基于LabVIEW開發(fā)平臺(tái)的聲音能量設(shè)計(jì)

LabVIEW開發(fā)平臺(tái)

LabVIEW是目前唯一的編譯型圖形化編程語言，使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，用圖標(biāo)表示功能模塊，用圖標(biāo)之間的連線來表示各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞。同時(shí)，LabVIEW繼承了高級(jí)編程語言的結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的優(yōu)點(diǎn)，支持模塊化與層次化設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了程序的可讀性，其界面非常直觀形象。

虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)作為儀器的硬件支撐，充分利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、存儲(chǔ)、調(diào)用、顯示及文件管理等功能，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來融為一體，這樣便構(gòu)成了一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)儀器相同，同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)資源的儀器系統(tǒng)。傳統(tǒng)儀器通常由信號(hào)采集、信號(hào)分析、信號(hào)輸出三部分組成；虛擬儀器同樣可以劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結(jié)果三大功能模塊。

虛擬儀器的系統(tǒng)組成

虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件組成的。從構(gòu)成方式，則有以數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)和信號(hào)調(diào)理電路組成的PC-DAQ測(cè)試系統(tǒng)；以GPIB、VXI、串行總線和現(xiàn)場總線等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件方式組成的GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、串行總線系統(tǒng)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)等。目前通常采用的方法是在計(jì)算機(jī)上插入數(shù)據(jù)采集卡，用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件進(jìn)行信號(hào)分析處理等。這也正是本文設(shè)計(jì)的核心。我們采用PCI總線技術(shù)開發(fā)了虛擬儀器系統(tǒng)硬件平臺(tái)，其基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡包括信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集兩部分，數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件可以構(gòu)造各種虛擬儀器。圖1為虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成框圖。

圖1  虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成框圖

語音信號(hào)的時(shí)域處理方法

數(shù)字語音處理的方法常常分為時(shí)域方法、頻域方法、同態(tài)方法、線性預(yù)測(cè)編碼方法以及其他各種方法等。時(shí)域方法涉及到語音信號(hào)的波形，利用時(shí)域方法來分析的語音信號(hào)特征參數(shù)包括語音的短時(shí)平均幅度和能量，短時(shí)平均過零率，短時(shí)自相關(guān)函數(shù)以及短時(shí)平均幅度差函數(shù)等。利用這些特征參數(shù)可以分析或處理語音，如清濁音分類，基音周期檢測(cè)等。限于篇幅，這里只對(duì)短時(shí)能量和短時(shí)平均幅度進(jìn)行分析。語音信號(hào)的時(shí)域分析就是分析和提取語音信號(hào)的時(shí)域參數(shù)，其特點(diǎn)如下。

⑴表示語音信號(hào)較直觀、物理意義明確；

⑵實(shí)現(xiàn)較簡單、運(yùn)算量少；

⑶可以得到語音的重要參數(shù)；

⑷使用示波器等通用設(shè)備可看到變化，使用方便。

考慮到上述優(yōu)點(diǎn)，本文就語音信號(hào)的時(shí)域處理方法進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

● 短時(shí)能量分析

語音信號(hào)是一種隨時(shí)間而變化的信號(hào)，是濁音激勵(lì)還是清音激勵(lì)，濁音的基音周期以及信號(hào)幅度等都隨時(shí)間而變化，此變化又是緩慢的，可以認(rèn)為在一小段時(shí)間里，例如10～20ms內(nèi)語音信號(hào)近似不變。于是，可以把語音信號(hào)分成一些短段(或稱為分析幀)來進(jìn)行處理。這些短段具有固定的特性，短段間經(jīng)常有一定的重疊組成一段語音。這種方法稱為“短時(shí)”處理方法。這種短時(shí)處理方法可以用式1來表示。

         (1)

式中T[]表示對(duì)話音進(jìn)行變換，此變換不一定是線性的，也可以是非線性的。把變換后的序列乘以窗函數(shù)。這個(gè)窗序列位于與抽樣標(biāo)志n相一致的時(shí)間，窗函數(shù)的寬度是有限的，然后對(duì)乘積的所有非零值求和所得到的Qn，就是在n這個(gè)時(shí)刻的T[x(k)]的部分加權(quán)平均值。短時(shí)能量通常定義為：

