基于聲卡的虛擬音頻分析處理系統(tǒng)

周建芳， 陳 新

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州350002）

0 引言

計算機聲卡是一種常用的數(shù)據(jù)采集卡。所謂“虛擬儀器”就是借助于計算機的軟硬件平臺，并配以少量輔助設(shè)備(或器件)，構(gòu)成功能適合用戶要求的儀器。系統(tǒng)操作直觀、方便、靈活，如同在真實儀器上的一樣[1]。實驗室虛擬儀器工程平臺 (LabVIEW，Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一個圖形化編程系統(tǒng)，集開發(fā)、調(diào)試、運行于一體，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、測試等領(lǐng)域[2]?；诼暱ǖ囊纛l信號分析處理系統(tǒng)，是在LabVIEW環(huán)境下利用聲卡采集信號并對信號進(jìn)行分析與處理。系統(tǒng)價格低、實用性好，在實驗室應(yīng)用與工程測量中具有廣闊的前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

聲卡適合于采集頻率在20～20 000 Hz范圍內(nèi)的音頻信號。LabVIEW提供了豐富的函數(shù)庫和子例程，還有專用的代碼庫，開發(fā)的虛擬儀器系統(tǒng)靈活性高，功能強大?；诼暱ǖ奶摂M音頻信號分析處理系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到以下目標(biāo)：被測音頻信號由話筒采集，聲卡實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換，經(jīng)LabVIEW開發(fā)的虛擬儀器進(jìn)行時域分析、頻域分析和嘯叫抑制處理。且在系統(tǒng)中增加了錄音與回放部分，可以直接調(diào)用做比對分析。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框

2 軟、硬件開發(fā)技術(shù)

2.1 LabVIEW簡介

LabVIEW是一個基于G語言(Graphics Language)的測試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺。LabVIEW將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在同一個環(huán)境中，用戶通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)創(chuàng)建虛擬儀器。

LabVIEW平臺開發(fā)的虛擬儀器軟件包括兩個方面：前面板和程序框圖。前面板是模仿真實儀器的面板，用于設(shè)置輸入和顯示輸出。前面板中放置的控件在程序框圖中都有相應(yīng)的對象。程序框圖用 G語言編寫。程序由端口、圖框、節(jié)點與連線構(gòu)成[2]。

2.2 計算機聲卡

作為語音信號與計算機的通用接口，聲卡的基本工作流程如圖2所示。

圖2 聲卡的基本工作流程

聲卡具有16 位以上的量化精度，且價格低廉、兼容性好等優(yōu)點，其主要技術(shù)參數(shù)包括：采樣頻率、采樣位數(shù)和緩沖區(qū)大小[3]。設(shè)置緩沖區(qū)，可以有效地保證聲卡與CPU的協(xié)調(diào)工作，一般使用的默認(rèn)值是8KB(8192字節(jié))。

在LabVIEW環(huán)境中有專門的聲音子選板，集中在Sound VI下，有3大模塊Sound Input、Sound Output和文件。聲卡的參數(shù)設(shè)置由Sound Input模塊中的SI CONFIG函數(shù)完成，提供與聲卡相關(guān)的函數(shù)，這些函數(shù)節(jié)點直接與聲卡驅(qū)動聯(lián)系，能夠快速對聲卡進(jìn)行訪問和操作，執(zhí)行性能高[4]。

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)VI結(jié)構(gòu)化的特征，系統(tǒng)采用友好的圖形界面與用戶進(jìn)行交互。系統(tǒng)的功能模塊包括：音頻采集與存儲、時域分析、頻域分析、嘯叫抑制和錄音與回放。以下對各功能模塊進(jìn)行簡要說明[5]。

3.1 音頻采集與存儲

利用LabVIEW中相關(guān)的函數(shù)節(jié)點，可以實現(xiàn)對音頻信號的采集與存儲。根據(jù)設(shè)置的聲音格式參數(shù)從聲卡獲得數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)及其特性以波形圖呈現(xiàn)于用戶面前，且采集結(jié)束后，可以播放采集到的.wav文件。

音頻信號采集過程分為初始化配置聲卡、采樣、釋放聲卡。由LabVIEW提供的SI CONFIG函數(shù)、SI START函數(shù)、SI READ函數(shù)、SI STOP函數(shù)和SI CLEAR函數(shù)完成。程序運行前先對設(shè)備ID、每通道采樣數(shù)、采樣模式、聲音格式參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。聲卡可設(shè)置為單/雙通道，則運行音頻采集與存儲程序?qū)崿F(xiàn)單/雙通道的音頻采集；而無信號輸入時采集的是系統(tǒng)噪聲。數(shù)據(jù)存儲功能是通過 Sound File Write．vi(寫入波形至文件)實現(xiàn)，在前面板要設(shè)置信號存儲路徑，一般為采集的音頻波形文件命名時默認(rèn)擴展名是.wav[6]。

