毕业设计（论文）-基于LABVIEW的声音信号采集处理系统.doc

学号业设计题 目：基于LABVIEW的声音信号采集处理系统作 者届 别2015学 院物理与电子学院专 业电子科学与技术指导老师职 称讲师完成时间2015.05毕业设计摘 要LABVIEW虚拟仪器结合了图形化编程方式的高性能与灵活性以及专为测试、测量与自动化控制应用设计的高端性能与配置功能。并且为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供必要的开发工具。本文采用了一款图形化的编程工具LABVIEW，结合笔记本电脑自带的声卡，设计了一个基于LABVIEW的语音信号采集处理系统。在该系统中，通过设置声卡函数、谱分析函数以及输入输出端口就可以得到信号的滤波、频谱和功率谱等参数，并对声卡采集到的波形信号进行实时显示，最后通过SineGen声音信号发生器对该系统进行实验测试。关键词：语音信号；声卡；信号分析；数据采集IAbstractLABVIEW virtual instrument is a combination of graphical programming method of high performance and flexibility, and specially designed for test, measurement and automation control application of high performance and the configuration function. And for the analysis of data acquisition, instrument control, measurement and data display a variety of applications such as provide the necessary development tools.This paper adopted a LABVIEW graphical programming tools, combined with the notebook computer with sound card, designed a speech signal collection and processing system based on LABVIEW. In the system, by setting the sound card function and spectrum analysis function and input/output port can be parameters such as signal filtering, spectrum and power spectrum, and the sound card to real-time display of waveform signal collected, finally through SineGen voice signal generator to test the system.Key words: speech signal; audio card; signal analysis; datacollection 目 录第一章 绪 论11.1声音信号采集处理系统的研究目的和意义11.2 声音信号采集处理系统的特点及应用11.3国内外对本课题的研究21.4本论文研究的主要内容2第二章 声音信号采集系统42.1 声音信号采集系统结构42.1.1声音信号采集系统总体框图42.1.2录音系统设计流程42.1.3声卡设置流程42.2 声卡的介绍52.2.1声卡的基本知识52.2.2声卡的工作原理62.3 LABVIEW的介绍62.3.1LABVIEW的概述62.3.2 LABVIEW的组成7第三章 基于LABVIEW的采集系统程序设计方案83.1 LABVIEW程序结构图83.2 LABVIEW提供的关于声卡操作的函数83.3 LABVIEW程序模块组成93.3.1编写波形显示93.3.2文件自动存储113.3.3文件手动存储113.3.4信号回放与分析12第四章 实验结果测试与分析134.1 声音信号采集系统134.2 声音信号采集系统仿真结果134.3 系统测试与分析14第五章 总结与展望17参考文献18致谢19III第一章 绪 论1.1声音信号采集处理系统的研究目的和意义 语音信号的处理是利用语音信号进行科学研究、工程应用的重要一环。