲卡的參數及設置113.3 讀取歷史語音信號的設計14第4章 基于LabVIEW的語音信號分析的實現154.1語音信號的時域分析154.1.1語音信號的預處理154.1.2語音信號的短時能量和短時平均幅度函數174.1.3語音信號的短時自相關函數和短時平均幅度差函數184.2語音信號的頻域分析184.3濾波器的設計及濾波實現204.4語音信號的綜合實現234.4.1語音分析系統的整體設計234.4.2語音信號的時頻分析24第5章 總結25參考文獻26致 謝27附 錄2827第1章 緒 論1.1 虛擬儀器概述1986年美國NI公司最先提出“虛擬儀器”。其利用應用程序將功能化模塊與通用計算機結合在一起，用戶能通過計算機強大的在線幫助功能和數據處理存儲圖形環境，建成圖形化界面的虛擬儀器軟面板，存儲和顯示儀器的控制數據分析，使傳統儀器的使用方式進行變換，增強儀器的功能、提高儀器的使用效率，從而大幅度降低儀器的成本，同時讓用戶能根據自己的需求設計儀器的功能。虛擬儀器以傳統儀器為基礎，繼承發展了其所有的優點，而且還超越了前者。虛擬儀器在計算機中引入了傳統儀器的顯示和硬件數據處理，并用軟件進行處理。虛擬儀器作為一個全新的概念，虛擬儀器是儀器技術和計算機的結晶，其也是計算機和測試技術深層次結合的產物。虛偽儀器相較于傳統儀器打破了其“萬能”功能概念，將計算機技術運用到極致，特別強調“軟件即儀器”.還可以利用LabVIEW、Agilent VEE等虛擬儀器軟件開發平臺來開發。在某種程序上軟件能做到傳統儀器不可能實現的一些硬件測試功能，例如，可以實現用戶自己定義儀器或系統的功能、規模，虛擬儀器的功能軟件的模塊化和開放性，讓組建系統變得更加靈活簡單。虛擬儀器具有強大的功能，比如信號分析、數據處理等，還有友好的人機界面。特別地，用戶不必花費大量錢財投資于多臺不同功能的儀器，編程用戶可以根據需要對各個功能和面板進行擴展和自定義。用戶還可以修改程序實現對不同環境的測量、通過網絡實現儀器的遠程調試和控制，以節省資源。常見的虛擬儀器有雙蹤示波器和頻譜分析儀、多蹤信號示波器、雙蹤儀器庫、多蹤X-Y軌跡儀、傳遞函數（頻響特性）分析儀、多蹤頻譜分析儀等。虛擬儀器系統是由計算機、應用軟件和儀器硬件三大要素構成的。計算機與儀器硬件又稱為VI的通用儀器硬件平臺。虛擬儀器的主要特點有：擴展性強、性能高、智能化程度高、靈活性好、界面友好、兼容性、開發時間少。虛擬儀器與傳統儀器相比，實現了儀器的智能化、模塊化、多樣化等功能，體現出多功能、低成本等操作優點。具有更廣泛的應用范圍，在工業上的應用有羥基鎳在線檢查系統、輸油泵機組在線監測系統、信號分析系統、橋墩位移監控系統、發電機組在線監測診斷系統、鍋爐供熱自動控制系統等。因此它成為儀器行業發展的一個重要方向，并受到許多國家儀器行業的重視。世界上最早開發和應用虛擬儀器的公司是National Instruments公司。20世紀70年代，杰姆特魯查德和杰夫柯德斯凱為美國海軍研制了一種基于計算機的聲吶測試儀，其可以再計算機的控制下完成指定指令的測試工作，畢竟是第一次開發虛擬儀器，成本與開發周期都不太理想。后來他們二人在多次研發、總結經驗后，嘗試功能模塊化處理，從而使程序結構和操作的復雜性大大簡化。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。這些軟件先是運行在Macintosh平臺上，后來出現了Windows 3.0操作系統，操作性能更加良好?？茖W技術迅猛發展的今天，在自動測試、儀器控制和數據采集等領域無一例外不應用到虛擬儀器技術，測試系統和儀器控制的設計方法與實現技術也因為虛擬儀器技術而發生了深刻的變化。測試與測量技術發展的重要標志也漸漸趨向“軟件即儀器”。作為新興的測控儀器，用戶可以對虛擬儀器進行充分的想象并發揮，根據自己的實際需要設計符合開發要求的儀器系統。虛擬儀器具有先進的性能和廣泛的應用前景吸引著許多國際知廠商如HP公司、PC儀器公司、Racal公司等先后開始研發虛擬儀器。常見的虛擬儀器開發軟件是NI公司提供的LabVIEW和LabWindowa/CVI兩種。