麥克風(fēng)陣列聲音信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：麥克風(fēng)陣列聲音采集系統(tǒng)主要針對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合，所以需要搭建一套合適的硬件平臺(tái)用于聲音信號(hào)采集。由于在測(cè)試系統(tǒng)性能時(shí)，需要同時(shí)采集多路聲音信號(hào)，而普通計(jì)算機(jī)上的聲卡只能采集一路聲音信號(hào)，因此，本文設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)多通道的聲音采集系統(tǒng)作為聲音定位系統(tǒng)中的前端采集部分，根據(jù)不同算法的要求和系統(tǒng)實(shí)際需要，提供相應(yīng)通道的采集信號(hào)。本文從原理上進(jìn)行了討論并用理論數(shù)據(jù)及軟件代碼驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：聲音采集；麥克風(fēng)陣列；多通道

1.引言

在實(shí)際環(huán)境中，單個(gè)麥克風(fēng)的拾音范圍很有限，在拾音范圍內(nèi)的任何聲音，包括不希望的噪音都會(huì)被接收，因而無法準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)并跟蹤感興趣的說話人。采用多個(gè)麥克風(fēng)構(gòu)成的麥克風(fēng)陣列可以彌補(bǔ)單個(gè)、孤立麥克風(fēng)的上述缺陷，具有去噪、定位和跟蹤等功能，同時(shí)對(duì)于算法的實(shí)現(xiàn)也提供了方便。因此，必須設(shè)計(jì)一個(gè)多通道的語音采集系統(tǒng)，利用NIUSB-9234進(jìn)行高速數(shù)據(jù)吞吐和同步數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，最大設(shè)計(jì)能力可以同時(shí)采集8路語音信號(hào)，并可對(duì)采集聲道數(shù)目、位速、音頻采樣級(jí)別、設(shè)備號(hào)、通道選擇和采集時(shí)間等進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而滿足語音定位算法的要求。

LabVIEW是NI推出的一種基于“圖形”方式的集成化程序開發(fā)環(huán)境，在測(cè)量測(cè)試、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)分析、工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。它作為一個(gè)優(yōu)秀的圖形化編程平臺(tái)，在數(shù)據(jù)采集、虛擬儀器軟件框架、通用接口總線及串口儀器控制、圖像處理、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)分析和圖表顯示方面都具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于一些基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和分析的應(yīng)用系統(tǒng)或虛擬儀器的設(shè)計(jì)，LabVIEW更是無可替代，因?yàn)樗峁┝舜罅颗c此相關(guān)的特殊功能，是所有傳統(tǒng)高級(jí)語言所不具備的。

2.系統(tǒng)硬件構(gòu)成

基于LabVIEW的聲音采集系統(tǒng)主要由傳感器（麥克風(fēng)陣列）、采集卡、計(jì)算機(jī)3個(gè)部分組成(如圖1)．傳感器將物理信號(hào)(如聲音、壓力)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大后送人采集卡，這里我們采用NI的USB-9234采集卡控制信號(hào)的采樣率、采樣時(shí)間和采樣信號(hào)的通道數(shù)，并將結(jié)果交由計(jì)算機(jī)處理．其中，USB-9234采集卡提供了8通道的信號(hào)采集端口，用戶可以根據(jù)需要靈活選擇．因此，用LabVIEW設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集VI可以對(duì)不同種類的實(shí)際信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理，這是Matlab、Simulink及其其它編程語言等傳統(tǒng)分析手段所無法做到的。

由于麥克風(fēng)采集到的語音信號(hào)或者聲音信號(hào)過于微弱，十幾個(gè)毫伏甚至幾個(gè)毫伏，所以在數(shù)據(jù)采集卡與麥克風(fēng)陣列之間要必須增加前置放大器，前置放大器是采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX4468這款芯片，此芯片外加+2.4伏到5.5伏供電，能到達(dá)126dB的良好共模抑制比，聲音最高放大125dB，增益帶寬600KHz。圖2是外加外圍器件設(shè)計(jì)的麥克風(fēng)前置放大器原理圖。

