LabVIEW陣列語音處理系統實驗平臺設計

周城旭, 王冬霞, 呂 義, 張東旭

(遼寧工業大學 電子與信息工程學院， 教務處,遼寧 錦州 121000)

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LabVIEW陣列語音處理系統實驗平臺設計

周城旭, 王冬霞, 呂 義, 張東旭

(遼寧工業大學 電子與信息工程學院， 教務處,遼寧 錦州 121000)

介紹了基于LabVIEW麥克風陣列語音處理系統實驗平臺的設計。該平臺LabVIEW的前面板采用模塊化設計，包括語音采集模塊、語音分析模塊和語音增強模塊三部分。采集模塊利用PXI設備對語音源信號進行陣列同步實時采集；分析模塊對采集到的語音信號進行語音特征分析，前面板還設置幀長和幀間重疊數等參數調節模塊；增強模塊采用陣列波束形成算法對采集模塊采集到的語音信號進行增強處理。該模塊采用LabVIEW與Matlab相結合，即利用LabVIEW前面板調用陣列波束形成Matlab程序包來完成，陣列波束形成算法也可以自行修改。計算機仿真實驗結果驗證了該實驗平臺的有效性。

LabVIEW； 語音處理實驗平臺； 麥克風陣列； Matlab

0 引 言

語音信號處理這門學科之所以能夠長期深深地吸引廣大科學工作者不斷對其進行研究和探討，除了它的實用性之外，另一個重要原因是，它始終與當時信息科學中最活躍的前沿科學保持密切聯系，并且一起發展[1]。語音信號處理是以語音語言學和數字信號處理為基礎而形成的一門涉及面很廣的綜合性學科，與心理·生理學、計算機科學、通信與信息科學以及模式識別和人工智能等學科都有著非常密切的關系[1]。

由于背景噪聲的非平穩性，利用單個麥克風進行語音增強已經越來越無法滿足實際的需求。近些年，麥克風陣列被廣泛的應用于語音信號處理中。麥克風陣列提供方向性指向，濾除其它方向的背景噪聲，接收某一方向上的期望信號[2]。而麥克風陣列指向性通過波束形成算法來實現，波束形成算法有很多，主要分為固定波束形成和自適應波束形成兩類[3]。

仿真平臺設計如果單純采用Matlab語言編程實現，其界面功能有很大的局限性[4]。而僅利用LabVIEW語言，編程復雜，開發周期長[5]。本文以Matlab為編程工具，通過LabVIEW調用Matlab程序包進行控制。Matlab與LabVIEW結合在一起構建成“陣列語音處理系統實驗平臺”，該平臺采用模塊化設計，實現語音信號的采集、分析和語音增強，如圖1所示。語音信號的采集模塊是通過NI公司PXI設備進行聲音信號的實時采集，用于語音信號增強處理的源信號。原始信號分析模塊可以對要處理的語音信號進行分析，包括時域分析、語音信號短時能量和短時過零率等。語音增強模塊可以對麥克風陣列多路語音信號采用多種波束形成算法進行增強處理。通過該實驗平臺對麥克風語音信號進行采集、分析和增強的仿真。

圖1 模塊化設計結構圖

1 語音信號采集模塊

數據采集是LabVIEW的核心技術之一，也是LabVIEW與其他編程語音相比的優勢所在，甚至可以認為，數據采集是LabVIEW最大的功能[6]。利用NI公司的PXI設備進行語音信號的實時采集，PXI設備是1997年NI公司發布的專為工業數據采集與儀器儀表測量應用領域而設計的模塊化儀器自動測試平臺[7]。它以其高的性價比，得到了廣泛的使用。PXI設備可以直接連接到PC機上，并且可以隨意擴展I/O模塊，它因為構架的開放性、靈活性和PC機技術的成熟性，為數據采集領域帶來了新的變革。

PXI設備主要由機箱、采集模塊和系統控制器組成，如圖2所示。

圖2 NI PXIe-1071采集設備

機箱是整個系統模塊化的封裝結構，根據槽位的不同分為4～18槽不等，本文采用4槽機箱。每個槽位可以同時采集8通道的語音信號，稱作采集模塊，該采集模塊可允許32通道語音信號同時間實時采集。