LabWindowa/CVI是NI公司推出的一種基于C語音的虛擬儀器開發平臺十分適合于開發面向測控領域的基于Windows的圖形化應用軟件。其以ANSIC和擴展集為編程語言，含有豐富的標準庫函數，如RS232、GPIB、VISA、數據分析和TCP協議函數庫等，可以進行測量、控制、數據傳輸及處理等。本設計主要采用LabVIEW。LabVIEW由NI公司推出，是一種圖形化編程語言，與傳統的文本編輯語言中的子程序或函數相似，虛擬儀器就是用LabVIEW開發的軟件，其操作界面與現實中的儀器幾乎沒有什么差別，但功能卻比現實中的傳統儀器更強大。LabVIEW的全稱是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，其源程序完全是圖形化框圖，沒有文本代碼，稱圖形化源代碼為G代碼。在LabVIEW平臺上編寫的程序拓展名是VI。LabVIEW還包括大量工具和函數、大量的控件，用來進行數據采集、分析、顯示與存儲等操作。不僅如此還提供了許多接口，方便與DDL、Visua Basic、 MATLAB等多種軟件相互調用，大大拓展了其功能。它附帶的擴展庫函數，還能在自身配備的工具不能完成一些任務時，調用專業的數據采集和處理工具包擴展庫進行強大的專業分析。它也具有強大的儀器驅動庫可以和多種儀器連接。軟件LabVIEW能編出功能強大、界面美觀的程序，其編程語言簡單形象，可以讓初學者很容易學習、掌握，也能夠很快地掌握各類編程技巧。作為編程者你可以在編程過程中，直接找到所需控件然后拖動至程序框圖中，再一一對應進行連線，便可以進行數據的傳送了，避免了很多復雜的公式運算、程序調用及傳遞參數，十分簡便。LabVIEW經過快速發展，自問世至今已被大多數人所認同。它已然成為當今測控領域的潮流熱點，代表著未來虛擬儀器的發展方向。1.2 語音信號處理的發展及應用語音是人類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源和利用信息的重要手段。在高度信息化的今天，語音處理的一系列技術及應用已經成為信息社會不可或缺的重要組成部分。語言是人類特有的功能，其是記載和創造幾千年以來人類文明史的主要手段，如果沒有語言那么就沒有今天的人類文明。其中語音既是語言的聲學表現，也是相互傳遞信息的最重要的手段之一，是人類最有效、最重要、最方便和最常用的交換信息的形式。語音信號的處理研究就是是起源于發聲器官的模擬。早在一兩千年以前，人們便對語音信號進行了研究。由于沒有適當的儀器設備，長期以來，一直是由耳傾聽和用口模仿來進行研究。因此，這種語言研究常備稱為“口耳之學”，所以對語音只是停留在定性的描寫上。語音信號處理真正意義上的研究可以追溯到1876年貝爾電話的發明，該技術首次用聲電、電聲轉換技術實現了遠距離的語音傳輸。1939年HomerDudley提出并研制成功的第一個聲碼器，從此奠定了語音產生模型的基礎。這一發明在語音信號處理領域具有劃時代的意義。19世紀60年代，亥姆霍茲應用聲學方法對元音和歌唱進行了研究，從而奠定了語音的聲學基礎。20世紀40年代，一種語言聲學的專用儀器語譜圖儀問世了。它可以把語音的時變頻譜用語圖表示出來，從而得到了“可見語言”。1948年美國Haskins實驗室研制成功“語音回放機”，該儀器可以把手工繪制在薄膜片上的語譜圖自動轉換成語音，并進行語音合成。20世紀50年代對語言產生的聲學理論開始有了系統論述。隨著計算機的出現，語音信號處理的研究得到了計算機技術的幫助，使得過去受人力、時間限制的大量的語音統計分析工作，得以在電子計算機上進行。作為高科技應用領域的研究熱點，語音信號處理技術主要研究和利用數字信號處理技術(DSP)對語音信號進行處理與分析，讓未來的計算機更加智能，做到“能聽會說”。語音分析會涉及許多很難的數學運算，但考慮到它的價格和靈活性，不建議采用硬件方式實現，對于用計算機軟硬件結合的方法，采用主流的編程方式實現就可能存在不易拓展、編程復雜、界面不友好等問題。