基于labview的语音信号采集系统

1、电气与自动化工程学院LabVIEW编程实训评分表课程名称：LabVIEW编程实训题目：基于labview的语音信号采集系统设计班级：1601131自动化学号:160113113姓名：刘德旺标指价评涵内值分平时表现度态习011,严、作合团0完与能力水平0自案方计设,案析方分的行适进合题择问选量况则晴谕际测实际合实结寸匕匕X厶冃律并专方学计所设申F匕匕计厶冃水际力计实才设与的怎求因需等足境满环如攸;文件安完健案、方会的社出虑提考据能艮1流交力述能陈中予计给设题及问计的设出件提软所、行计同设或件帀硬剖陈虑回晰考确清所正报告撰写量图视整i雜#i帀O3DO0容工告结又扌夕晰，清论达理。表础养一一口基素语

2、业业?Tp*Tp*rm1-理足的合立定构容一结内出分总指导老师：年月日常熟理工学院电气与自动化工程学院LabVIEW编程实训技术报告题目：基于LabVIEW的语音信号采集系统设计名：学号：班级：自动化131指导教师：起止日期：2016年6月20日一7月8日LabVIEW编程实训答辩记录自动化专业1601131班级答辩人说明：主要记录答辩时所提的问题及答辩人对所提问题的回答目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 1任务书1 HYPERLINK l bookmark18 2基于LABVIEW的数据采集系统概述3 HYPERLINK l bookmark20 2.

3、1虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别32.1.1LabVIEW虚拟仪器简介32.1.2LabVIEW虚拟仪器特点32.2LabVIEW图形化程序的组成与特点42.2.1前面版42.2.2程序框图42.2.3图标和连接器5 HYPERLINK l bookmark22 3语音信号采集总体设计方案与硬件配置6 HYPERLINK l bookmark24 3.1语音信号采集系统的功能分析6 HYPERLINK l bookmark26 3.2语音信号采集系统的总体构成6 HYPERLINK l bookmark28 3.3语音信号采集系统的硬件配置6 HYPERLINK l bookmark30

4、4语音信号采集系统的软件设计与功能实现11 HYPERLINK l bookmark34 4.1语音信号采集系统的软件前面板设计114.1.1语音信号采样信息界面114.1.2语音采集控制按钮界面114.1.3时域波形和频域波形显示界面11 HYPERLINK l bookmark36 4.2语音信号采集系统的软件程序框图设计12 HYPERLINK l bookmark38 5语音信号采集系统的运行与分析18 HYPERLINK l bookmark46 6收获与体会21参考文献23LabVIEW编程实训报告LabVIEW编程实训报告 1任务书题目：基于LabVIEW的语音信号采集系统设计1

5、、LabVIEW编程实训任务本课题所要求设计的基于虚拟仪器技术的语音采集系统硬件由MIC、喇叭和放大电路组成，其工作原理为MIC采集音乐信号，经过放大电路的放大，送入数据采集平台的模拟输入通道，然后利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW来开发系统软件，以实现对语音信号的采集、分析、处理与报表生成等。语音信号由计算机进行分析和处理，在程序中通过设置采样点和采样率，对数据进行时域和频域的分析、处理，可以观察音频的分布和语音信号的特点。具体指标与要求如下：（1）、理解语音信号的特点，认识语音信号处理的一些基本方法。要求对语音采集信号调理电路进行设计，说明其工作原理。（2）、要求采用状态机的软件设计结

6、构来设计语音采集系统软件。系统软件具有“系统初始化”、“系统等待”、“数据采集”、“报表生成”“打开报表”、“退出”等功能。2、LabVIEW编程实训目的通过本次编程实训使学生具备：1）了解现代仪器科学与技术的发展前沿；2）学习和掌握虚拟仪器系统组成和工作原理；3）掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧；4）培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；5）针对自动化工程测试问题，能够给出或形成设计方案；提高学生的沟通合作能力和技术报告撰写；6）培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；7）培养学生的创新能力和运用知识的能力。3、LabVIEW编程实训要求3.1、了解和掌握整个虚拟仪器