PXI采集設備分為存儲采集和實時采集兩種形式。存儲采集是將采集到的信號保存為TDMS格式，這種文件格式是一種特定類型的二進制文件，專用于NI產品[8]。它實際上包含了兩個單獨的文件：數據屬性的XML文件和用于表示波形的二進制文件。LabVIEW的前面板如圖3所示，包括通道選擇、供電類型、采樣頻率和保存路徑等設置。

實時采集是PXI設備的最大優勢，可以對語音信號進行實時采集、實時處理。由于LabVIEW語音是通過數據流形式運行程序，所以可以高效率實時處理采集到的信號，避免了Matlab語言先存儲再處理，運算效率低的問題。實時采集的前面板包括通道選擇、采樣頻率和麥克風設置等參數，并且可以實時顯示所采集信號的時域能量和頻譜圖，如圖4所示。

2 語音信號分析模塊

2.1 短時能量

設語音波形時域信號為x(l)，加窗分幀處理后得到的第n幀語音信號為xn(m)，則xn(m)滿足下式：

1 (1)

(2)

式中：n=0,1T,2T,…；N為幀長；T為幀移長度。

由于語音信號的短時平穩性，所以需要對所接收到的信號進行分幀處理。在LabVIEW中，可以直接調用Matlab語句進行分幀處理，也可以直接利用數據流編程，如圖5所示。

Y為采集的語音信號，利用數組大小控件和幾個運算控件計算出幀數，然后用兩個while循環結構重新構建二維數組，行為幀數，列為幀長。反饋節點用于將子VI、函數或一組子VI和函數的輸出連接到同一個子VI、函數或組的輸入上，即創建反饋路徑，用于保

圖3 PXI設備存儲采集前面板

圖4 PXI設備實時采集前面板

圖5 語音信號分幀程序框圖

存VI或循環上一次的運行數據。利用反饋節點尋找每幀的起始位置。

設第n幀語音信號xn(m)的短時能量用En表示，則其計算式為:

(3)

En是一個度量語音信號幅度值變化的函數，可以區分濁音段與清音段，因為濁音時En值比清音時大[1]。

在LabVIEW中的短時能量還可以利用窗函數直接分幀計算，可以簡化其編程步驟，如圖6所示。語音信號不是實時采集，而是直接讀取.wav文件。首先在每個時間點進行平方處理，然后利用矩形窗函數進行卷積和運算，得到每個點的短時能量。

2.2 短時過零率

短時過零率表示一幀語音中語音信號波形穿過橫軸(零電平)的次數。對于連續語音信號，過零即意味著時域波形通過時間軸，而對于離散信號，如果相鄰的取樣值改變符號則稱為過零[9]。

定義語音信號xn(m)的短時過零率為:

(4)

式中:sgn[ ]為符號函數，即

圖6 短時能量程序框圖

(5)

利用短時平均過零率可以判斷清音段和濁音段，濁音時具有較低的過零率，而清音時具有較高的過零率。

在LabVIEW中，調用兩個for循環控件，和條件結構相結合，完成短時過零率的運算，程序框圖如圖7所示。

圖7 短時過零率程序框圖

3 語音增強模塊

延時求和波束形成：設等距線陣有M個陣元，入設信號為窄帶信號，這時陣列的輸出可表示為[13-15]:

(6)

如果采用矢量來表示各陣元輸出及加權系數，即:

(7)

那么，陣列的輸出也可以用矢量表示為:

(8)

為了在某一方向θ上補償各陣元之間的時延以形成一個主瓣，延時求和波束形成器在期望方向上的加權矢量可以構成為:

(9)

觀察此加權矢量，發現若空間只有一個來自方向θ的信號，其方向矢量a(θ)的表示形式與此權矢量相同。則有:

(10)