但若采用圖形化軟件LabVIEW，就會具有編程功能完備、有豐富的各種板卡和多種專用軟件包可供選擇等優點，就能很方便地提供一個界面友好、符合要求的語音分析開發平臺。語音處理主要從基礎理論、算法實現及實際應用等方面來研究。主要研究以下兩個方面：一是從語音產生和語音感知來研究；二是將語音作為一種信號進行處理。從20世紀60年代出現的數字濾波器、FFT到后來出現的線性預測編碼技術，以及80年代出現的分析合成法、馬激勵線性預測、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了語音信號處理的發展和應用。語音信號處理有著非常廣泛的應用，最基本的是語音的數字傳輸，也就是鍵語音進行數字化后在數字通信系統中進行傳輸，以實現數字語音通信。主要從語音合成技術、語音壓縮編碼和語音識別技術這三個方面介紹語音處理的應用。語音合成技術的目的就是讓計算機說話。按規則的文字語音合成系統將文字轉換成語言讓計算機模仿人來朗讀文本。語音壓縮編碼技術的目的是在保證一定語音質量的前提下，盡可能降低編碼的比特率，以節省頻率資源。實現語音壓縮碼的設備通常稱為聲碼器，還可以利用線性預測、矢量量化、碼本激勵等技術來實現語音壓縮編碼。根據語音壓縮采樣率，語音壓縮編碼可分為3003400Hz的窄帶、7kHz的寬帶和20kHz的音樂帶寬壓縮編碼。語音識別技術語音識別以語音為研究對象，最終目標是將語音轉換成等價的書面信息實現人與機器進行自然語言通信。語音識別可以有許多分類方法，目前研究的重點是實現大詞匯表、費特定人的連續語音識別系統，可應用于人機直接對話、語音打字機、兩種語音之間的直接通信等。語音識別有著廣泛的應用，若將語音識別與語音合成結合起來還可以實現甚低比特率的語音通信系統。1.3 本課題研究任務及章節安排本課題研究的主要任務是設計基于LabVIEW的語音信號分析系統。語音信號分析系統包括時域分析和頻域分析，語音信號的時域參數包括短時能量、短時過零率、短時自相關函數和短時平均幅度差函數等。語音信號的頻域分析包括語音信號的頻譜、功率譜、倒頻譜、頻譜網絡分析等頻譜特性進行分析。但是本設計只進行了頻譜分析。首先需要了解LabVIEW平臺以及掌握LabVIEW的編程基礎，在此基礎上再設計相應的語音信號采集、語音信號時頻分析、語音信號的濾波去噪處理等模塊，用于進行語音信號的時頻分析、特性分析等。本文共分為5個部分進行論述：第一章為緒論部分，介紹了虛擬儀器和語音信號處理的發展和應用；第二章為系統的設計方案，交代了整體思路和設計流程；第三章主要介紹了語音信號的采集與聲卡的相關知識；第四章介紹語音信號的處理分析，包括時域、頻域分析、濾波分析；最后是總結，對本設計的一些不足之處進行總結，并提出進一步的研究方向。第2章 系統設計方案2.1系統基本概述本系統的設計思路如下：先設計基于計算機自帶聲卡和LabVIEW 的語音信號的采集模塊；然后設計時域信號的快速傅氏變換模塊、語音信號的濾波去噪模塊，對于濾波處理模塊設計了巴特沃斯低通濾波器進行濾波去噪；最后根據各個模塊來進行語音信號的時域分析、頻譜分析、特性分析。利用LabVIEW編程出語音信號分析系統的前面板圖和程序流程圖，搭建基于LabVIEW開發平臺的上述信號處理模塊。采集語音信號頻譜分析設計濾波器濾波去噪頻譜分析圖2.1 系統流程圖2.2系統總體實現語音分析平臺由軟、硬件兩部分組成。硬件部分：硬件部分的任務是利用麥克風和聲卡將語音信號轉換為電信號，經過A /D轉換，以數字信號的形式傳入計算機，還能通過聲卡外接耳機或音箱將語音波形文件回放。硬件包括三個部分：拾音及信號調理電路，A /D轉換電路，PC機接口電路。如今聲卡作為計算機的標準配置，采用聲卡與話筒的組合采集聲音，可以省去大量硬件設計工作，使用起來非常簡便。聲音輸入A/D轉換放大器PGA放大器PGADSP放大器PGA放大器PGAD/A轉換A/D轉換PCA總線聲音輸出圖2.2 聲卡工作流程顯示（文件操作、圖形圖表處理、數據輸出等）軟件部分：LabVIEW的編程包括前面板和程序框圖兩個部分的設計。前面板就好像是一臺儀器的面板，所呈現出來面板的和實際儀表面板幾乎無差，可以對儀表進行控制、將信號顯示表達出來。