林麗君， 吳巧玲

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

0 引 言

MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算和圖形繪制功能，在界面開發(fā)、數(shù)據(jù)輸入、網(wǎng)絡(luò)通信及硬件控制方面比較繁瑣，但在圖像信號(hào)處理領(lǐng)域具有卓越的優(yōu)勢(shì).LabVIEW作為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和儀器控制功能在現(xiàn)代測(cè)控領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，但在數(shù)值分析計(jì)算等方面效率低，由于功能簡單，不能滿足工程應(yīng)用的要求[1].本研究利用LabVIEW靈活的圖形編程和MATLAB數(shù)據(jù)處理功能[2]，在LabVIEW環(huán)境中用聲卡采集語音信號(hào)，采用MATLAB對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了編程效率和數(shù)據(jù)處理能力.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用在LabVIEW虛擬儀器環(huán)境中利用Windows自帶聲卡采集語音信號(hào)，使用LabVIEW這種圖形化編輯語言(G語言)搭建語音信號(hào)采集系統(tǒng).整體結(jié)構(gòu)方案[3]如圖1所示.

圖1語音采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)通過LabVIEW軟件搭建出采用計(jì)算機(jī)自帶的聲卡作為采集設(shè)備進(jìn)行語音信號(hào)采集的系統(tǒng)，錄制一段文字或其他語音信號(hào)，并顯示語音信號(hào)采集和播放的波形，使用MATLAB軟件對(duì)采集到的語音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、添加噪聲和消噪處理.

1.2 聲卡設(shè)置

PC聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，同時(shí)具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，成本低，兼容性好，性能穩(wěn)定.語音音頻范圍一般在3 400 Hz以內(nèi)，聲卡可測(cè)音頻范圍為20 Hz～20 kHz，滿足需求.在采集語音信號(hào)前，本研究確保已配置的錄音功能不處于靜音狀態(tài).

本設(shè)計(jì)使用帶麥克風(fēng)的耳機(jī)，通過耳機(jī)的麥克風(fēng)，錄入一段話，如“語音信號(hào)的分析與處理"，并使這段信號(hào)經(jīng)過聲卡放大轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過LabVIEW軟件搭建采集系統(tǒng)，利用聲音相關(guān)VI實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的采集、存儲(chǔ)及播放.

LabVIEW中的各類聲音VI如圖2～圖5所示.

圖2聲音相關(guān)VI庫

圖3聲音輸入VI庫

圖4聲音輸出VI庫

圖5聲音文件VI庫

1.3 LabVIEW編程

LabVIEW編程過程如下：

1)程序框圖編輯.新建聲音收集系統(tǒng)文件(*.vi)，在事件結(jié)構(gòu)中搭建錄音和播放程序.本研究使用采集系統(tǒng)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行錄音時(shí)，將采樣頻率設(shè)置為8 kHz，將采樣位數(shù)設(shè)置為16 bit，將采樣方式設(shè)置為為雙聲道，使波形穩(wěn)定且干擾較小.

2)采集程序編寫.首先添加一個(gè)while循環(huán)結(jié)構(gòu)，并在while結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建事件結(jié)構(gòu)程序，編輯事件結(jié)構(gòu)的一個(gè)分支處理事件為“錄音按鈕，值改變".在事件結(jié)構(gòu)程序中創(chuàng)建文件對(duì)話框VI，將文件類型設(shè)置為“wav".在while循環(huán)結(jié)構(gòu)外創(chuàng)建聲音輸入清零VI，并與讀取聲音輸入VI相連，最后創(chuàng)建關(guān)閉聲音文件VI，將聲音文件關(guān)閉.

3)播放程序編寫.添加一個(gè)事件分支，處理的事件為“播放按鈕，值改變"，然后在事件結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建聲音文件信息VI，創(chuàng)建路徑為輸入控件并在前面板選擇播放聲音的路徑，接著創(chuàng)建聲音輸出清零VI，并與聲音輸出等待VI連接，最后創(chuàng)建關(guān)閉聲音文件VI關(guān)閉聲音文件.