3.語音采集驅(qū)動(dòng)配置

NI-DAQ驅(qū)動(dòng)是使NI采集卡工作之前首先必須安裝的驅(qū)動(dòng)程序。此驅(qū)動(dòng)可在安裝LabVlEW時(shí)自動(dòng)提示安裝，它的作用就是驅(qū)動(dòng)底層數(shù)據(jù)采集卡工作。其次安裝采集卡硬件，最后進(jìn)行配置：運(yùn)行Measurement＆AutomationExplorer(MAX)，在DeviceandInterfaces中選擇所使用的NIUSB-9234器件，對(duì)設(shè)備編號(hào)、模擬信號(hào)極性范圍和模式、設(shè)備附件及過程控制各選項(xiàng)進(jìn)行配置。LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集實(shí)際上包含了模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入/輸出和計(jì)數(shù)器4種信號(hào)輸入輸出方式。在本文的語音采集系統(tǒng)中用到的是模擬輸入方式，需要用到LabVIEW中DataAcquisition子模板的AnalogInput子模板中的若干個(gè)數(shù)據(jù)采集VI。采集過程可以用圖1表示。其中數(shù)據(jù)采集卡即USB-9234，通過多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)據(jù)緩存(Buffer)幾個(gè)部件將多通道的模擬語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在其緩存中，而計(jì)算機(jī)通過LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI對(duì)USB-9234中的幾個(gè)部件的運(yùn)作進(jìn)行控制，USB-9234和計(jì)算機(jī)之間通過計(jì)算機(jī)總線通信、交換數(shù)據(jù)和控制信息。

一個(gè)多點(diǎn)多通道波形數(shù)據(jù)采集的過程一般需經(jīng)過以下幾個(gè)步驟，本文所描述的可調(diào)節(jié)多通道語音采集也采取了同樣的步驟：

(1)數(shù)據(jù)采集VI通知數(shù)據(jù)采集卡(USB-9234)以及相關(guān)的采集參數(shù)；

(2)多路開關(guān)對(duì)采樣通道進(jìn)行一次依次掃描，每個(gè)通道采樣一個(gè)點(diǎn)；

(3)采樣的模擬信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；

(4)數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩存；

(5)重復(fù)(2)-(4)的操作，直到采集到了所需的采樣點(diǎn)數(shù)，全部數(shù)據(jù)順序存儲(chǔ)到緩存中；

(6)從數(shù)據(jù)采集卡的緩存中讀取數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中；

單點(diǎn)、單通道或不經(jīng)過緩存的采樣過程將上述過程作相應(yīng)的簡(jiǎn)化即可。

4.LabVIEW環(huán)境下聲音采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用LabVIEW設(shè)計(jì)的聲音采集系統(tǒng)由人機(jī)交互的界面(前面板)和相當(dāng)于源代碼功能框圖的程序(后面板)組成．前面板是程序界面，可模擬儀器的輸入。并把數(shù)據(jù)提供給VI(VirtualInstrument)的框圖程序；后面板又稱為代碼窗口或流程圖，可以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出．

4.1前面板設(shè)計(jì)

利用LabVIEW的人機(jī)交互界面來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器操作面板的功能，用戶可很方便地看到濾波器各環(huán)節(jié)變化的過程，從而調(diào)整濾波器的初始參數(shù)以使濾波器的性能達(dá)到最好．圖3給出了濾波器各個(gè)參量的示波器圖形曲線以及初始參數(shù)的控制單元，其設(shè)計(jì)流程如下：

(1)在前面板中添加示波器、開關(guān)、數(shù)值控鍵、顯示控鍵和其他界面工具，方便用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤獲取數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果．而且用戶根據(jù)不同的用途只要改變一下控制框圖即可，實(shí)現(xiàn)了模塊化的編程．

(2)定義面板各個(gè)控件參數(shù)。通道數(shù)、每通道采樣率、采樣比特?cái)?shù)，內(nèi)部激勵(lì)電流、最大聲壓、采樣點(diǎn)數(shù)、麥克風(fēng)靈敏度，這些參數(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能有著非常重要的影響．

圖3 音頻信號(hào)采集波形圖

該采集卡采樣率每通道最大51.2kS/s。根據(jù)需要可以進(jìn)行最優(yōu)化配置，每秒25600采樣點(diǎn)是一個(gè)比較好的采樣率，每采樣比特?cái)?shù)最大可以設(shè)置到24位比特。圖2中采集波形圖中，每一種顏色對(duì)應(yīng)一個(gè)通道信號(hào)采集波形。

4.2后面板設(shè)計(jì)

將虛擬儀器的程序以流程圖的方式有機(jī)地聯(lián)系起來，這是LabVIEW的特色所在。采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想就可以構(gòu)造LabVIEW環(huán)境下的語音采集定位系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)主要由聲音采集和信號(hào)調(diào)理兩部分組成：采集部分將接收到的語音信號(hào)按一定的條件采樣處理后并進(jìn)行保存；定位部分是對(duì)采樣后的語音進(jìn)行時(shí)延估計(jì)并最終計(jì)算出說話人所在的位置。LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集實(shí)際上包含了模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入/輸出和計(jì)數(shù)器4種信號(hào)輸入輸出方式。在本文的語音采集系統(tǒng)中用到的是模擬輸入方式，需要用到LabVIEW中DataAcquisition子模板的AnalogInput子模扳中的若干個(gè)數(shù)據(jù)采集VI，主要有以下幾部分：

