基于LabVIEW的声音识别系统设计【文献综述】.doc

1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 基于 LabVIEW 的声音识别系统设计 1 前言 1-4 LabVIEW 是美国 NI 公司推出的一种通用虚拟仪器开发软件，他包含丰富的功能函数库和完备的总线设备驱动程序。 LabVIEW 的一大特色是其基于图形的编程方式是采用数据流（ dat astream）而非传统的文本方式的编程方法。这种编程方式强调信号处理的实际过程，有利于简化编程，缩短开发时间和降低开发难度。 LabVIEW 广泛应用于包括自动化、通信、半导体、电路设计、航空和生产、过程控制及生物医学在内的各种工业领域中，用来提 高应用系统的开发效率。这些应用涵盖了产品的研发、测试、生产到后期服务

2、的各个环节。在系统设计中协调使用 LabVIEW，共享软件及信息资源，可以节约大量的时间和金钱。 LabVIEW的应用大致可分为以下几个主要方面： (1)应用于生产检测： LabVIEW 已经成为用于测试测量领域的工业标准化开发工具。 LabVIEW 结合 NITestStand 测试执行环境和该领域中最大的仪器驱动程序库，为整个系统建立稳固完整的检测管理平台。 (2)应用于研究与分析：运用 LabVIEW，可在汽车、能源研究和其它众多工业领域的应用系统中进 行实时数据的分析和处理、对于图像处理、时频分析、小波和数字滤波的应用系统， LabVIEW 特别提供各种附加工具包以加速系统的开发。 (

3、3)应用于过程控制和工厂自动化：可利用 LabVIEW 来建立过程控制和工业自动化应用系统。在 LabVIEW 平台下，可以实现多通道的高速测量和控制。对于大型复杂的工业自动化和控制系统，有专门的 LabVIEW 数据记录和监控模块，用于监控多通道 I O、与工业控制器和网络进行通信，以及提供基于 PC 机的控制。 (4)应用于机器监控：对于要求有实时控制、视觉和图像分析或运动控制的机器监视和预 先维护的应用系统， LabVIEW 是理想的选择。 LabVIEW 系列产品，包括用于可靠、确定性控制的实时 LabVIEW(LabVIEW RT)软件，能够快速、准确的建立起功能强大的机器监视和自动

4、控制应用程序。 (5)应用于测控系统： LabVIEW 有着强大的功能和广阔的应用前景，但就目前国内的现状来看，大多数的用户还是把 LabVIEW 作为虚拟仪器，仅仅利用它来进行数据的处理、分析和显示，忽略了 LabVIEW 强大的数据采集和控制功能，特别是基于 PC 机的实时控制，在国内应用较少。 声音识别和处理是目前信息学领域的研究 热点和难点，其任务是研究如何利用信号处理技术研究声音信号，使未来的计算机“能听会说”。声音信号的处理是对声音信号进行分析，只有通过分析得到的参数才能做进一步的研究。声音分析涉及大量复杂的数学运算，如果采用硬件方式实现，从价格和灵活性上都不可取。如果通过计算机软

5、硬件结合的方法采用主流的编程方式实现，则存在编程复杂，不易扩展和界面不友好等问题。 2 系统构成及设计 5-7 2.1 软件部分与硬件部分 LabV IEW 是一个较好的图形化开发环境 . 它内置信号采集、测量分析与数据显示功能 . 将数据采集、分析与显示 功能集中在同一个开放式的开发环境中。LabV IEW 的交互式测量助手 ( assistant) 、自动代码生成以及与多种设备的简易连接功能使它能很好地实现数据采集功能。数据采集硬件包括传感器、信号调理仪器、信号记录仪器。前两者已有专门的厂商研发。计算机采集卡是信号记录仪器中的重要组成部分 ,主要起 A /D 转换功能。目前主流数据采集卡都

6、包含了完整的数据采集功能 . 但这些卡价格均比较昂贵。相对而言 ,同样具备 A /D 功能的声卡技术已经成熟 ,成为计算机的标准配置 ,在大多数的计算机上甚至直接集成了声卡功能 . 无需额外添 加配件。 2.2 声音数据部分 声音信号一般被看作一种短时平稳的随机信号，主要是对他进行时域、频域和倒谱域上的信号分析。声音信号的时域分析是对信号从统计的意义上进行分析，得到短时平均能量、过零率、自相关函数以及幅差函数等信号参数。根据声音理论，气流激励声道产生声音，声音信号是气流与声道的卷积，因此可以对信号进行同态分析，将信号转换到倒谱域，从而把声道和激励气流信息分离，获得信号的倒谱参数。 2.3 声音