LabVIEW包含非常強大的控制模板庫，用戶可以找到所需模板并利用其來進行設計。而程序框圖面板就負責一臺儀器的內部工作部分，用于實現儀表對信號的采集處理等操作。對應的LabVIEW包含的功能模板庫，用來幫助用戶實現程序改造、儀器控制數據分析等功能。主要的功能模塊如下：采集與預處理、時域處理、頻域處理。數據采集與控制（RS232、GPIB、DAQ、PXI、PCI等）信號分析處理（波形操作、數據濾波、數組處理等）被測信號圖2.3 LabVIEW系統的組成2.3系統框圖圖2.4 系統總體框圖圖 2.5 信號發生及分析系統的組成第3章 語音信號的采集3.1 語音信號的采集方法利用電腦采集語言信號的方法有很多種，每一種都有其獨特的地方，以下幾種是比較常用的錄制語音信號的方法。方法一：利用筆記本電腦系統自帶錄音機進行錄制Windows 自帶了一個錄音機程序（簡稱錄音機），通過它可以驅動聲卡采集、播放和簡單處理語音信號。語音信號的采集可以使用電腦的錄音機直接錄制人的語音，并將其保存在電腦中。圖3-1 所示，電腦系統自帶錄音機對語音信號進行采樣的過程，電腦聲卡會自動將原本模擬語音信號轉換成數字信號，即進行A/D轉換。轉換之后獲得WMA文件（WMA是錄音時windows系統默認的文件格式），為數字信號處理準備了原文件。WMA文件 A/D轉換 采樣 L濾波 聲音 圖3.1 聲卡語音信號采集過程圖3.2 錄音機方法二：利用LabVIEW中的聲音采集函數進行采集在LabVIEW中，使用聲音采集函數:Sound Input Congfigure.vi與Sound Input Read.vi。從聲音輸入設備讀取數據時使用Sound Input Congfigure.vi 配置設備，設置相應的參數。Sound Input Congfigure.vi 采集到的數據被發送到緩存，使用Sound Input Read.vi從聲音輸入設備讀取數據。當執行采集數據時，可以對信號進行存儲和實時地顯示、分析。語音信號的存儲主要由 Sound File Write Open.vi( 設置為寫入) 和Sound File Write.vi實現。此時進行存儲的語音格為.wav文件。Sound File Write Open.vi用于創建待寫入的新.wav 文件。Sound File Write.vi將來自Sound Input Read.vi的輸出數據寫入.wav 文件。接著將系統功能切換至讀取語音文件模塊，執行對歷史語音信號的讀取、顯示、分析。Sound File Write Open.vi讀取文件的路徑參數，打開用于讀取的.wav 文件。Sound File Read.vi接收來自Sound File Write Open.vi的數據，將.wav 文件的數據以波形數組形式讀出，并輸入到后面所需的控件中。圖3.3 聲音采集函數采集設計方法三：使用Matlab軟件直接調用wavrecord函數對語音信號進行采集。wavrecord是調用pc機聲卡來對語音信號進行采集，函數調用方式為：wavrecord(n,fs,ch,dtype); n:采樣點數；fs：采樣頻率，其系統默認值為11025Hz；ch：樣本采集通道，1為單聲道，2為雙聲道，默認值為1；dtype：采樣數據存儲格式，即每個樣本的解析度。利用MATLAB實現錄音的語句如下；clear;clc;fs=8000; %8000為采樣頻率channel=1;t=5 ; %采樣時長fprintf(按任意鍵后開始 %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); %錄制語音信號fprintf(錄音結束n); %文字提示wavwrite(y,fs,E:jiayou.wav); %存儲錄音信號fprintf(按任意鍵后回放:);pause;wavplay(y,fs);方法四：使用GoldWave軟件采集語音信號GoldWave是一個功能強大的數字音樂編輯器，包含聲音編輯、播放、錄制和轉換等功能，它還可以對音頻內容進行轉換格式等處理。