1、101科技資訊科技資訊SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION 2008NO.08SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATIONIT技術(shù)1基于PC機(jī)的信號采集系統(tǒng)1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題目前P c 機(jī)的外部擴(kuò)展設(shè)備已經(jīng)很齊全,w i n d o w s 一般帶有的音頻操作軟件很全面,硬件方面只需一個(gè)可以將語音轉(zhuǎn)換成電子信號的設(shè)備,比如麥克風(fēng)。軟件采用Matlab 高級程序設(shè)計(jì)語言設(shè)計(jì)。Matlab 是美國m a t h w o r k s 公司開發(fā)的“演算紙”式的程序設(shè)計(jì)語言,是一個(gè)跨平臺(tái)的科學(xué)計(jì)算環(huán)境。它以其強(qiáng)大的計(jì)算和繪圖功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫、簡潔高效的編

2、程語言以及龐大的用戶群,成為數(shù)學(xué)計(jì)算工具方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。包括通信、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制等幾乎所有的工程計(jì)算領(lǐng)域,M a t l a b 都有相應(yīng)的軟件工具箱。最新的M a t l a b 版本,不僅可以與C /C +、V C 、V B 等高級語言混合編程、互相調(diào)用,還可以調(diào)用計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備,是目前最為流行的軟件之一。為制作基于M a t l a b 的信號采集系統(tǒng)提供了很好的條件。編程設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以下3個(gè)關(guān)健問題:錄放音函數(shù)的選用。M a t l a b 中有兩個(gè)函數(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)錄音功能。使用wavrecord 函數(shù)調(diào)用windows 音頻設(shè)備進(jìn)行錄音,主要用于實(shí)時(shí)語音采集。調(diào)用格式

3、為x=wavrecord(n,fs,ch,dtype,得到數(shù)字化的語音數(shù)據(jù)串,可直接作為M a t l a b 變量參與各種運(yùn)算,式中n 為采樣的點(diǎn)數(shù),決定了錄音長度;f s 為采樣頻率,默認(rèn)值為11025H z ,還可根據(jù)系統(tǒng)要求自己選擇合適的采樣率;c h 為聲道數(shù),默認(rèn)值為1,表示單聲道,如果指定為2,則采樣為雙聲道立體聲數(shù)據(jù);d t y p e 為采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式,用字符串指定,可以是double、single、intl6、int8,指定存儲(chǔ)格式的同時(shí)也就規(guī)定了每個(gè)采樣值量化的精度,i n t 8對應(yīng)8位精度采樣,其他都是l6位采樣精度。使用Matlab 的wavread 函數(shù)也可以

4、采集語音。不過w a v r e a d 函數(shù)只能讀取計(jì)算機(jī)中已有的w a v 文件,也就是說,必須事先使用w i n d o w s 的錄音機(jī)等設(shè)備把有關(guān)的語音資料錄制并存儲(chǔ)為w a v 文件。顯然w a v r e a d 不能用于實(shí)時(shí)的語音采集處理系統(tǒng),另外,語音采樣的頻率和精度不能改變。回放時(shí)也有兩個(gè)函數(shù)可以選用。可以使用s o u n d 函數(shù),調(diào)用格式為sound(x,fs,其中x 是采集到的數(shù)據(jù)序列,f s 是采集時(shí)使用的采樣頻率。也可選用另一個(gè)函數(shù)wavplay,不過wavplay 沒有sound 適應(yīng)性強(qiáng),只能用于w i n d o w s 平臺(tái)。語音分幀技術(shù)。語音信號的存儲(chǔ)

5、和處理都是按幀進(jìn)行的。語音信號是一種非平穩(wěn)信號,進(jìn)行時(shí)頻分析及其他各種處理時(shí)一般要采用短時(shí)分析技術(shù),即把長時(shí)間的語音數(shù)據(jù)串分成1030m s 的短時(shí)幀。可以使用Matlab 的enframe 函數(shù)對采集的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀。利用e n f r a m e 函數(shù)對采集的連續(xù)語音信號分幀時(shí),可以同時(shí)選擇添加哈明窗或矩形窗以滿足頻譜分析等信號處理的要求。調(diào)用格式為Y =e n f r a m e (x ,N ,R ,即把序列x 分成若干個(gè)長為N 的幀,R 為相領(lǐng)幀移量,幀長減去幀移量即得相鄰幀和重疊長度,得到的Y 是一個(gè)以N 為行的矩陣,總行數(shù)即總幀數(shù)決定于X 、N 、R 之間的大小關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用,N

