基于LabVIEW的語音解密實驗系統(tǒng)設(shè)計

李偉聰， 陳敏， 劉穎君， 鄺禹聰（華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院,廣州510800）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，數(shù)字信號處理被應(yīng)用到各行各業(yè)，同時高校開設(shè)的數(shù)字信號課堂要求也在不斷提高，但傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理實驗通常只能數(shù)據(jù)處理前后的頻譜圖，不能將數(shù)據(jù)用便于理解的方式展現(xiàn)出來，而且不能根據(jù)現(xiàn)實需求，快速地增加其他功能，使用過程中存在一定的局限性。通訊技術(shù)快速發(fā)展，微信、QQ等社交軟件得到了廣泛的使用，其中語音聊天功能更是受到了好評，語音的加密與解密成為語音聊天的關(guān)注點。因此，將傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理和日常中使用的語音解密結(jié)合，形成一套便于學(xué)生理解數(shù)字信號處理的實驗系統(tǒng)。

近年來，隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展和普及，越來越多人使用美國儀器公司的LabVIEW軟件。LabVIEW軟件以開發(fā)速度快，程序包容性強等特點深受用戶的喜愛[1]。本設(shè)計是基于LabVIEW生產(chǎn)——消費者模式的語音解密實驗系統(tǒng)設(shè)計，運用LabVIEW軟件快速開發(fā)一套操作簡單、理解深刻的語音解密實驗系統(tǒng)。預(yù)計本系統(tǒng)可應(yīng)用于學(xué)校、研究院所等學(xué)習(xí)機構(gòu)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是基于LabVIEW的語音解密實驗系統(tǒng)，對已經(jīng)加密的語音進(jìn)行頻譜分析，并且將數(shù)據(jù)發(fā)送至語音解密實驗系統(tǒng)的UI界面。并且采用事件生產(chǎn)——消費者結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)人機交互模式的設(shè)計[2]。同時增強系統(tǒng)的擴展性，降低系統(tǒng)的耦合程度，為系統(tǒng)添加、修改、刪減功能提供可靠的結(jié)構(gòu)保障。

消費者系統(tǒng)由解密實驗和實驗原理兩部分組成，解密實驗主要由經(jīng)典濾波器和音頻信號的頻譜分析組成。實驗原理主要由信號發(fā)生器、噪聲發(fā)生器和經(jīng)典濾波器組成。所生成的信號可以通過音頻模塊，將電信號轉(zhuǎn)換為音頻信號播放出來，從而將數(shù)字信號處理結(jié)果清晰地展現(xiàn)出來。

語音解密的UI界面將數(shù)據(jù)以頻譜圖的形式展現(xiàn)，通過對比加密前后頻譜的差異，選用A到H組的濾波器對己加密的語音信號進(jìn)行濾波處理，濾波后新的數(shù)據(jù)會更新至濾波后的頻譜圖，UI界面上A到H組的濾波器和對應(yīng)的數(shù)據(jù)并生成報表。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于C和C#的開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G語言編寫程序。傳統(tǒng)的文本編程語言根據(jù)指令的先后順序決定程序的執(zhí)行順序，在LabVIEW編程中則是采用數(shù)據(jù)流的方式來傳輸數(shù)據(jù)[3]。為程序的并行運行提供可靠的語言基礎(chǔ)。LabVIEW編程中存在3種范式（面向過程、面向事件、面向?qū)ο螅?種基礎(chǔ)模式（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機、消息隊列、生產(chǎn)-消費者（事件）、生產(chǎn)-消費者（數(shù)據(jù)）、用戶界面事件處理、主/從結(jié)構(gòu)），采用合理的編程模式會減小CPU的占用和提高程序的擴展性和穩(wěn)定性。同時，LabVIEW提供多種外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，實現(xiàn)用戶界面的快速開發(fā)[4]。

1）實驗系統(tǒng)模式。語音解密實驗需要運算8個IIR無限脈沖響應(yīng)濾波器、加密前后的音頻信號進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）需要占用大量的CPU資源，選擇合適的范式和模式有利于提高實驗系統(tǒng)運算速度。如果采用傳統(tǒng)的循環(huán)或局部變量模式，會導(dǎo)致運算過程中卡頓或數(shù)據(jù)丟失，對實驗結(jié)果造成影響。通過采用生產(chǎn)-消費者模式（事件）能夠提高實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不卡頓丟失運算，達(dá)到運算結(jié)果能準(zhǔn)確地以聲音的形式輸出。