它體積小巧，功能強大，可以打開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、可定制的用戶界面，使操作更簡便；* 多文檔界面可以同時打開多個文件，簡化了文件之間的操作；* 編輯較長的音樂時，GoldWave會自動使用硬盤，而編輯較短的音樂時，GoldWave就會在速度較快的內存中編輯，等等。3.2 聲卡的相關介紹及參數設置聲卡(Sound Card)也叫音頻卡（港臺稱之為聲效卡）：聲卡是多媒體技術中最基本的組成部分，是實現聲波/數字信號相互轉換的一種硬件。聲卡的基本功能是把來自話筒、磁帶、光盤的原始聲音信號加以轉換，輸出到耳機、揚聲器、擴音機、錄音機等聲響設備，或通過音樂設備數字接口(MIDI)使樂器發出美妙的聲音。3.2.1 LabVIEW中的相關聲卡函數LabVIEW提供了一系列使用Windows底層函數編寫的與聲卡有關的函數，利用這些函數可以方便的搭建基于聲卡的信號采集程序，這些函數位于“函數-編程-圖形與聲音-聲音”子選板上，如圖3-2所示。這些函數都是用Windows底層函數編寫的，直接與聲卡驅動聯系，可以實現對聲卡的快速訪問和操作，具有比較高的執行性能。聲音子選板下有分輸出、輸入與文件三個子選板，它們分別提供聲音輸出、輸入與聲音文件相關的VI。圖3.4 聲卡操作函數子選板3.2.2聲卡的參數及設置聲卡作為一種數據采集設備，最主要的兩個參數是采樣位數和采樣頻率。采樣頻率，也稱為采樣速度或采樣率，表示符號為fs，指每秒從連續信號中提取并組成離散信號的采樣個數，單位為 Hz。采樣頻率的倒數是采樣周期或采樣時間，它是采樣點之間的時間間隔。采樣頻率越高，獲得的聲音文件質量越好，占用磁(光)盤的空間也就越大。采樣率通常有44100 Hz，22050 Hz，11025 Hz，8000 Hz。對于少數專業的聲卡，采樣率能達到96kHz或者更高的192kHz等。采樣位數，也就是采樣值，可以衡量聲卡對聲音的解析度，又被稱為聲卡的分辨率。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。相對大多數采集卡12位的分辨率來講，目前市場上16位的主流聲卡性能比較高。其他的參數還有：通道數，就是指定通道的個數，該輸入可接受的通道數與聲卡支持的通道數一致對于多數聲卡，1為單聲道，2 為立體聲，設置為2。每通道采樣數，指的是每次從通道讀取的數據長度，其實是從通道的buffer里面讀取的。如果每次讀得太少，而且讀的間隔過長，那么buffer里面的數據就會堆積，最后導致buffer溢出。所以 buffer size應該大于數據讀取間隔*采樣率，否則一個間隔的數據就足以把buffer填滿了，同時讀取的長度也應該保證buffer不會溢出。錄音設備錄制設置及參數設置如下圖所示：圖3.5 錄音設備錄制設置圖3.6 錄音設備參數設置圖3.7 聲音采集函數參數設置3.3 讀取歷史語音信號的設計采用錄音機錄制語音直接對語音信號進行采集，將其保存在E盤，然后用控件path對其進行調用，接著采用讀取并打開聲音文件函數Sound File Open.vi 和讀取聲音文件函數Sound File Read.vi對其進行讀取，如下圖所示：圖3.8 錄音機采集設計圖3.9 讀取歷史語音信號的設計第4章 基于LabVIEW的語音信號分析的實現語音信號是一種非平穩的時變信號，它攜帶著各種信息，具有短時平穩性，因而在整個語音分析過程中將采用“短時分析技術”。也就是將語音信號分段分析，一段也就是一“幀”，然后再對其特征參數進行分析，得出的整體語音信號就是將各個幀的特征參數疊加成一個整體特征參數時間序列。分析語音信號的時候，可根據參數性質的不同，對語音信號進行時域分析、頻域分析、倒頻域分析等。對語音信號而言，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，故雖然時域分析方法具有其簡單、獨特的優點，但相對而言，頻域分析更重要。語音信號在頻域內，它的頻率范圍通常集中在3003400Hz。