而对语音信号用怎样的方式进行处理则是本课题研究的的关键所在。在LABVIEW编程软件的基础上，对语音信号进行采集、存储、分析。LABVIEW（Laboratory Virtual Instrument English Workbench）是由NI（National Instrument）公司研发的一种工业标准的图形化程序开发环境，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式（Data Flow Mode）。LABVIEW提供了与传统仪器（如万用表、示波器）在外观上类似的控件，便于简单快速的创建交互界面（用户界面在LABVIEW中被称为前面板）。使用连线和图标，通过图形化编程对用户界面上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。LABVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。LABVIEW大大简化了编程的复杂而繁琐的过程，被广大院校和各科研究机构实验室采用。 本系统采用虚拟仪器技术，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量的应用。通过灵活高效的软件创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能力能方便提供全方位的系统集成，与传统仪器相比具有性能高 、拓展性强、开发时间少和无缝集成等优点。并且在以虚拟的软件系统为平台的建设过程中，可以运用最普通计算机上的声卡对语音进行信号采集，不仅使方案的可行性变得简单易行，而且很大幅度地降低了方案实施的成本。1.2 声音信号采集处理系统的特点及应用本课题所研究的语音信号的采集和分析系统是在PC技术的基础上进行开发，因此完全继承了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能卓越的处理器和文件I/O，使用户在数据高速导入软盘的同时就能实时地进行复杂的信号分析。而而基于LABVIEW的信号采集和分析系统刚好是标准的数据采集和仪器控制软件，以其强大的数据采集，数据分析和仪器控制功能在测试、测量与自动化控制系统领域中应用广泛。LABVIEW虚拟软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，如数据采集、视觉、运动和分布式I/O等，用户只需将其和测量硬件进行连接，就可以方便的完成数据采集，数据存储等各种任务，从而可以方便快捷的创建一个交互式、用户自定义的系统控制界面，使语音信号的采集更加符合用户习惯。1.3国内外对本课题的研究1、 国外发展现状 LABVIEW在国外被广泛应用于各种行业，包括汽车、半导体、航空航天。交通运输、电信、生物医药等。无论在哪个行业，工程师与科学家们都可以使用LABVIEW创建功能强大的采集、测试、测量与自动控制系统。而作为一个重要研究方向的语音信号采集处理与分析领域，则经历了一段长时间的研究发展。然而语音信号的采集与分析处理的快速发展可以说是从1940年前后potter等人的可见语音和声码器开始的。到了20世纪60年代中期逐渐形成了一系列与数字信号处理相关的技术与方法，比如快速博里叶变换( FFT)，拉普拉斯变换，功率谱分析，数字滤波器等，都成为数字处理在语音信号方面的技术和理论基础。特别是随着计算机技术的飞速发展，虚拟仪器依靠其强大的处理能力被广泛应用于各个领域。2、国内发展现状计算机和仪器的密切结合是目前国内发展的一个重要方向。粗略的说，这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现了含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。目前我国一些加工工艺复杂，对制造水平要求较高的高档台式仪器如频谱分析仪、数字示波器、逻辑分析仪等还主要依靠国外的进口，并且这些仪器在生产突破上有困难。