2）生產(chǎn)-消費者模式（事件）。本語音解密實驗系統(tǒng)采用的生產(chǎn)-消費者模式為3個while循環(huán)組成的并行結(jié)構(gòu)，由一個生產(chǎn)者向2個消費者發(fā)送包含命令和數(shù)據(jù)的簇，并且指令簇以隊列的形式發(fā)送，保證指令簇按順序不丟失地發(fā)送給消費者。消費者循環(huán)設(shè)置出隊列的超時毫秒設(shè)置為-1 ms，在沒有接送到來自生產(chǎn)者循環(huán)的命令前，處于超時狀態(tài)減少語音解密系統(tǒng)對CPU的占用率。生產(chǎn)者采用用戶事件結(jié)構(gòu)，從事件超時設(shè)置為-1，在沒有與用戶交互的狀態(tài)下，語音解密系統(tǒng)處于超時。利用事件結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)節(jié)點，獲取與用戶交互的命令和數(shù)據(jù)寫入指令簇中[5]。指令簇分別進(jìn)入不同的隊列中等待消費者進(jìn)行運算。解密實驗消費者和實驗原理消費者接收處理數(shù)據(jù)互不干擾，實現(xiàn)實驗系統(tǒng)的高效穩(wěn)定的運行。

1.3 解密實驗

語音解密系統(tǒng)解密部分將已經(jīng)加密的通用數(shù)字音頻文件進(jìn)行數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)換后的模擬加密信號快速傅里葉變換，并且以頻譜圖的形式展示出來，通過選用A~H組濾波器和調(diào)節(jié)濾波器的高、低截止頻率，對音頻信號進(jìn)行濾波處理，處理后的數(shù)據(jù)在濾波后頻譜圖上顯示，并且可以使用聲音播放的形式來判斷信號的還原程度，最后將解密實驗系統(tǒng)的UI界面上的數(shù)據(jù)導(dǎo)入word報表，生成語音解密實驗的實驗報告。實驗語音解密主要分為頻譜分析和經(jīng)典濾波器。

與傳統(tǒng)的示波器界面設(shè)計不同，語音解密實驗系統(tǒng)的UI界面采用LabVIEW提供的波形圖[6]，用戶通過鼠標(biāo)點擊拖拽等操作可以對頻譜圖的縱坐標(biāo)（幅值）、橫坐標(biāo)（頻率）進(jìn)行放大,或者通過修改縱橫坐標(biāo)上的數(shù)值對波形圖上的波形進(jìn)行縮放。

圖1 解密實驗操作界面

1）語音加密。語音加密模塊獲取PC上的通用數(shù)字音頻文件（.wav），并且將量化的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換，將信號恢復(fù)成原來的模擬音頻信號。根據(jù)人說話的聲音的頻率為30 Hz~3 kHz，人耳能感受到的音頻信號頻率為20 Hz~20 kHz，使用信號方式模塊分別模擬不同頻率，幅值相同的正弦信號，并且與模擬音頻信號合成，實現(xiàn)對原有音頻信號的低頻段（30~150 Hz）、中低頻段（150~500 Hz）、中高頻段（50~5000 Hz）、高頻段（5000~20000 Hz）進(jìn)行覆蓋和干擾，最終達(dá)到音頻信號的加密效果[7]。加密后獲取的模擬音頻信號進(jìn)行量化和編碼后，重新儲存PC上的通用數(shù)字音頻文件（.wav）上，形成加密后的聲音文件。

2）頻譜分析。語音解密實驗系統(tǒng)自動檢索并加載PC上指定位置的加密通用數(shù)字音頻文件。讀取文件的數(shù)字音頻信息并轉(zhuǎn)換為模擬加密音頻信號。頻譜分析采用快速傅里葉變換（FFT），快速傅里葉變換（FFT）是離散傅里葉變換（DFT）的快速計算方法。傅里葉變換是將信號的時域轉(zhuǎn)換為頻域的表達(dá)方法。離散傅里葉變換和離散傅里葉逆變換，如下式：

頻譜分析模塊對已經(jīng)完成加密的音頻信號上使用Hanning窗，進(jìn)行快速傅里葉變換頻域分析，測量結(jié)果以峰值的形式展示，并且使用頻譜圖的形式將數(shù)據(jù)展示出來。

LabVIEW2015中為我們提供了十分便利的函數(shù)完成頻譜分析，在LabVIEW的Express函數(shù)入口中選擇信號分析模塊[10]，在信號分析模塊中我們采用頻譜測量。進(jìn)入頻譜測量中可以完成上述Hanning窗和測量結(jié)果以峰值表示的設(shè)置，實現(xiàn)了測量模塊的快速開發(fā)和便捷的配置方式，使得頻譜分析模塊具有良好的擴展性。

3）濾波器。語音解密實驗系統(tǒng)采用IIR無限脈沖響應(yīng)濾波器[11]，主要分為高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器[12]：a.高通濾波器。允許高于高截止頻率的信號通過，減弱低于高截止頻率通過。b.低通濾波器。允許低于低截止頻率的信號通過，減弱高于高截止頻率通過。c.帶通濾波器。允許一定頻率范圍的信號通過，減弱低于低截止頻率和高于高截止頻率的信號通過。d.帶阻濾波器。減弱一定頻率范圍的信號，但是允許低于低截止頻率和高于高截止頻率的信號通過[13]。語音解密系統(tǒng)UI界面提供了8個IIR無限脈沖響應(yīng)濾波器選用口，選用8個IIR無限脈沖響應(yīng)濾波器分別設(shè)置高截止頻率、低截止頻率對音頻信號進(jìn)行濾波處理，實現(xiàn)音頻信號不失真處理，達(dá)到輸出音頻信號清晰可靠。用戶根據(jù)對比加密前后頻域圖的差異，選用不同的濾波器，并輸入低截止頻率和高截止頻率完成濾波處理。濾波器的設(shè)計如圖2所示。