對語音信號進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音信號。采樣頻率越高，獲得的聲音文件質量越好，占用磁(光)盤的空間也就越大。4.1語音信號的時域分析語音信號的時域分析就是分析和提取語音信號的時域參數，語音信號本身就是時域信號，故直接利用語音信號的時域波形。語音信號的時域參數包括短時能量、短時過零率、短時自相關函數和短時平均幅度差函數等。4.1.1語音信號的預處理在進行分析之前，還要對語音信號的數字化、語音信號的預處理（包括預加重、加窗和分幀等）等相關技術進行了解。由于電腦自帶的聲卡已經將所記錄到的模擬信號（語音）轉換為數字信號，故語音信號已為數字信號，可直接進行預處理。首先是預加重，然后進行加窗分幀處理，一般每秒的幀數約為33100幀。前一幀和后一幀的交疊不分稱為幀移，幀移與幀長的比值一般為01/2。分幀是用可移動的有限長度窗口進行加權。圖4.1 語音信號分幀圖對語音信號進行數字處理的時候會經常用到漢明窗（hanning）、矩形窗等，窗函數的選擇（形狀和長度）非常影響短時分析參數的特性。如何選擇合適的窗函數顯得尤為重要：在時域，要減小時間窗兩端的坡度以便讓窗口邊緣兩端平滑過渡到零，讓截取出的語音波形慢慢降為零，減小語音幀的截斷效應；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。窗越長主瓣越窄，加窗后的頻譜能夠更好地逼近短時語音的頻譜；窗長越長，頻譜分辨率越高，但時間分辨率相應下降。矩形窗窗函數如下： （4-1）圖4.2 矩形窗及其頻譜漢明窗窗函數如下： （4-2）圖4.3 漢明窗及其頻譜本設計中采用漢明窗，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 Window的譜平滑性較好，但損失了高頻成分，使波形細節丟失，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、窗口長度N、和分辨率之間的關系： （4-3）對于時域而言，若N很大，就等效于很窄的低通濾波器了，反應語音信號波形細節的高頻部分被阻礙，短時能量隨時間變化小，不能真實反映語音信號的幅度變化；相反，若N太小，濾波器的通帶變寬，短時能量隨時間變化劇烈，不能得到平滑的能量函數。通常一個語音幀包含17個基音周期，最長基音周期約為20ms，N至少大于兩個基音周期。4.1.2語音信號的短時能量和短時平均幅度函數短時能量定義為： （4-4）式中N為窗長?？梢姸虝r能量為一幀樣點值的加權平方。短時平均幅度函數定義為： （4-5）短時能量用來度量語音信號幅度值的變化，但它有一個缺點，就是對高電平非常敏感，為此，可采用短時平均幅度函數，另一個可以度量語音信號幅度值變化的函數。和主要用來區分濁音段和清音段，區分聲韻母、有無聲、連字的分界，用于語音識別。短時過零率表示一幀語音中語音信號波形穿過橫軸（即零電平）的次數。它可以從背景噪聲中找出語音信號，可用來判斷寂靜無聲段和有聲段的起點和終點位置。高頻意味著高的平均過零率清音時，低頻意味著低的平均過零率濁音時。4.1.3語音信號的短時自相關函數和短時平均幅度差函數短時自相關函數可以求出濁音語音的波形序列的基音周期，在進行語音信號的線性預測分析時也要用到，其計算公式如下： （4-6）這里K為最大的延遲點數。自相關函數具有以下性質：1）周期性。周期為的信號的自相關函數是一個同周期的周期函數，即有2）對稱性。3）存在最大值。對所有k有：4）對確定信號，值等于信號能量：對隨機信號或周期信號，值等于平均功率。短時平均幅度差函數(AMDF)能代替自相關函數進行語音分析且大大減少了計算量。短時平均幅度差函數 （4-7）4.2語音信號的頻域分析對一個時域信號進行傅里葉變換，就可以得到的信號的頻譜，信號的頻譜由兩部分構成：幅度譜和相位譜。幅度譜以頻率作為自變量，以組成信號的各個頻率成分的幅值作為因變量，表征信號的幅值隨頻率的分布情況。相位譜就是相位隨頻率變化的曲線，代表各頻率分量在時間原點所具有的相位。功率譜是功率譜密度函數的簡稱，它定義為單位頻帶內的信號功率。