工业界、学术界和研究实验室正在不断将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，提供了传统台式仪器所不具备的功能，而且可以完全通过软件配置来实现集成各种功能的仪器设计。因此，目前研制一种操作方便、结构简单、对生产技术要求不高、费用低的仪器是非常有必要的。并且如何将先进的PC技术应用到仪器中以提高效率则成为测量、测控与自动化控制领域需要急需解决的问题。1.4本论文研究的主要内容本文首先对声卡数据采集进行总体设置;由于笔记本电脑自带声卡条件有限，所以本次设计采用单通道的数据采集方式。设计中主要掌握基于标准的图形化编程开发环境LABVIEW软件的使用;熟悉电脑声卡的使用，并进行各个虚拟示波器模块的设计;用图形化编程语言LABVIEW实现声卡的设置模块、采集模块、存储模块以及波形显示模块，其核心是数据采集程序的实现，最后对信号采集系统进行测试。本章设计安排如下：1、 介绍了从数据采集角度下对声卡的工作原理、设置的认识，如何在硬件和 软件下实现要求。2、 基于声卡数据采集的总体设计方案。主要介绍以下几个方面的内容:声卡与数据采集卡的选择，对软件开发环境和软件模块组成作出分析。3、 对LABVIEW图形化开发环境的介绍，包括LABVIEW的发展历程、简介和 LABVIEW的VI程序组成。4、通过Sine Gen软件模拟声音信号发生器信号进行系统测试实验。包括信号测试系统的组成和实验数据记录与分析 第二章 声音信号采集系统2.1 声音信号采集系统结构 2.1.1声音信号采集系统总体框图 如图2.1所示，这是最基本的信号采集流程图，通过传感器获取外界声音信号并转成相应的电信号，这些信号一般比较弱，并且常常伴有较强的噪声，需要经过调理电路的滤波和放大，声卡将这些信号进行采样，变成数字信号后送入计算机进行显示和存储，并且可以对存储的文件进行回放和频谱分析，同时还可以通过声卡对外输出。（对于前置的传感器和信号调理电路这里没有进行处理，采用的声卡就是普通PC上的声卡。）图2.1声音信号采集系统总体框图2.1.2录音系统设计流程（1）设置声卡的工作模式和参数，为声卡的正常工作做准备。（2）启动声卡采集输入的信号，并将其数字化，转换成计算机能处理的数据。（3）将声卡采集获得的新数据显示出来，并将它添加到原有信号的存在数组中。（4）停止声卡采集任务，释放占用的系统资源。并将采集的数据按指定格式进行保存。图2.2录音系统设计流程2.1.3声卡设置流程（1） 数据采集程序要实现的任务就是用软件控制声卡采集输入的信号，并 将其转换为数字信号（即我们常说的数据）提供给后续程序处理。它为后续程序提供了一个数据来源。（2）数据采集程序的流程如下图。图2.3数据采集程序流程2.2 声卡的介绍2.2.1声卡的基本知识声卡作为语音信号与计算机的连接接口，其主要功能就是语音信号经过DSP（数字信号处理）音效芯片的处理，进行模拟信号与数字信号的转换，因此，从其功能上来看，声卡可以最为数据采集卡来使用。LABVIEW提供了专门用于声卡操作的基本函数，所以用声卡搭建数据采集系统非常方便。如图2.4为声卡的硬件结构图。输入接口Line In和Mic In的区别在于后者可接入的信号比较弱，幅值为0.02V到0.2V，这个信号较易受干扰，常用Line In，它可接入幅值不超过1.5V的信号。这两个通道输入端口内部都有隔直电容，直流信号不能被接受。多数声卡在接入端把左右声道短接成一个通道，这种声卡单通道数据采集卡用。声卡一般为16位分辨率，声卡的采样率一般不能连续设置，只能是固定的几档。普通声卡的采样率一般都可以设置为8khz、11.025khz、22.05khz、44.1khz、48khz，一些高级的声卡还可以设置96khz、192khz甚至更高。声卡内部也是A/D和D/A，所以可以作为采集卡和信号发生器来使用4。只是声卡本身不提供参考电压，如果要测量信号的绝对值，则需要自行进行电压标定。图2.4声卡的硬件结构2.2.2声卡的工作原理将模拟声信号送到声卡前置处理及A/D转换后变成数字信号，然后输入到缓冲区，再通过各种数字信号处理的方法对输入缓冲区的波形数据进行各种处理，完成声音滤波、消噪、音效处理等功能，最后把处理好的波形数据把保存到存储设备中，这就是声音信号的录制过程。相应的声音信号回放过程为:把处理好的数据送到波形输出缓冲区，再经由声卡的D/A进行数字信号与模拟信号的转换，将数字音频转换为模拟信号，经过功率放大，送到喇叭。