7、平台的系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景；3.2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据各种独立测量仪器的功能和工作原理，确定语音采集系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板；3.3、利用虚拟仪器LabVIEW软件，编写与调试虚拟仪器的图形化程序；3.4、撰写完整的编程实训报告。4、LabVIEW编程实训内容1、语音采集系统前面板设计；2、语音采集系统框图程序设计。5、LabVIEW编程实训报告要求报告中提供如下内容：5.1、目录5.2、正文LabVIEW编程实训任务书；总体设计方案(包括虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别，虚拟仪器LabVIEW图形化程序的组成和特点，虚拟计算器的设计思

8、路及总体结构图等)；硬件选型、硬件I/O分配或信号设计电路设计；简述所设计的电路工作原理及所实现的功能，针对前面板要有操作使用说明，以便他人能够正确使用所设计的计算器；程序流程图、框图程序的设计及功能实现方法等；调试、运行及其结果；要求有源程序和运行结果等。5.3、收获、体会5.4、参考文献6、LabVIEW编程实训进度安排本课程设计共需2周时间，其具体安排见下表:周次工作日工作内容第周1布置编程实训任务，查找相关资料2依据实验室现有的条件完成米集卡的选择，并了解其使用方法；或对课题相关的信息的收集3元成总体设计方案4软件设计5软件设计第周1软件设计2软件设计3软件设计并准备编程实训报告4完成

9、报告并于下午两点之前上交5答辩7、LabVIEW编程实训考核办法编程实训满分为100分，由平时表现、能力水平、报告撰写三部分组成。平时表现20%，能力水平50%，报告撰写30%。平时表现由学习态度和团队合作两项组成占20%，能力水平由查阅文献、设计方案、设计水平与实际能力、陈述交流能力四块组成，其中查阅文献、设计方案占20%和设计水平与实际能力、陈述交流能力占30%，技术报告占30%。2基于LABVIEW的数据釆集系统概述虚拟仪器概念与传统仪器概念主要区别2.1.1LabVIEW虚拟仪器简介LabVIEW是由美国NI公司开发的、优秀的图形化编程开发平台，是LaboratoryVirtualIn

10、strumentEngineeringWorkbench的简称，即实验室虚拟仪器工程平台，是目前应用范围最广、功能最为强大的虚拟仪器开发平台。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念。因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器

11、编程和数据釆集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率2.1.2LabVIEW虚拟仪器特点与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体表现为：（1）智能化程度高，处理能力强虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。（2）复用性强，系统费用低应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字釆样器，可设计出数字示波器、逻辑分

12、析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。（3）可操作性强，易用灵活虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。虚拟仪器较之于传统仪器,有显而易见的优势。表2.1虚拟仪器与传统仪器的对比表虚拟仪器传统仪器开放、灵活，与计算机技术保持同步发展封闭，仪器

13、间相互配合差价格低廉，资源可重复利用价格昂贵，仪器间一般不能相互利用核心是软件，系统性能升级方便关键技术是硬件，升级成本高用户可根据需要定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能可与网络及周边设备方便连接功能单一，只能连接有限的独立设备开发与维护费用可降至最低开发与维护费用高技术更新周期短（一般来说，12年）技术更新周期长（一般来说，510年）2.2LabVIEW图形化程序的组成与特点2.2.1前面版前面版是NILabVIEW提供给VI（图形化程序）特有的组成部分之一。在VI中，前面版的作用是实现人机对话操作和交互式用户界面操作。应该讲，它的引入是完全出于虚拟仪器的需要，因为虚拟仪器需要在计算机显示屏

14、上模拟出真实仪器的操作面板。在前面版上，程序的设计者可以根据程序的实际需要可以放置诸如开关、滑动条等用户可操作控件，也可以放置诸如仪表盘、图形显示器、图表显示器、LED显示器等指示控件，所有这些控件都可以在NILabVIEW所提供的控件选项板上找到。前面版，它是每个VI（虚拟仪器）所必须包含的部件之一，也是将来用户唯一可见的部分。在基于文本代码的编程语言中，比如C、Java等，仅一个前面版就要撰写很多行程序代码。而在这里，NILabVIEW已经替我们做完了这项工作。其余的工作就是如何发挥你的想像力做一个实用、美观的用户界面。如下图所示，为一空的前面板。2.2.2程序框图程序框图也是NILabV