7、识别主要算法 8-9 声音识别系统常用的算法有 ANN(神经网络 )、 DTW (动态时间归整匹配 )、HMM(隐 马尔可夫 )的识别和训练算法。 HMM 算法是目前最成功的一种声音识别模型和算法。常用的特征矢量有 LPCC(线性预测倒谱系数 ) 和 MFCC(美尔频标倒谱系数 )，其中 MFCC 参数具有良好的识别性能和抗噪能力，采用滤波器组方法计算： Mmn Mknkxc 1 )2/1(c o s ()(lo g ， n=1， 2， ， L HMM 算法需要解决的三个基本问题： (1) 概率计算：已知观察序列 ),.,(0 21 Tooo 和模型 ),( BA ，计算由模型生成 O 的概率

8、 P(O/ )。主要采用前 向算法和后向算法解决： Ni Nj Ni ttttjijt jiajobAiaop 1 1 111 )()()()()()/( (2)最优状态序列搜索（识别过程）：已知观察序列 O 和模型 ，选择最佳的状态序列 X。采用 Viterbi 算法，最佳准则： /. . .,. . .m a x)( ,21121. 121 toooiqqqqpi tttqqqt t (3) 参数估计：对应训练过程。根据观察序列不断修正模型参数 (， A， B)，使P(O/ )最大。主要采用 Baum Welch 重估算法。 2.4 信号采集与处理 10 信号采集与处理系统主要应用的是数据

9、采集卡的 A / D（模 / 数）转换功能，通过数据采集卡将采集端采集到的模拟电信号利用高速模数转换电路转换为数字信号，经过数据采集卡板载缓存，最后利用计算机中的程序不断从缓存中提取数据， 存入计算机中，并进行相关处理，提取有用数据进行硬盘存储。利用LabVIEW 语言编写数据采集卡的驱动程序，对信号分析处理及存储流程如图 1 所示。 图 1 信号采集与处理系统总流程图 2.5 数据采集部分 11-13 首先从 LabVIEW 软件中声音模块选项卡中找到声音文件打开 VI、声音输入配置 VI、声音输入读取 VI、声音输人清除 VI 和声音文件关闭 VI，再加上一个while 循环语句。其中 w

10、hile 循环语句的隧道可改为移位寄存器，而移位寄存器可用于将上一次循环的值传递至下一次循环。移位寄存器以一对接线端的形式出现，分别位于循环两侧的边框上，位置相对。右侧接线端含有一个向上的箭头，用于存储每次循环结束时的数据。 LabVIEW 将数据从移位寄存器右侧接线端传递到左侧接线端。循环将使用左侧接线端的数据作为下一次循环的初始值。该过程在所有循环执行完毕后结束。循环执行后，右侧接线端将返回移位寄存器保存的值。右键单击循环的左侧 或右侧边框，并从快捷菜单中选择添加移位寄存器可以创建一个移位寄存器。 2.5.1 PCI-1714 数据采集卡 14-15 Advantech 公司的 PCI-1

11、714 是一款 PCI 接口的高速 4 通道同步数据采集卡， 可用于高速数据采集应用，性价比较高，适用于仪器测试、图像处理、视频数字化处理及声音与振动测试等领域。基于 PCI-1714 的通用高速数据采集系统结构如图 2 所示。 图 2 基于 PCI-1714 的高速数据采集系统结构框图 将需监测的现场信号经滤波器滤波 后送入 PCI-1714 板卡， 卡上 A / D 转换器对信号进行高速模数转换。转换数据首先暂存在板卡的 32 K 板载 FIFO （先入先出） 中， 当 FIFO 半满或全满时，向 DMA（动态内存存取）控制器发送 DMA 请求，使用直接内存存取方式，经 PCI（外设组件互

12、连）总线将数据从 FIFO 输出到内部缓冲区中， PCI 总线传输带宽很宽， 可以满足 4 通道高速同步采样时所带来的高速数据传输要求。 2.6 信号分析功能模块流程的设计 16-17 信号分析功能模块流程的设计仪器流程的设计是根据仪器功能要求 , 利用虚 拟仪器开发平台所提供的子模板 ,确定程序的流程图、主要处理算法和所实现的技术方法。不同的处理算法构造出不同的虚拟仪器 , 流程设计是虚拟仪器设计的重点。 信号分析功能模块需要完成频谱分析、功率谱分析、频响函数、相干分析、脉冲响应等诸多功能 ,因此也特别复杂 ,其中包含许许多多的 Case 选择结构 ,使得无论是程序的分析还是程序的维护都比较