延時求和波束形成運算相對復雜，利用LabVIEW數據流形式直接處理運算時間較大，所以本文采用LabVIEW和Matlab混合編程的方法，既可以相互補充，又可以解決開發過程中界面設計、儀器連接和數值分析計算等問題，這樣會大大減少用戶的編程工作量，提高編程效率，可以快速開發功能強大的智能化虛擬儀器。在LabVIEW壞境中調用Matlab語言簡單可行，通過直接調用MathScript節點。MathScript節點是內建于LabVIEW的，可處理大多數在Matlab或兼容環境中創建的文本腳本，因此，用戶不需要安裝Matlab軟件也可以正常運行這些代碼，可以使用內建的600多個數學分析與信號處理函數。

4 計算機仿真與實驗結果

基于LabVIEW的麥克風陣列語音信號增強平臺共分為語音采集模塊、語音分析模塊和語音增強模塊三個部分。麥克風陣列具有8個陣元，陣元間距為1.5 cm，假設聲源信號為窄帶信號，傳播速度為340 m/s。

4.1 麥克風陣列語音信號采集模塊

本部分利用PXI設備實時采集的語音信號，在LabVIEW的前面板上顯示所采集到的多路語音信號，如圖8所示。采集模塊包括通道設置、陣元設置和程序控制等參數設置。通道設置包括通道的選擇、采樣頻率和窗函數的選取；陣元設置包括麥克風靈敏度、幅值和濾波器權值等參數的設置；程序控制包括錄制語音的播放和停止等。

圖8 語音信號采集模塊

4.2 語音信號分析模塊

通過計算信號短時能量和短時過零率幫助使用者直觀的感受語音信號的相關特性。該模塊可以分析PXI設備采集到的實時信號，也可以分析從本地硬盤中選取的音頻信號。本面板設置了幀長、幀間重疊長度等可調參數，如圖9所示。

圖9 語音信號分析模塊

從圖中可以看出，從75～430幀之間是語音信號，而且濁音時的能量遠高于清音時的能量。短時過量率則與短時能量相反，清音值比濁音值高出較多。這是由于發清音時，多數能量出現在較高頻率上。高頻就意味著高的平均過零率，低頻意味著低的過零率。當然，這種高低僅是相對而言，并沒有精確的數值關系。

4.3 語音信號增強模塊

增強模塊仿真運用延時求和波束形成算法，去除麥克風陣列采集到的背景噪聲，對加噪語音及去噪語音進行對比，通過固定波束形成，基本濾除了背景噪聲，如圖10所示。帶噪語音語音噪聲幅度值為0.1，增強后的語音信號噪聲幅值遠小于0.1。從兩圖對比中可以看出，輸入帶噪語音為多通道語音信號，輸出增強后語音信號為單通道語音信號。

圖10 語音信號增強模塊

實驗平臺的語音信號增強模塊中的波束形成方法選項可以根據不同的要求，改變陣列語音信號增強波束形成方法。本文實驗平臺包括延時求和波束形成、最小方差無失真響應(MVDR)波束形成器和廣義旁瓣相消器(GSC)。信噪比窗口顯示增強后的語音信號的信噪比，更直觀的比較增強效果。

5 結 語

基于LabVIEW構建麥克風陣列語音處理系統實驗平臺，解決了多通道語音信號實時采集和處理的問題。模塊化的設計理念，保證了平臺通過修改分析模塊和增強模塊中的參數和程序包，可以實現不同的陣列語音處理算法。

該實驗平臺不僅適用于實驗環境下的音頻信號采集，也適用于車載環境噪聲處理和舒適度分析。實踐表明，模塊化設計是該平臺的最大優勢，通過修改不同模塊和相應程序包，該平臺可以拓展到不同信號采集(電信號、圖像信號、人體生理信號等)和處理。不同專業和年級的學生可以使用該平臺完成相關實驗項目訓練。目前，利用該平臺，開設了數字信號處理、語音信號處理、LabVIEW與DAQ數據采集等多個實驗實訓項目。通過該實驗平臺的搭建，學生從被動應付實驗變成主動實驗，從簡單地驗證性實驗到設計型實驗，提高了基本操作技能和學習主動性、創新性[10]。

[1] 趙 力. 語音信號處理[M]. 北京：機械工程出版社，2010：37-38.