它表示了信號功率隨著頻率的變化情況，即信號功率在頻域的分布狀況。語音信號的頻域分析包括語音信號的頻譜、功率譜、倒頻譜、頻譜網絡分析等頻譜特性進行分析，常用的頻域分析方法有傅里葉變化法、帶通濾波器組發、線性預測法等幾種。信號的傅立葉表示在信號的分析與處理中起著重要的作用。傅里葉頻譜分析的基礎是傅里葉變換，用傅里葉變換及其反變換可以求得傅里葉譜，自相關函數，功率譜，倒譜。因為對于線性系統來說，可以很方便地確定其對正弦或復指數和的響應，所以傅立葉分析方法能完善地解決許多信號分析和處理問題。另外，傅立葉表示使信號的某些特性變得更明顯，因此，它能更深入地說明信號的各項宏物理現象。短時傅里葉變換就是對語音信號分幀處理，然后計算某一幀的傅里葉變換，定義為： （4-8）其中為實數窗序列，n取不同的值，窗沿時間軸滑動到不同的位置，取出不同的語音幀進行傅里葉變換。它反映了語音信號的頻譜隨時間變化的特性。短時傅里葉反變換由時頻函數重構，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，可以將一個信號變換到頻域，有些信號在時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分析采用FFT變換的原因。而且FFT可以將一個信號的頻譜提取出來，其根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得。用FFT對信號作頻譜分析對學習數字信號處理來說十分重要。模擬信號和時域離散信號經常需要進行譜分析。對信號進行譜分析的重要問題是頻譜分辨率D和分析誤差。頻譜分辨率直接和FFT的變換區間N有關，因為FFT能夠實現的頻率分辨率是2/N，因此要求2/ND。可以根據此式選擇FFT的變換區間N。誤差主要來自于用FFT作頻譜分析時，得到的是離散譜，而信號（周期信號除外）是連續譜，只有當N較大時離散譜的包絡才能逼近于連續譜，因此N要適當選擇大一些。假設采樣頻率為Fs，采樣點數為N，做FFT之后，某一點n（n從1開始）表示的頻率為：Fn=(n-1)*Fs/N；該點的模值除以N/2就是對應該頻率下的信號的幅度；該點的相位即是對應該頻率下的信號的相位。要精確到x Hz，則需要采樣長度為1/x秒的信號，并做FFT。要提高頻率分辨率，就需要增加采樣點數，但是這卻并不可取，在實際應用中需要在較短的時間內完成分析?？梢試L試頻率細分法來解決問題，要想簡單些的話采樣比較短時間的信號，然后在后面補充一定數量的0，使其長度達到需要的點數，再做FFT。圖4.4 原始信號及濾波信號的時頻分析設計4.3濾波器的設計及濾波實現采集信號的時候由于受到外在因素等原因的干擾不可避免地會產生噪聲信號，從而導致信號的失真，于是，就需要濾波技術來消除這些噪聲。濾波器是一種選頻裝置，能讓信號中特定的頻率成分通過而衰減其他不需要的頻率成分。數字濾波器，就是輸入、輸出均為數字信號，通過數值運算處理改變輸入信號所含頻率成分的相對比例，或者濾除某些頻率成分的數字器件或程序。其基本工作原理是利用離散系統特性去改變輸入數字信號的波形或頻譜，讓有用信號頻率分量通過，抑制無用信號分量輸出。數字濾波器根據其沖擊響應函數的時域特征，可分為兩種，即無限長沖擊響應（IIR）濾波器和有限長沖擊響應（FIR）濾波器。IIR濾波器的特征是，具有無限持續時間沖擊響應，具有遞歸性，幅頻特性較平坦，但其相位響應非線性。FIR濾波器的沖擊響應只能延續一段時間，其系統穩定、嚴格線性相移，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表達式： （4-9）式中，為通帶截止頻率，n為濾波器的階數。Butterworth濾波器具有許多特性：通帶內具有最大平坦的幅頻特性；隨頻率的增大，平滑單調下降；在通帶中，是理想的單位響應，在阻帶中響應為零；在截止頻率處即當時，有半功率頻率，即有3dB衰減。2）切比雪夫濾波器切比雪夫濾波器的幅頻響應表達式： （4-10）式中，為通帶截止頻率，n為濾波器的階數，為小于1的正數，決定通帶紋波大小的系數，表示通帶內幅度波動的程度，越大波動幅度越大。