         (2)

這個(gè)表示式還可以表示成：

          (3)

圖2為相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型原理圖。

圖2  短時(shí)能量分析數(shù)學(xué)模型

綜上所述，語音的短時(shí)能量表示取決于h(n)的選擇或w(n)的選擇，通常使用兩種窗，其中一種為矩形窗，其窗函數(shù)如式4所示。

       (4)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，En值明顯小于濁音段的能量。因此，根據(jù)短時(shí)能量函數(shù)可以大致區(qū)分濁音和清音。在高En信噪比的情況下，利用短時(shí)能量函數(shù)也可以區(qū)分有聲和無聲。

● 短時(shí)平均幅度

由上式定義的短時(shí)能量函數(shù)由于需要計(jì)算，因此對(duì)于高電平信號(hào)，其值經(jīng)過平方后則更大，而對(duì)于低電平信號(hào)其值為小于1的值，經(jīng)過平方后則更小。以致短時(shí)能量E(n)對(duì)于信號(hào)電平值過于敏感。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，定義了一種短時(shí)平均幅度函數(shù)，見式5。平均能量的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖3  平均能量分析數(shù)學(xué)模型

          (5)

式中用信號(hào)的絕對(duì)值代替信號(hào)的平方值。Mn能較好地反映Mn清音范圍內(nèi)的幅度變化。在這一方面，Mn要比En好，Mn所能反映幅度變化的動(dòng)態(tài)范圍也要比En好。所反映清音語音和濁音語音之間的電平差不如En那樣明顯。

短時(shí)能量與短時(shí)平均幅度的主要用途如下。

(1)可以從語音中區(qū)分出濁音來，因?yàn)闈嵋舻哪芰恳惹逡舸蟮亩啵?BR>(2)可以用來區(qū)分聲母與韻母的分界、無聲與有聲的分界、連字的分界等；
(3)作為一種語音段信息，用于語音識(shí)別。

LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為信號(hào)采集流程和處理處理流程。硬件的波形信號(hào)采集流程如圖4所示，采集后對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理的流程如圖5所示，即進(jìn)行平均能量和短時(shí)能量分析。

圖4  波形采集流程

圖5  聲音能量分析流程圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，通過單線耳塞(耳塞一端要把線露出來，把信號(hào)接入)將電腦上正在播放的音樂作為輸入信號(hào)，接入PCI-6025E數(shù)據(jù)采集卡中，設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡通道為0，選擇采樣點(diǎn)為50，采樣率為8000，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。選擇電腦中隨機(jī)播放的音樂作為數(shù)據(jù)輸入，而沒有直接用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生理想的正弦波波形，是因?yàn)槔硐氲恼也ㄊ侵芷谝?guī)律性變化的，對(duì)于短時(shí)平均能量或者短時(shí)平均幅度，其效果并不會(huì)那么明顯，從而更容易對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由圖6可見，原始聲音波形為-0.02～0.02之間，在0～100s的時(shí)間內(nèi)，平均幅度比短時(shí)能量的坡度更大、更高，它們集中在0～0.3之間，比原始聲音波形的幅度要大，而短時(shí)能量的最高點(diǎn)也是不到0.005的幅度，100s之后，短時(shí)能量和平均幅度的趨勢(shì)基本相同，趨于0。

圖6  實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)和曲線

結(jié)束語

本文用LabVIEW對(duì)聲音進(jìn)行短時(shí)能量和平均幅度分析。可以用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集，將信號(hào)做為一種語音段信息，對(duì)語音進(jìn)行識(shí)別，并可以從語音中區(qū)分出濁音來，還可以用來區(qū)分聲母與韻母的分界、無聲與有聲的分界、連字的分界等。用LabVIEW來對(duì)聲音進(jìn)行處理，比C語言的編程更加簡單，且其界面美觀，處理結(jié)果也可以直接在前面板中進(jìn)行描述。