圖2 濾波器的設(shè)計

1.4 信號發(fā)生

音頻信號是帶有語音、音樂等有規(guī)律的聲波信號，是一種連續(xù)變化的模擬信號，具有頻率和幅值2個基本參數(shù)，頻率決定聲音的音調(diào)高低、幅值決定聲音的響度大小。音頻頻率范圍分為低頻段、中低頻段、中高頻段、高頻段，根據(jù)音頻頻率的頻段不同，聲音能表達(dá)出有力、厚實、清晰、明亮等效果。

信號發(fā)生模塊通過計算機生成連續(xù)的正弦信號、余弦信號、方波信號的等連續(xù)變化的模擬信號[14]，模擬信號設(shè)置采樣信息：每秒采樣率、波形的采樣數(shù)控制模擬信號的長短。計算方法如下式（正弦信號）：

式中：a為幅值；n為采樣數(shù)；f為頻率；Fs為每秒采樣率。

信號發(fā)生模塊采用每秒采樣率為22 050 Hz、采樣數(shù)為60 000，實現(xiàn)模擬信號能夠清晰簡短地通過語音播放模塊以聲音形式的播放出來。

信號發(fā)生模塊提供音頻信號合成功能，用戶選擇低頻段和中低頻段作為聲音的基頻信號，選用中高頻段和高頻段的作為聲音的輔音信號，通過基頻信號和輔音信號的合成，實現(xiàn)信號發(fā)生的多樣性。信號發(fā)生模塊如圖3所示。

圖3 信號發(fā)生模塊

1.5 模塊的擴展性設(shè)計

隨著語音解密實驗系統(tǒng)應(yīng)用于不同的教學(xué)環(huán)境中和根據(jù)用戶使用反饋，濾波器模塊和信號發(fā)生模塊的功能會隨時增加或者減少。采用傳統(tǒng)的面向過程編程會給程序增加新功能帶來極大的不便。因此，本語音解密實驗系統(tǒng)對濾波器、信號發(fā)生采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞剑üS模式）[15]，首先分別創(chuàng)建濾波器、信號發(fā)生模塊的父類，父類里分別包含濾波器、信號發(fā)生器的通用特征。通過繼承子類，并增加工廠模式的子類，便可實現(xiàn)濾波器、信號發(fā)生模塊功能的增加，并且不會對原來的系統(tǒng)造成影響，最終達(dá)到語音解密實驗系統(tǒng)快速擴展和便捷維護(hù)。

1.6 語音播放

本語音解密實驗系統(tǒng)采用的聲音格式為wav格式，wav格式是Windows下通用數(shù)字音頻文件標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)格式為2進(jìn)制，編碼方式為PCM（脈沖編碼調(diào)制）。通常使用量化位數(shù)、采樣頻率和采樣點振幅表示聲音，采樣率范圍為8~48 kHz，采樣標(biāo)準(zhǔn)為44.1、22.05、11.025 kHz，量化等級有8位、16位、24位。語音播放模塊采用采樣頻率為22 050 Hz、量化等級為16位、通道數(shù)為2。

語音播放功能通過語音播放模塊將加密后的音頻信號、信號發(fā)生模塊、輔音、噪聲模擬模塊產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換為聲音播放。與傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理實驗相比，本實驗系統(tǒng)將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)圖表信號轉(zhuǎn)變成易于理解的聲音信息。

1.7 報表生成

傳統(tǒng)實驗的實驗數(shù)據(jù)用筆和紙記錄，效率不高又容易出現(xiàn)錯誤。本語音解密實驗系統(tǒng)采用的是語音解密實驗后的數(shù)據(jù)通過報表模塊生成word報表。報表模塊通過引用聲音濾波后波形圖、聲音濾波前波形圖的屬性，即獲取波形圖里的數(shù)據(jù)和外觀，并將其轉(zhuǎn)換為圖片的格式插入Word報表上。報表上有A~H組IIR無限脈沖響應(yīng)濾波器的選用情況、高、低頻截止頻率參數(shù)，聲音濾波前、后的頻域圖。報表模塊如圖4所示。

圖4 報表模塊

2 結(jié)語

本語音解密實驗系統(tǒng)在數(shù)字信號處理課堂實驗方面有廣泛的應(yīng)用，并且具有很強的可拓展性，可根據(jù)使用過程中的實際實驗需求，快速添加實驗所需的功能。本語音解密實驗系統(tǒng)用圖像化的表現(xiàn)方式加深了學(xué)生對數(shù)字信號處理的理解，用與實際生活緊密相關(guān)的實驗內(nèi)容提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。