6、 由采樣時(shí)間間隔和一幀持續(xù)的時(shí)間長決定;R 一般小于N 的一半,具體取值還要考慮窗的類型。有無聲的判決。有無聲判決在采集系統(tǒng)中作用非常大,它決定了系統(tǒng)開始采集存儲(chǔ)與否,也是采集結(jié)束與否的依據(jù),還可以為語音增強(qiáng)處理提供噪聲源。判決標(biāo)準(zhǔn)的選擇非常關(guān)鍵。短時(shí)幀能量是常用的數(shù)據(jù)之一,其運(yùn)算簡單但是難以區(qū)分清音與寬帶噪聲;過零率是另一個(gè)常用判決數(shù)據(jù),過零率的特點(diǎn)是可以有效區(qū)分清音和噪音但運(yùn)算復(fù)雜。采用短時(shí)幀能量和過零率雙重標(biāo)準(zhǔn)可以增加有無聲判決的準(zhǔn)確性,同時(shí)也可提高程序運(yùn)行效率。1.2音頻信號的采集方法在音頻信號處理方面,下面介紹一種簡單,實(shí)用,經(jīng)濟(jì)的適用于中低頻的信號處理方法,如圖1所示。采集時(shí)將隨時(shí)

7、間變化的力、位移、時(shí)間變化的電壓信號,并將其降壓處理,其變化范圍在一11V 之間以滿足聲卡的輸人要求,然后就可以將兩路信號直接連接到聲卡的LINEIN 接口上,利用Matlab 環(huán)境下數(shù)據(jù)采集工具箱(DataAcquisition采集聲音信號,為提高聲音信號的質(zhì)量,可對采樣頻率等屬性進(jìn)行必要的設(shè)置。在對聲音進(jìn)行錄制過程中,不可避免地會(huì)夾雜一些噪音,需要通過濾波器才能過濾掉這些噪音。實(shí)際上,數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)是信號處理工具箱一個(gè)重要的組成部分,可以根據(jù)頻譜的特點(diǎn)和處理信號的目的組成部分,設(shè)計(jì)出各種各樣符合要求的數(shù)字濾波器。下面以驗(yàn)證吉他每根弦的基本(最低頻率為例,說明信號采集的方法(在聲卡的一個(gè)通道

8、上采集了1s 的聲音信號。由于一根吉他琴弦的振蕩頻率為112H z ,配置聲卡的最低采樣率應(yīng)為8000,甚至可以更低。在彈響琴弦后,在之附近放置麥克風(fēng),然后用手動(dòng)觸發(fā)器觸發(fā)信號采集。M 文件如下,結(jié)果如圖2、3所示。Matlab 程序:AI=analoginput(winsound;%定義模擬輸入目標(biāo)A I 為聲卡chan=addchannel(AI,1;%設(shè)置通道數(shù)為1duration=1;%1s 采集set(AI,SampleRate,8000;%設(shè)置采樣率為8000HzActualRate=get(AI,SampleRate;s e t (A I ,S a m p l e s P e r

9、 T r i g g e r ,duration*ActualRate;%設(shè)置觸發(fā)采樣數(shù)在P C 平臺(tái)上的語音信號采集和處理石磊(中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院浙江杭州310018摘要:在windows 音頻頻設(shè)備與Matlab 函數(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種基于PC 機(jī)的語音信號采集系統(tǒng),該系統(tǒng)給出了數(shù)據(jù)采集、信 號分解過程和 MATLAB 程序。實(shí)驗(yàn)顯示它具有性能穩(wěn)定可靠,使用方便,適用范圍廣的特點(diǎn)。可用于頻譜分析、語音增強(qiáng)、語音編碼 或語音識(shí)別的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中。 關(guān)鍵詞:PC信號采集分解Matlab音頻工具箱 中圖分類號:TP391.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號:1672-3791(200803(b-010