(1)采集模塊配置：利用AIconfigvi模塊配置采集通道的模擬輸入，給模擬輸入操作分配一個(gè)緩沖區(qū)；

(2)開始采集：AIstartvi模塊設(shè)置掃描速率、采樣掃描點(diǎn)數(shù)和觸發(fā)條件，啟動(dòng)緩沖區(qū)模擬輸入；

(3)采集有限采樣點(diǎn)：利用AIRe8d．vi模塊從數(shù)據(jù)采集的緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)；

(4)清除采集：利用AIClearvi模塊清除與tasklDin有關(guān)的模擬輸入配置，并釋放包括緩沖區(qū)在內(nèi)的相關(guān)內(nèi)部資源；

(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：將聲音波形存儲(chǔ)于文件中。

4.3語音信號(hào)的預(yù)處理

一般室內(nèi)環(huán)境的噪聲比較小．當(dāng)環(huán)境中沒有語音信號(hào)時(shí)。為了防止系統(tǒng)把噪聲“誤認(rèn)為”語音信號(hào)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理

(1)先利用采集卡USB-9234將傳聲器接收到的語音信號(hào)按一定的采樣率和采樣方式進(jìn)行采集。筆者使用的語音信號(hào)采樣頻率為25600Hz。同時(shí)采集4個(gè)通道的語音信號(hào)。

(2)將采集到的信號(hào)進(jìn)行分幀，并對(duì)每一幀(<0.1s)信號(hào)分別進(jìn)行濾波(300—3400Hz的帶通濾波)、FFT變換求功率譜密度，再對(duì)每一個(gè)頻率上的值累加，即得到這一幀信號(hào)的能量。

(3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)定“噪聲門限”，即采集的一幀信號(hào)能量低于這一門限的均認(rèn)為是噪聲。門限值可以通過前面板的滑塊進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(4)當(dāng)有足夠多幀的連續(xù)信號(hào)能量超過門限時(shí)，存儲(chǔ)采集信號(hào)用于定位分析。具體幀數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和系統(tǒng)反應(yīng)速度來決定。這樣不僅可避免突發(fā)噪聲(如咳嗽、桌椅挪動(dòng)等)造成系統(tǒng)的誤判，還可防止語音采樣信號(hào)不充分(采樣信號(hào)中存在無語音段)而造成的誤差。

5.采集聲音信號(hào)數(shù)據(jù)的保存與播放

通過添加合適的數(shù)據(jù)采集子VI，可以把采集的波形數(shù)據(jù)保存為wav文件，當(dāng)然也可以保存為txt文本文件，文本文件中每一通道的數(shù)據(jù)保存為一列，若四通道同步采集的話，采集的數(shù)據(jù)保存為四列，每一列分別對(duì)應(yīng)每一個(gè)通道。這樣我們?cè)诤笃诘柠溈孙L(fēng)陣列的聲音定位算法中就可以很方便的使用我們保存的數(shù)據(jù)。

利用LabVIEW還可以設(shè)計(jì)一個(gè)聲音播放器VI，通過此VI可以把我們采集系統(tǒng)采集的波形數(shù)據(jù)播放出來，以便于我們?cè)嚶犉渎曇魯?shù)據(jù)采集效果。下圖5是聲音播放器的后面板設(shè)計(jì)。利用此VI，只需將采集的聲音信號(hào)數(shù)據(jù)TXT文本文件與WAV文件添加到圖示聲音信號(hào)播放VI中的位置，點(diǎn)擊播放按鈕即可回放采集的聲音信號(hào)。

6.結(jié)論

我們利用Labview設(shè)計(jì)的語音采集系統(tǒng)較傳統(tǒng)信號(hào)采集手段均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅能多通道同步采集信號(hào)，而且配合NI公司的采集卡能進(jìn)行實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的分析和處理，其系統(tǒng)響應(yīng)速度和系統(tǒng)誤差也能達(dá)到工程應(yīng)用的要求，為以后工程項(xiàng)目的研究和設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)．

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1本文受北京市教育委員會(huì)科技發(fā)展項(xiàng)目（基于MIMO的麥克風(fēng)陣列語音增強(qiáng)技術(shù)研究，項(xiàng)目編號(hào)：KM201010772005）支持。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文