13、困难（图 3）。图 3 信号分析模块的程序框图 2.7 频谱分析部分 18-19 通过 Sound Input Read 读取输入的 声音波形 ,将波形输入到 FFT Spectrum. vi模块、 FFT Power Specstrum. vi 模块和频谱测量模块。通过频谱分析模块之后分别输出分析后的功率谱波形、加窗后的幅频谱、未加窗的幅频谱和相频谱。另外 ,为了便于观察 ,还输出处理前的时域波形。系统程序图如图 4 所示。 图 4 系统程序框图 3 总结 使用 LabVIEW 软件，将从物理介质获得的声音，经过 AD 采样后，通过做滤波处理和增益控制实现了声音均衡器设计。声卡是现在计算机通

14、用的设备，其本身就是一个高性能的数据采集设备，用声卡采集完全满足采 样定理的要求 20。通过上述方法构建的声音分析平台，界面丰富友好，操作使用方便，并且能不断随着虚拟仪器技术和计算机软硬件技术的进步而升级。特别重要的是用户可以在该平台上开发验证新的声音信号分析处理算法。 4.参考文献 1 汪敏生等著 LabVIEW 基础教程北京：电子工业出版社， 2002 2 刘君华，贾惠芹虚拟仪器图形化编程语言 LabVIEW 教程西安：西安电子科技大学出版社， 200l 3 周德俭，吴斌智能控制重庆大学出版社， 2005 4 刘金馄先进 PID 控制 MATLAB 仿真 (第 2 版 )电子工业出版社，

15、2004 5 曹军义 ,刘曙光 . 虚拟仪器技术的发展与展望 J . 自动化与仪表 , 2003, 18 (1) : 1 - 5. 6 陈捃 ,黄用勤 ,王永涛 . 基于虚拟仪器的实时数据采集系统的设计 J . 武汉理工大学报 , 2007, 29 (6) : 122 - 124. 7 孙爱晶 ,刘毓 ,马贺洲 . 基于 LabV I EW 的声卡数据采集及滤波处理设计 J . 自动化与仪表 , 2009, 24 (5) : 45 - 47. 8 韩纪庆，张磊，郑铁然 . 声音信号处理 M. 北京：清华大学出版社， 2004，09： 2-215. 9 候国屏，王坤，叶齐鑫 . LabVIEW7

16、.1 编程与虚拟仪器设计 M. 北京：清华 大学出版社， 2005.2. 10 孙鹏 . 基于 LabVIEW 语言的信号采集与处理 J.技术交流， 2010（ 8）： 11-13 11 孟武胜，朱剑波，黄鸿，等 基于 LabVIEW 数据采集系统的设计 J 北京 :电子测量技术， 2008， 31（ 11） :63 65 12 刘君华，等 虚拟仪器图 形化编程语言 LabVIEW 教程 M 西安：西安电子科技大学出版社， 2001 13 张新亮，孙军强，刘德明，等 LabvIE 驱动一般多功能接口卡的研究 J 北京 :仪器仪表学报， 2000， 21（ 3） :290 292 14 王磊，陶

17、梅 . 精通 LabVIEW8.0 M . 北京：电子工业出版社， 2007. 15 戴鹏飞，王胜开，王格芳，马欣 . 测试工程与 LabVIEW 应用 M . 北京：电子工业出版社， 2006. 16 史春雷，秦芳 . 基于 LabVIEW 虚拟测试分析仪的信号分析功 能设计 J.信息技术， 2010.（ 23）： 25-26 17 杨乐平 .LabVIEW 程序设计与应用 M.北京：电子工业出版社， 2004. 18 车子萍 . 基于 LabVIEW 和声卡的数据采集及频谱分析仪设计 J.科技设计成果， 2010.4（ 10）： 8-9. 19 史剑锋，常国栋，李志刚 . 一种基于 LabVIEW 和 MATLAB 的声音识别方法 J.通信技术 .2007（ 7）： 56-57 20 孙爱晶，刘毓，马贺洲 基于 LabVI EW 的声卡数据采集及滤波处理设计J 天津 :自动 化与仪表， 2009， 24（ 5） :45 47