15、IEW提供给VI（图形化程序）特有的组成部分之一。程序框图用来放置LabVIEW图形化程序源代码。与基于文本的程序代码不同，图形化程序代码是以图形（图标）的方式展现在设计者面前。在程序框图中，不仅可以放置图形化代码，并且还可以通过上面的工具拦进行程序调试和即时编译。程序框图只是用来为程序设计者编程时所使用，最终的用户是无法看到的。程序框图类似于文本编辑器，它不仅可以放置图形化代码同时也可以进行程序注释的标注，只不过是标注的形式不相同。如下图所示，为一空的程序框图。图标和连接器图标和连接器也是NILabVIEW提供给VI（图形化程序）特有的组成部分之一。在每个VI的前面版和程序框图的右上角，都有

16、一个属于这个VI的图标。图标以图形化的方式被用来与其它VI相区别。程序的设计者可以在前面版或程序框图中设计、修改这个图标。在前面版中，用鼠标右键单击图标，可以看到如图所示的内容。通过这个菜单既可以设定VI的属性又可以编辑图标和显示连接器。而在程序框图中作同样的操作，只可以设定VI的属性和编辑图标。每个VI都有自己的图标和连接器。图标构成区别不同VI的图形符号，而连接器定义了VI的输入和输出（当然也可以不进行定义）。在前面板上可以设置或相互切换显示图标或连接器。3语音信号采集总体设计方案与硬件配置3.1语音信号采集系统的功能分析对语音信号的采集、分析、处理与报表生成等。语音信号由计算机进行分析和

17、处理，在程序中通过设置采样点和采样率，对数据进行时域和频域的分析、处理。系统软件具有滤波选择，分为低通，高通，带通滤波。同时也具有开始采集，停止采集，报表生成，停止等功能。语音信号采集系统的总体构成由外界的语音采集板卡与计算机相连，语音采集板卡采集到的信号经过放大电路输送到计算机进行分析运算。外部待测的物理信号：声音声音传感器信号调理：将传感器送来的信号转换为仪器设备可以接受的范围信号采集：使用仪器设备采集相关的电信号，并传入计算机软件处理：在计算机中处理所接收的信号语音信号采集系统的硬件配置3.3.1数据采集电路驻极话筒MIC由R0303串联分压供电。如图3.3所示，当有语音输入时，MIC将

18、产生一个大小与语音强弱成正比的交变电压，该电压经过电阻R0302耦合至放大器OPO7中，信号经过放大之后，由模拟通道AI/02送入计算机内进行分析处理。3.3.2传感器选型传感器实际上是一种换能器，它可以把声音信号携带的机械能转变为电能，电信号的强度与声强在一定范围内满足线性关系。传感器分类传感器可以按照不同的能量转换机理分为动圈式、电容式、压电式和半导体式等，其中动圈式和电容式应用最为广泛;也可以按照其可录制声场的范围分有指向性和无指向性两种，其中无指向性也叫做全指向性，有指向性又可按照其指向性范围分为心形指向性、超心形指向性、双指向性和单一指向性几种;按其在最佳工作状态下与声源的有效距离分

19、为远场传感器和近场传感器;也可按照用途分为人声传感器、乐器传感器和测量传感器等l）动圈式传感器动圈传感器由于其价格低廉、坚固耐用、可承受较大声压而广泛应用于各种场合。动圈传感器主要由振膜、音圈、永磁体和阻抗匹配变压器组成。当声音震动通过空气传到传感器时，会引起振膜的振动，振膜带动音圈在永磁体的磁场中运动切割磁力线产生电流。由于音圈阻抗相对较低，通过阻抗匹配变压器可以提高传感器的输出阻抗，更容易与后续放大器的阻抗进行匹配。动圈传感器因其结构和原理相对简单、稳定性高、可以承受较大声压、抗外界噪音能力较强，广泛应用于扩音、录音等各种场合。但其缺点是灵敏度较低、瞬态响应性能不佳、频响曲线不够平直。2）

20、电容式传感器电容传感器是利用电容器容量随极板间距而变化的原理工作的，电容传感器主要由振膜、刚性极板以及辅助部件组成。其内部的导体振膜和刚性极板组成一个电容器，电容传感器在工作是需要外部电源供电。当声音通过空气传导到传感器时，振膜随着空气振动而前后运动，其与刚性极板的间距随即发生变化，从而因其电容的变化。在外部电源的作用下，极板两端电压便会发生改变，从而将机械能转换为电能。电容传感器灵敏度高、频响范围宽、瞬态响应好、失真较小，但其结构精密、成本较高、且难以承受瞬间大声压的冲击，因此仅用于音频环境较好的录音棚、消声室，作为录音传感器或测量传感器使用。3）驻极体式传感器驻极体式传感器是一种利用驻极体