3.2 時域分析

音頻時域分析.vi可直接調(diào)用音頻采集和存儲.vi所采集的信號文件或其他待測的音頻文件，測量其時域參數(shù)并顯示相應(yīng)的波形圖。LabVIEW提供了大量的信號時域分析函數(shù)，如平滑濾波、加窗函數(shù)等。由于話筒采集的音頻信號中含有周圍環(huán)境的噪聲，因此需要對采集的數(shù)據(jù)作濾波處理。程序中選用帶通濾波器函數(shù)，高、低截止頻率可根據(jù)被測對象固有頻率的大小合理選擇。通過時域分析，可測得幅度周期平均值、峰峰值（波峰/ 波谷檢測）、信號的平均頻率、均方值、方差等參數(shù)。還可以利用LabVIEW強大的信號處理功能，對信號進(jìn)行時域內(nèi)其他分析。

3.3 頻域分析

對信號進(jìn)行時域分析有時不能反映信號的全部特征，因此要對信號進(jìn)行頻域分析，LabVIEW提供了豐富的信號頻域分析節(jié)點。通過Sound Input Read讀取輸入的聲音波形，將波形輸入到FFT Spectrum. vi模塊、FFT Power Specstrum. vi模塊和其他頻譜測量模塊，一般測量頻譜需要對輸入信號做加窗處理，常選擇Hanning窗。通過頻域分析模塊后分別輸出未加窗的幅頻譜和相頻譜、分析后的功率譜波形、加窗后的幅頻譜。另外為了便于觀察，還輸出處理前的時域波形[5]。圖3為一被測音頻信號的頻域分析圖。

圖3 音頻頻域分析

3.4 嘯叫抑制

話筒拾音的音響系統(tǒng)，都有反饋嘯叫的可能。實際測試對講系統(tǒng)的雙向通話時，嵌入式硬件終端的話筒與喇叭距離太近，喇叭輸出的聲音直接被話筒拾音而產(chǎn)生嘯叫。話筒嘯叫的危害很大，直接影響聽者的情緒。嘯叫時輸出的聲壓很大，破壞效果，影響語音質(zhì)量。

聲反饋嘯叫實際上是一個或多個音頻頻率點在聲學(xué)路徑上形成了正反饋，導(dǎo)致一個或多個音頻頻率點被過分放大后通過揚聲器送出“刺耳”的周期頻率聲音。即原理是音頻系統(tǒng)存在正反饋形成的振蕩。嘯叫產(chǎn)生模型是：傳聲器拾音——前置放大——功率放大——揚聲器——聲學(xué)直達(dá)或反射路徑——傳聲器拾音。目前在擴聲系統(tǒng)中對嘯叫的抑制方法有很多，如移相法、移頻法、均衡法等。雖然抑制嘯叫手段有所不同, 但都是為了破壞聲音信號正反饋而形成振蕩。移頻方式抑制嘯叫的能力比較顯著。移頻就是移動頻率，將音頻信號的頻譜整體搬移幾個赫茲，從而破壞構(gòu)成聲反饋的條件，減小嘯叫發(fā)生的可能性，從而顯著提高擴聲系統(tǒng)增益[7]。它適用于各種類型的擴聲系統(tǒng)中，具有極大的實用價值。

LabVIEW環(huán)境下信號移頻處理過程如下：輸入信號——窗函數(shù)選擇——FFT——截取雙邊譜——單邊譜移位——重構(gòu)雙邊譜——IFFT——輸出信號[8]。程序中多次調(diào)用數(shù)組選板提供的數(shù)組函數(shù)[9]。如圖4所示。

圖4 信號移頻處理邏輯框

圖5 嘯叫抑制部分程序框

硬件終端采集語音時，必須采集到一幀或多幀后才能實現(xiàn)編碼、打包及解碼。因此在嘯叫抑制模塊中先對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了信號分幀處理（每幀長320個字節(jié)）再移頻。其中將信號移頻處理功能部分的程序單獨編制成為一個子VI，在需要時直接調(diào)用，簡化程序框圖，如圖5所示。

3.5 錄音與回放

錄音與回放模塊設(shè)置聲卡參數(shù)后運行程序可實現(xiàn)音頻的錄入，以及設(shè)置錄制聲音的文件名保存路徑，并開發(fā)有對于保存的數(shù)據(jù)文件讀取程序，實現(xiàn).wav格式文件的回放。回放移頻處理后的文件，抑制嘯叫效果明顯。該程序也可增添其它功能。

4 結(jié)語

以計算機聲卡對音頻信號進(jìn)行采集分析處理，借助LabVIEW軟件平臺，設(shè)計開發(fā)的音頻信號分析處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對音頻信號的采集、時域分析、頻域分析以及嘯叫抑制處理等功能。實驗測試中，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，操作方便，分析處理結(jié)果較理想。而且，系統(tǒng)充分利用LabVIEW數(shù)據(jù)分析處理能力強、界面友好等優(yōu)點，降低開發(fā)成本，方便實用，具有一定的參考和工程應(yīng)用價值[10]。

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