Chebyshev濾波器具有許多特性：通帶內峰值誤差最??；通帶內具有等幅的波紋起伏特性；阻帶內幅頻響應單調下降且具有更大的衰減；與巴特沃斯濾波器相比，過度迅速。通過仿真實驗可以證實，當濾波器的階次較高時，系統的頻率響應速度越快，階次越高就越接近理想特性。通過巴特沃斯濾波處理的信號不會出現抖動現象，因為在濾波器的通帶和阻帶之間有一平滑過渡。綜合以上對濾波器特性的考慮，本設計采用Butterworth低通濾波器對所采集到的語音信號進行濾波處理。語音信號在頻域內，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置為3000Hz。圖4.5 數字濾波器的參數設置圖4. 6 語音信號的濾波設計4.4語音信號的綜合實現4.4.1語音分析系統的整體設計圖4.7語音分析系統的程序框圖圖4.8 語音分析系統的前面板4.4.2語音信號的時頻分析圖4.9 讀取信號的時、頻域波形圖圖4.10 濾波信號的時、頻域波形圖對于巴特沃斯低通濾波器的低截止頻率設置為3000Hz，由圖4-9和圖4-10對比，可以很明顯地看出在3000Hz以后的高頻成分幾乎被濾掉了。而且通過改變其階數可以發現，階數越高，濾波效果就越好。第5章 總結我設計的是基于labview的語音信號分析系統的設計，首先要了解LabView平臺、掌握LabView的編程技術，然后設計相應的語音信號采集系統，語音信號時頻分析，語音信號的濾波處理等模塊，用于對語音信號分析系統的分析和處理。真正開始的時候，才發現畢業設計比我想象中要難得多。我按部就班，從搜索有用資料開始，通過閱讀大量相關文獻和書籍，慢慢對語音信號的相關知識有了一定的了解，在此基礎上，我開始打開labview軟件進行模擬操作，嘗試做出結果。我向指導老師彭老師說了一下自己大概的思路，彭老師聽了之后也做了相關補充說明，然后我朝著自己的思路繼續摸索。我首先參考采集部分的文獻，調用了labview軟件庫中自帶的聲音采集函數，畫出了采集部分的程序框圖，并調用了利用電腦錄音機錄制了5秒的音頻。比較難的是語音分析模塊和濾波模塊，手中的文獻書籍遠遠不夠，于是在同學的建議下，我去labview論壇搜索看看有沒有我想要的知識，在論壇里，我才發現labview有如此強大的功能和廣泛的應用，更加激發了我學習labview的熱情和動力。Labview的軟件庫非常強大，省去了復雜的運算，可以直接調用所需要的控件，比如濾波器控件、FFT控件、功率譜控件等。經過反反復復的探索和嘗試，終于將頻譜分析模塊、功率譜波形模塊、濾波模塊完成。在波形圖出現的時候，心中才舒暢許多，但是由于理論掌握不夠到位，分析起來還是存在些許困難，于是我又繼續拾起理論知識，多番鉆研。在第一次交論文的時候，彭老師不辭辛勞，幫我們面批初稿，給每個人從內容到格式都十分詳細地進行了講解，因此我對整個論文和整個設計又有了一個全新的把握，并進行了第二次修改。在一次次的調試過程中發現前面的設計仍然存在很多問題，如沒有弄清錄音機采集和labview中聲卡采集函數采集之間的區別，采用了聲卡采集函數，卻一直以為是在對自己用錄音機采集的語音信號進行分析。經過和彭老師及同組同學的共同探討，終于理清思路，進行完善。但是本設計仍然存在不足之處，比如對于加噪模塊的設計依舊有待探討。彭老師在此基礎上進一步指出，對采用聲卡采集函數這種采集方法，如果可以，采集時設計開始采集和結束采集控制。在整個實驗過程中，我參考了很多方法，進行了很多次試驗，一次次失敗激勵著我不斷發現問題、解決問題，從而不斷更新了自己的知識庫，此過程雖然無數次壓抑、煩躁，但是解決問題后的愉悅也是無法代替的，在整個設計探究過程中，我受益匪淺。 參考文獻1 趙力.語音信號處理.M機械工業出版社. 2003.4:1461502 高西全，丁玉美.數字信號處理（第三版）M.西安：西安電子科技大學. 2008.08:33123 3 林遂芳.基于LabVIEW的語音分析平臺的實現J. 現代電子技術2005年第3期總第194期4 周鵬等.精通LabVIEW信號處理.M清華大學出版