21、材料做成的电容传感器。主要结构形式有两种:一种是用驻极体高分子薄膜材料作振膜;另一种是用驻极体材料做后极板。因为驻极体本身带电，所以这种传感器无须外部笨重的极化电源，简化了电容传感器的结构。该传感器是由一片驻极体薄膜和一片金属电极（背电极）构成的电容。当声波引起驻极体薄膜产生振动而发生位移时，电容极板间的距离就会发生变化，从而引发了电容器两端电压的变化，完成声电转换。传感器性能指标灵敏度和指向性是传感器的两个重要性能，由此而关联的传感器性能指标主要有以下几条:l）灵敏度灵敏度是表征传感器在一定声压作用下能产生多大的电输出的一个物理量，表示传感器的声电转换效率。一般说来它是传感器的输出电压同该传

22、感器所受声压的复数比。一般来说，传感器的灵敏度越高，失真度就越小，其所接受的声音信号的质量就越好，输出信号的音质越接近于真实声音。2）频率响应传感器的频率响应是指在某一确定的声场中，声波以一指定的方向入射，并保持声压恒定时，传感器的开路输出电压随频率的变化的曲线。传感器的频率响应是传感器的主要指标之一，为了得到良好的音质，一般要求传感器的频响曲线在较宽的频率范围之内平直。3）指向性传感器的灵敏度随声波入射方向而变化的特性就是传感器的指向性。传感器的指向性对音质有较大影响。根据不同的使用目的，不同的声源以及不同的声场条件，选用具有不同指向性的传感器，对提高音质是很重要的。4）输出阻抗输出阻抗也称

23、源阻抗是指传感器的两根输出线之间在1kHz信号输入时的阻抗。源阻抗在150-600欧之间的传感器是低阻抗型的;在1-5千欧之间是中阻抗型的;在25-150千欧之间是高阻抗型的。应注意的是，所有的电动式传感器都是低阻抗器件，那些有高阻抗输出的电动式传感器使用一个内置阻抗升高变换器。高阻抗传感器的缺点是它们的高阻抗电缆线容易拾取到静电噪声，诸如发动机和荧光灯等引起的噪声，这就是要求使用带屏蔽的电缆。另外，围绕屏蔽的导体会形成一个电容器，它实际上是跨接在传感器的输出上。当电缆的长度增加时，电容量就变大，直到6至8米长时，电容量开始短路掉由传感器拾取的许多高频信号。因此，使用高阻抗传感器应避免用长电缆

24、来连接，这种限制有时会给录音带来不便。5）最大声压级指的是在传感器在不产生非线性失真时所能承受的最大声压。6）等效噪声级用来衡量声音传感器本身的固有噪声大小，固有噪声主要由膜片的热扰动或有源器件的电噪声引入。通常用等效噪声的声压级来衡量传感器固有噪声的大小。7）动态范围指的是传感器所能接收信号声压变化范围的上下限，上限受到最大声压级的限制，下限受到等效噪声级的限制。专业级传感器的动态范围一般在110dB左右。8）失真度指的是声信号经传感器拾音以后声音发生畸变的程度。失真主要是因为传感器的振动波形与声源不符或传感器接收声音的声压超过其能接收的最大声压级造成的。传感器的选择我们在选择传感器的时候，

25、要在了解不同的目标声场特性的基础上，结合传感器的技术特性来选择。一般考虑两个方面的需求:一方面要满足环境特性的需求，包括对温度、湿度、压力和风的适应性等;另一方面要满足技术特性的需求，包括对灵敏度、频率响应、动态范围和指向性等的需求。本系统所测的目的是语音采集，因此我们要选用灵敏度高、频响宽而平直的传感器。最终选定了一种测量电容式驻极体传声器。驻极体电容传声器是一种声电转换器件，类属于电容传声器。但是，与早期的电容传声器相比，其内部振膜或背极采用的是可储存电荷的驻极体材料，因此无需外加极化电源。同时，由于驻极体电容传声器内置了场效应管，输出灵敏度得到大幅度提升。而且驻极体电容传声器采用了超小型