如果将工程中所需采集的信号仿照声音信号输入，即可实现对信号的采集和存储，如图2.5所示。图2.5声卡工作原理2.3 LABVIEW的介绍2.3.1LABVIEW的概述 LABVIEW是NI公司推出的一种图形化编程语言，其全称是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench。LABVIEW的源程序完全是图形化框图，没有文本代码。在 LABVIEW平台上编写的程序拓展名是VI。传统指令编程语言根据语句的含义和逻辑的先后顺序编译程序，但是 LABVIEW软件则采用数据流的方式编程。后面板程序框图中节点之间的数据流向决定程序的逻辑与执行顺序。指令及表示的含义由图标表示，数据流由连线表示。 LABVIEW将一些功能进行了模块化处理，大大简化了程序结构和操作的复杂性，使之被广泛应用于各种行业，包括汽车、半导体、航空航天、交通运输、电信、生物医药等。无论在那个行业，工程师与科学家们都可以使用 LABVIEW创建功能强大的测试、测量与自动化控制系统。2.3.2 LABVIEW的组成 LABVIEW有很强大的功能，带有子程序库的通用程序设计系统，还有可拓展的函数库。它提供了串行设备控制、VXI总线控制还有一些用于GPIB的设备控制，还有一些附带应用程序模块，比如存储和显示，以及数据分析等。其专用的函数库非常强大，也很适合一些模块，这些模块可以用于测量测试，还有一些动态链接库中的函数，不过这些函数一般由用户自定义。因此LABVIEW才足以成为一个强大的开放的平台。而且它还直接支持DDE（Dynamic Data Exchange 动态数据交换机制）、SQL（Structured Query Language 结构化查询语言）还有一些网络协议，比如TCP，UDP等。再者。LABVIEW还另外提供一些工具箱专门可以用于程序开发，一边在用户操作时，能方便地设置断点，动态执行程序，描述数据传输的过程形象而且直观，而且方便声卡进行工作，在一定的应用的范围内，数据的采集都能满足需求1。当我们采用笔记本便携式电脑时，那么就不用另外购买其他硬件设备就能够成为一套完整的测量系统，而且非常方便。现在声卡质量和性能也做的越来越来好，成本也变得低廉，因此，也是非常受用户欢迎的，在这种普及率越来越高的情况下，这样的测量方法非常适用于工程测量以及实验室试验测量，也值得推广。LABVIEW主要包括前面板、后面板、图标端口、数据连线和VI等。前面板是图形化用户界面，用于设置输入值和观察值，可以模拟真实的仪器前面板。前面板由控制、指示、装饰三部分组成。每一个前面板都有一个程序框图与之对应，程序框图又叫后面板，是编写程序代码的地方。程序框图由节点、端口、数据连线组成。节点与节点之间、节点与前面板对象之间都是通过端口和数据线连接来传递数据的。数据连线 是端口与端口之间数据传输的通道，它将数据从一个端口传送到另一个与之对应的端口中。数据连线中的数据是单身流动的，从源端口（输出端口）流向一个或多个目的端口（输入端口）。第三章 基于LABVIEW的采集系统程序设计方案3.1 LABVIEW程序结构图 先运行模块进行初始化，然后输入声音信号到声卡进行采集，将采集到的信号送到LABVIEW模块中通过图形化界面显示出来，最后对信号进行频谱分析显示出来，如上图3.1所示。图3.1 LABVIEW程序结构图3.2 LABVIEW提供的关于声卡操作的函数 LABVIEW提供了一系列使用Windows底层函数编写的与声卡有关的函数。它们位于“函数编程图形与声音声音”子面板中，如下图3.2所示。图3.2声卡操作函数声音操作函数子面板包括三大部分：声音输出操作函数、声音输入操作函数和声音文件操作函数。（1） 声音输出函数：声音输出函数如下图3.3所示，主要包括对声卡输出的一些控制，例如配置声音输出，将音频文件写入缓冲区，设置音量大小，启动/停止声音输出等。图3.3声音输出函数（2） 声音输入函数：声音输入函数如下图3.4所示，主要包括对声卡输出的一些控制，例如配置声音输入，读取缓冲区中的音频数据，启动/停止声音输出。图3.4声音输入函数（3）声音文件操作函数：声音文件操作函数如下图3.5所示，主要包括对声音文件的操作，例如从文件读取声音，将声音文件写入文件等。