[2] Souden M, Kinoshita K, Delcroix M,etal. Distributedmicrophone array processing for speech source separation with classifierfusion[J]. Proc MLSP, 2012: 57-60.

[3] 王永良，丁前軍. 自適應陣列處理[M]. 北京：清華大學出版社，2009：13-14.

[4] 豈興明，田京京，夏 寧. LabVIEW入門與實戰開發100例[M]. 北京：電子工業出版社， 2011：2-3.

[5] 周 鵬，許 鋼. 精通LabVIEW信號處理[M]. 北京：清華大學出版社，2013：1-2.

[6] 龍華偉，顧永剛. LabVIEW 8.2.1與DAQ數據采集[M]. 北京：清華大學出版社，2013：22-23.

[7] 陳 圓. 基于PXI總線的虛擬儀器系統軟件設計與實現[M]. 武漢：武漢理工大學，2007：12-16.

[8] 吳湖青，李秀梅，孫晨林. 基于LabVIEW的信號處理虛擬實驗平臺[J]. 杭州師范大學學報，2014，13(6)：23-22.

[9] Sakanashi R, Ono N, Miyabe S,etal. Speechenhancement with ad-hoc microphone array using single source activity[J]. Proc. APSIPA, 2013：1-6.

[10] 張 瑋. 雙通道接收機實施空間譜估計測向的研究[D]. 西安：西安電子科技大學，2013.

[11] 馮玉昌，門 洪. 四旋翼飛行器多功能實驗平臺設計[J]. 實驗技術與管理，2015，32(4)：52-57.

[12] 王春民，安海忠，王豐貴. 基于VC和Simulink的電力電子仿真實驗平臺設計[J]. 吉林大學學報，2008，26(3)：1-4.

[13] Yuanliang Ma, Yixin Yang, Zhengyao He. Theoretical and Practical Solutions for High-order Superdirectivity of Circular Sensor Array[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(1): 203-209.

[14] Zhao Y, Liu W. Robust Fixed Frequency Invariant Beamformer Design Subject to Norm-Bounded Errors[J]. Signal Processing Letters, 2013, 20(2): 169-172.

[15] Xiuling Mo, Hong Jiang, Ranran Oin. Beamspace-Based DOA Estimation of UWB Signal Using FDFIB Algorithm[J]. Recent Advances in Computer Science and Information Engineering, 2012: 191-197.

Design of Experiment Platform for Speech Signal Processing System on Microphone Array Based on LabVIEW

ZHOUCheng-xu，WANGDong-xia,LüYi,ZHANGDong-xu

(Office of Academic Affairs, Electronic and Information Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121000, China)

The design of experiment platform for the processing system of speech signals on microphone array based on LabVIEW is realized in this paper. There are three parts that include multi-channel collection, analysis of characteristics of speech signals and speech enhancement on the platform of speech processing. The modular design is adopted for front panel on the platform of LabVIEW, it includes collection of speech signals module, analysis of speech signals module and speech enhancement module. On the acquisition module, the speech signals on the array are real-time acquisition using PXI device. On the analysis module, the characteristics of signals are analyzed. The parameters such as frame size and the number of frame overlapping are set on the front panel. On the enhancement module, the speech signals on microphone array are enhanced by delay-sum beamforming. The LabVIEW combined with MATLAB is adopted on this module, which is that LabVIEW calls the package of MATLAB for the array beamforming which is free to be changed. The computer simulation results verify the effectiveness of the experimental platform.

LabVIEW; experiment platform of speech processing; microphone array; Matlab

2015-11-19

遼寧省自然科學基金(201302022);遼寧省教育廳教學改革項目(UPR20140817);遼寧省研究生精品課建設項目

周城旭(1987-),女,遼寧錦州人,碩士,實驗師,研究方向為麥克風陣列語音處理的理論和應用。

Tel.:13464619988； E-mail:zhouchengxu@lnut.edu.cn

TN 912

A

1006-7167(2016)09-0138-06