根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇聲音相關(guān)VI搭建的可視化程序如圖6和圖7所示，前面板經(jīng)過整理后如圖8所示.

圖6錄音程序

圖7播放程序

圖8前面板狀態(tài)

2 基于MATLAB的語音信號(hào)消噪分析

語音信號(hào)為一種包含各種有效信息的非平穩(wěn)時(shí)變信號(hào)，因?yàn)橹苯硬杉@得的語音信號(hào)包含較多噪聲，若不進(jìn)行消噪預(yù)處理，則會(huì)直接影響后續(xù)語音處理的準(zhǔn)確性[4-5].本研究利用最小均方自適應(yīng)濾波器[6-7]對(duì)LabVIEW采集的語音信號(hào)進(jìn)行消噪處理.

2.1 最小均方自適應(yīng)濾波器工作原理

最小均方濾波器是一種梯度搜索算法的簡單實(shí)現(xiàn)，用瞬時(shí)平方誤差的梯度代替均方誤差的梯度[8-9]，其自適應(yīng)算法可定義為，

(1)

式中，e(m)是自適應(yīng)濾波器輸出與期望信號(hào)之間的誤差信號(hào)，如式(2)所示.

e(m)=x(m)-wT(m)y(m)

(2)

平方誤差的順勢(shì)梯度還可表示為，

=-2y(m)[x(m)-wT(m)y(m)]

=-2y(m)e(m)

(3)

將式(3)代入式(1)中得到最小均方自適應(yīng)濾波器的自適應(yīng)方程為，

w(m+1)=w(m)+μ[y(m)e(m)]

(4)

從式(4)可以看出，該方程簡單，易于實(shí)現(xiàn).

2.2 仿真結(jié)果及分析

本研究的仿真條件為：自適應(yīng)濾波器階數(shù)為8，輸入信號(hào)是LabVIEW采集的一段語音“語音信號(hào)的分析與處理".選用的3種噪聲分別是周期噪聲、脈沖噪聲和寬帶噪聲[10-11]，具體為：周期噪聲采用的是正弦信號(hào)含周期性噪聲的語音信號(hào)，其經(jīng)最小均方濾波器消噪后的時(shí)域圖和頻域圖如圖9和圖10所示；脈沖噪聲選用的是行列數(shù)相同的零向量中特定的位置取為1而形成的一個(gè)脈沖信號(hào)，含脈沖噪聲的語音信號(hào)經(jīng)最小均方濾波器消噪后的時(shí)域圖和頻域圖如圖11和圖12所示；寬帶噪聲選用的是信號(hào)為(n*1)的高斯寬帶矩陣(0.1*wgn(n,1,1))，含寬帶噪聲的語音信號(hào)經(jīng)最小均方濾波器消噪后的時(shí)域圖和頻域圖如圖13和圖14所示.

圖9 最小均方濾波器去周期噪聲時(shí)域圖

圖10最小均方濾波器去周期噪聲頻域圖

圖11最小均方濾波器去脈沖噪聲時(shí)域圖

圖12最小均方濾波器去脈沖噪聲頻域圖

從圖9～圖14可以看出，周期噪聲對(duì)原始信號(hào)的干擾最大，基本淹沒了原始信號(hào)，而寬帶噪聲干擾最小，最小均方濾波器去除周期噪聲效果最好.

3 結(jié) 語

本研究利用LabVIEW平臺(tái)結(jié)合MATLAB數(shù)據(jù)處理功能，基于電腦自帶集成聲卡，應(yīng)用LabVIEW操作聲卡錄制一段語音， 采用最小均方自適應(yīng)濾波器對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域分析和頻域分析，且語音樣本采集操作簡單易學(xué)，能方便后續(xù)的功能擴(kuò)展.

圖13最小均方濾波器去寬帶噪聲時(shí)域圖

圖14最小均方濾波器去寬帶噪聲頻域圖