图3.5声音文件操作函3.3LABVIEW程序模块组成3.3.1编写波形显示子VI 子VI的调用可以使整个程序框图看上去更加简洁。在这里，把波形显示封装成一个子VI，能实现通道选择、滤波、频谱分析与波形显示等功能，波形显示前面板如下图3.6所示。图3.6波形显示前面板 前面已经讲到，声卡有左右两个通道，他可以作为一种双通道数据采集卡使用，但这些数据在进入到电脑之后是以波形数组的形式出现的，两个通道混合在一起，通过分离用“函数-Express-信号操作”中的“Split Signals.vi”实现。经过“拆分信号”以后，左右通道的信号已经分离，对每个通道的数据处理用“条件结构”实现2。 “读取声音输入”VI的输出数据是一个波形数据。这些数据包括t0、dt和Y，其中t0表示数据采集的当前时间，dt表示采样周期，即1/f，Y就是采集到的数据。对它进行某些处理（比如滤波）的时候要先进行类型转换，用“函数-Express-信号操作”中的“从动态数据转换”VI即可实现3。第一次把它放置到后面板上时，或者双击都可以打开它的配置对话框。这里选择“以为标题数组-单通道”或者“单一波形”都可以。 谱分析的实现比较容易，LABVIEW已经封装好了这些函数，我们只要对它进行相应的设置即可。进行谱分析是时候，有时候需要调整数据点数，可以通过“函数-编程-数组”中的“拆分一维数组”VI实现。在这里用“函数-信号处理-波形测量”中的“FFT功率谱密度”实现信号的功率谱分析，用“FFT频谱（幅度-相位）”VI实现对幅度-相位谱的分析，可以对处理结果的显示方式等进行设置。另外，对谱分析之前要用“函数-编程-波形”中的“创建波形”VI对数据进行重组，把它还原成一个波形数据。 “函数-信号处理-滤波器”中提供了许多常用的滤波器，这些VI使用非常简单。这里选择“Butterworth滤波器”，可以进行低通、高通、带通等方式滤波。要注意的是它的fs端口要连接数据的采样率，否则没有波形输出，另外在进行波形显示的时候，如果不对它进行波形重组，那么显示的横轴是数据点数。为了使显示比较符合我们的习惯，对滤波后的数据进行了波形重组，这样它显示的横轴是时间。另外，因为后面涉及对双通道数据的处理，在显示的时候为了能在一个波形图中显示出来，需要用“创建数组”VI将两路波型数据组合在一起。这样就会出现一个问题：在对单通道的数据进行处理的时候只有一路波形数据。为了使数组类型匹配，在单通道显示的时候，将另一通道数据用一个空数组来代替。 至此，整个波形显示子VI的功能已经全部实现，程序框图如图3.7所示。图3.7波形显示程序框图3.3.2文件自动存储 声卡对数据采集主要通过“配置声音输入”、“读取声音文件”、“声音输入清零”三个VI实现。声音文件的存储主要通过“写入并打开声音文件”、“写入声音文件”、“关闭声音文件”三个子VI实现。 利用声卡进行数据采集之前，要先对声卡进行配置，这里的配置主要包括以下几点（1） 设备ID号（0）（2） 每通道采样点数、采样率、通道数、每采样比特数（16） 进行连续采集的时候如果参数没有变，则不需要每次都对声卡进行配置，只要循环读取缓存中的数据即可。在进行数据存储之前要先打开一个声音文件，而写入完成之后则要将它关闭。 如果一段数据太长，会对后置处理造成麻烦，经常会因为计算机内存不够而不能完整的读出存储的数据。解决这个问题的方法就是对数据进行分割。那么针对这个问题我们可以在存储的时候把文件分割成一定长度的数据段，便于后置处理，即这里所说的文件自动存储9。对于自动存储，它的目标是实现指定文件长度，指定文件数目的数据采集与存储，用For循环实现5。整个程序代码如下图3.8所示，内层的For循环实现对单个文件长度的控制，循环次数=采集时间采样率每通道采样点数+1，表示取整。要注意的是这里只是近似文件长度，并不是十分精确的，比如设置文件长度为5s，实际采到的信号长度可能是5s多一点6。在进行自动存储之前要先指定文件存放的路径、要保存的文件数目、每个文件的长度。主意，文件名不要加后缀，由程序自动添加序号和后缀。图3.8文件自动存储程序框图3.3.3文件手动存储 文件手动存储需要经过用户的操作才能进行一段文件的存储，它的存储长度需要用户控制。程序的编写与自动存储类似，将如上图的外层循环去掉，内层循环改成While循环，对声卡参数的配置方式和波形显示方式不变7，程序框图如下图所示。