26、的零部件，使得产品体积可以做的很小。由于拥有诸多优良性能，驻极体电容传声器广泛应用于手机、电话机、MP3/MP4、数码相机、摄像机、语音识别系统、电脑等产品上。4语音信号采集系统的软件设计与功能实现4.1语音信号采集系统程序流程图如图4.1所示，打开程序，先设置系统的采集参数，然后点击开始采集按钮。之后系统采集的语音信号经过数字信号处理，根据设置的滤波参数，生成时域和频域波形。然后点击停止采集按钮，系统停止采集。然后选择你要保存的位置，然后打开报表，生成HTML报表。4.2语音信号采集系统的软件前面板设计本系统是基于虚拟仪器的语音采集系统。前面板设计如图4-2所示：图4.2基于虚拟仪器的语音采

27、集系统前面板系统主要包括语音信号采样信息界面、语音采集控制按钮界面、语音采集状态显示界面以及时域波形和频域波形显示界面四个部分。4.2.1语音信号采样信息界面语音信号采样信息界面中包括物理通道、采样点数、采样速率、截止频率、上下限截止频率及频域波形类型选择框。其中频域波形类型选择框包括低通，高通及带通下的波形如图4.2.1所示。l.OOT.OT坳理通道7高通艇图4.2.1语音信号采样信息區雌曰14.2.2语音采集控制按钮界面系统开始运行，点击采集按钮，系统开始对语音信号的采集，之后按停止采集按钮时系统停止对语音信号的采集。当按报表按钮时，系统会自动生成报表。党按下急停开关时，系统会立刻停止。如

28、图4.2.2所示。图4.2.2语音采集控制界面4.2.3时域波形和频域波形显示界面系统开始采集数据时，信号的时域波形和频域波形分别在时域波形和频域波形显示界面中显示。图4.2.3为采集后的音频信号经过滤波后在时域上的波形，滤波的形式可在前面板上选择，共有三种方式：低通滤波，带通滤波，高通滤波。其中低通可用于检测我们生活中的噪音，带通滤波主要用于检测我们人类说话的声音。高通滤波，用于检测频率较高的管弦乐乐器。时域信号转化为频域波形，如图4.2.3所示。根据我们所要采集声音的频率不同，我们可以设置X轴的坐标。然后通过频域上波形的分布，对采集的声音进行具体的分析。4.3语音信号采集系统的软件程序框图

29、设计图4.3.1软件总体程序框图II*Ir.1如图4.3.1所示，总体的程序框图有DAQ函数，while循环，事件结构，条件结构，报表生成等几部分组成。程序的主体为：采集声音任务：数据通道采样时钟采集波形对波形的处理结束任务清除数据EMlSImifl图4.3.2声音信号处理如图4.3.2所示，采样的模拟波形通道为1通道多采样通过设定采样速率和采样点数numarafrTTslaa|paruh.rw.l2He:HLieT亚*t引冃=E*且縮s来确定波形的质量，速率越快，采样点数越多，采样波形越相近于实际波形。由于采集到的信号太小，不利于观测，因此经过放大器放大后来观看。信号经过放大器后进入滤波环节

30、，共有三种滤波可供选择，低通、带通和高通。分别对应不同的情况。同时将滤波后的波形在时域上表现出来，可将时域波形的数据精处理为动态数据输入频谱测量，在示波器显示出频域波形。left叫匸DSIn翔甜下守:根据图4.3.3所示，报表生成的一系列步骤。报表生成任务：新建报表修改报表，图4.3.3HTML报表生成InndL片具体为添加页眉页脚，注释说明以及程序的波形图片保存报表，路径可选择打开报表。我选择的是HTML报表。优点是，它可以在报表内添加超文本链接，图片，影像，声音以及注释说明。LabVIEW编程实训报告LabVIEW编程实训报告/XX 语音信号采集系统的运行与分析2时闫图5.1时域波形频域翊2200400600BOOLOGO1200时同国图5.2频域波形图5.1与5.2采集到的是手机闹铃的震动声音。可以看出，该声音信号在频域上主要分布在低频段，且幅值较高。DevUai212?-WBiiiiiiiiiBiiii賈tllBIIRB-25-50-0.20.40.60.&时间图5.3时域波形0.02-0.04-0.01-0.05-频域蹴20.06-m图5.4频域波形图5.3与5.4为手机播放女高音，可以发现其频域上的波形频率较高，时域上也有很明显的几块突出。而且根据传感器灵敏度的提高，波形也会越精确。图5.5时