10、1-02圖1信號采集分析圖102科技資訊 科技資訊SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2008NO.08SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATIONIT技術(shù)量set(AI,TriggerType,Manual%觸發(fā)類型為手動(dòng)b l oc k s i z e =g e t (A I ,SamplesPerTrigger;%模塊大小為每觸發(fā)采樣的大小Fs=ActualRate;%設(shè)置頻率start(AItrigger(AI%觸發(fā)啟動(dòng)(這時(shí)要撥響吉他,并將聲音傳人聲卡data=getdata(AI;figure(1,plot(data;f,mag=daqdocft

11、(data,Fs,blocksize%F ,M A G =D A Q D O C F F I (X ,PS ,BLOCKSIZEcalculatestheFFTofX%usingsamplingfrequencyFSand theSamplesPerTrigger%providedinB xfft=abs(ft(data;%Avoidtakingthe logof0。index=find(xft=0;xft(index=le 一17;mag=20*logl0(xfft;mag=mag(1:floor(bloeksize /2;f =(O :l e n g t h (m a g 一1*F s /

12、blocksize ;f=f(:;figure(2,plot(f,maggridonymax,maxindex=max(mag1.3頻譜分析利用采集系統(tǒng)對所采集信號進(jìn)行頻譜分析的情況。從幅度譜上可以明顯看出存在若干共振峰。把幅度譜放大后可以看出四個(gè)共振峰位置約在k=12、18、15、30處,利用頻譜分辨率公式f =f /N 和采樣率C =8000H z 、采樣點(diǎn)數(shù)N =400,可以確定基音約687H z 。基音在語音編碼與識(shí)別中有廣泛應(yīng)用。2結(jié)語基于Pc 機(jī)windows 平臺(tái),采用Matlab 語音編程和w i n d o w s 音頻設(shè)備,設(shè)計(jì)一個(gè)語音采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)顯示,本系統(tǒng)方便快捷,性

13、能穩(wěn)定可靠,同時(shí)具有波形演示、語音編碼、頻譜分析等多種功能。可用于信號時(shí)頻分析、語音增強(qiáng)、語音編碼、語音識(shí)別等的教學(xué)與科研實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)當(dāng)中。基于Pc 機(jī)windows 平臺(tái)和Matlab 編程的軟件系統(tǒng)方便實(shí)用,對從事信號處理教學(xué)和研究的人員將提供有力幫助。圖2輸入信號波形圖圖3輸入信號頻譜圖多窄帶帶阻數(shù)字濾波器就是對50H z 的T 頻及其二次諧波100H z 進(jìn)行陷波的數(shù)字濾波器。由于心電信號中還包含基線漂移,這些基線漂移的頻率成份小于0.5H z ,因而陷波器應(yīng)能濾除工頻、工頻的二次諧波和基線漂移三部分信號。選取抽樣頻率為200Hz,在Z 平面位圓周上均勻安排200個(gè)零點(diǎn),在f=OHz,f=

14、50Hz 和f=100Hz 處設(shè)置三個(gè)極點(diǎn)與相應(yīng)的零點(diǎn)相抵消,可形成只有三個(gè)一頻率通過的多通帶帶通濾波器,得到系統(tǒng)輸出y1(n=y1(n-4+x(n-x (n-200,其頻率特性曲線如圖2所示。三個(gè)通帶帶寬均為1H z 。再設(shè)計(jì)一個(gè)全通數(shù)字濾波器,y 2(n =50x (n -98。取全通濾波器與多通帶帶通濾波器的差,即y2(n-yl(2,從而得到一多窄帶帶阻數(shù)字濾波器,該濾波器可作為抑制基線漂移和工頻干擾的有效手段。在此通過M a t l a b 編程進(jìn)行該濾波器的效果仿真,算法程序如下:bl=zeros(1,201;bl(1,1=l ;bl(1,201=-l;a1=1000一l;fl=filter(bl,al,f/2;b2=zeros(1,99;b2(1,99=50;a2=l;f2=filter(b2,a2,f/2;f0=f2-fl:f 為處理前數(shù)據(jù),f0為處理后數(shù)據(jù),處理結(jié)果如圖2(b所示。從圖中可以看出,經(jīng)過處理后,圖形得到一定的平滑,基線漂移也得到了抑制。3結(jié)語在實(shí)際應(yīng)用中,通常需要通過不同的方式測得或采集到一些離散數(shù)據(jù)點(diǎn),在對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行利用之前,必須先對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析和