在使用过程中，要先指定文件的存放路径（注意这里的文件名称要加后缀，后缀为.）。程序一开始运行时，“保存”按钮会闪烁。图3.9文件手动存储程序框图3.3.4信号回放与分析信号回放与分析部分的功能就是将采集到的信号进行再现和分析，当然，也可以通过这个程序将信号通过声卡发射出去。读取声音文件用到的函数主要有：“声音文件信息”、“读取并打开声音文件”、“读取声音文件”、“关闭声音文件”。播放声音文件用到的函数主要有：“配置声音输出”、“设置声音输出音量”、“写入声音输出”、“声音输出等待”、“声音输出清零”。用While循环不断读取缓冲区中的数据实现连续输出，滤波、谱分析等功能通过调用“波形显示”子VI实现，程序框图如下图所示。图3.10信号回放与分析程序框图第四章 实验结果测试与分析4.1声音信号采集系统 将块程序代码组合在一起，在一个程序上实现多个功能，这些功能又互不干扰，最简单的方式就是利用“条件结构”或者“事件结构”8。在本论文中，各个模块功能用时间结构实现，在信号回放与分析模块中滤波、 幅度谱与相位谱、功率谱等功能通过条件结构实现。基于LABVIEW的声音采集系统框图如下图4.1所示。图4.1基于LABVIEW的声音采集系统框图4.2声音信号采集系统仿真结果 将采集到的声音信号进行滤波，采用带通滤波，低截止频率300Hz，高截止频率3400Hz（声音频率300-3400Hz)，其余频率成分被滤除，可以看出滤波效果非常好，结果如下图4.2所示。 图4.2滤波前后波形由于在信号输入时不免引入噪声信号，所以从结果可以看出该信号包含各个频率的分量，但主要集中在0到5000Hz之间（人声音范围之内），符合测试结果，采集到的波形如图4.3所示图4.3信号的幅度谱/相位谱4.3系统测试与分析 为了验证本实验的数据采集效果，用Sine Gen软件模拟不同频率声音信号进行实验比较。SineGen软件界面如图4.4所示图4.4 Sine Gen软件界面下图所列举的只是部分实验数据，从实验的情况来看有一些值得讨论的问题。而信号频率较高或较低时，采集到的信号波形和滤波后的波形不一致。产生这样的实验结果是由于实验采用了带通滤波器，其带通为300-3400HZ（人的声音频率范围为300-3400Hz之间），只有信号频率在这个范围内采集到的波形才不会被滤波器虑除掉。超出这个范围，经过滤波器滤波后的波形会出现不同程度的衰减。从功率谱可以看到随着谐波等级升高，能量逐渐递减。由于受到硬件的限制，实验结果与理论有些误差。（1）输入100Hz正玄信号时，频率不在带通范围内（300-3400Hz），所以滤波前后波形不同，波形会受到衰减。采集到的波形如图4.5所示图4.5信号频率为100Hz时的波形（2） 输入1250Hz正玄信号时，信号频率在带宽范围内（300HZ-3400Hz），所以没有被衰减，采集到的波形如图4.6所示。图4.6信号频率为1250Hz时的波形（3）输入8000Hz正玄信号时，信号频率超出带宽范围，信号被衰减，采集到的波形如图4.9所示。图4.7信号频率为8000Hz时的波形第五章 总结与展望本设计给出了利用LABVIEW和电脑声卡构建声音采集处理采集系统的方法，采用计算机技术、数字信号处理技术和LABVIEW多线程技术，实现了对音频信号实时采集与处理，为低成本下构建数据采集系统提供了一种思路。实践证明，整个系统性价比高，通用性强，界面友好，数据存储方便。在PC上配置多块声卡并行工作，满足特定应用范围内数据采集的需要。如果采用笔记本电脑则无需添加任何硬件就可以构成便携式测量系统。 在声卡性能越来越好、成本越来越低、普及率越来越高的情况下，这种方法值得在工程测量应用及相关实验室中进一步推广和扩充。例如，对环境噪声进行实时监测，采集语音信号并进行分析和处理来实现语音识别，还可以实现示波器、信号发生器及万用表等设备在音频范围内的基本功能，其应用前景较为广阔。 通过本次研究，对信号的采样原理和频谱分析以及LABVIEW虚拟仪器的使用都有了进一步的了解。但由于知识面和时间的限制，本论文还存在许多需要改进的地方。如：该系统只适用于中低带宽的信号，信号的频谱等优化问题还有待加强。参考文献1郑对元.精通LABVIEW虚拟仪器程序设计M.北京:清华大学出版社,2012.2章佳荣,王璨,赵国宇.精通LABVIEW虚拟仪器程序设计与案例实现M.北京:人民 邮电出版社,2013. 3张兰勇.LABV