项目设计-报告(共13页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上项目设计报告基于NI myDAQ的音频信号处理摘 要本项目设计介绍了如何通过myDAQ完成一个在线音效处理系统，要求先运用myDAQ采集一个外部音源信号（如MP3的音频输出），接着在LabVIEW中对信号进行相应的分析处理（数字信号处理），最后再通过myDAQ的音频输出口将处理之后的信号进行D/A转换输出，可以用小型音响或者耳机听到处理后的信号。（1）通过函数控件分析其频率谱线，并采用不同频段的带通滤波器对采集信号进行过滤，施加不同的可调节加权因子，再对过滤信号进行合成，以实现一个频域均衡器。（2）通过对采集到的音频进行声道分离，并进行处理，可以消除音乐的人声，以达到

2、实现伴奏提取播放的目的。（3）对采集信号进行叠加几种常见噪声进行干扰，再进行信号去噪声，以完成对音频信号的处理。目 录1. 绪论NI myDAQ是美国国家仪器有限公司(National Instruments，简称NI)推出的一个便携式教学设备，与LabVIEW相结合使用，可以为模拟电路、信号与系统、信号处理等工程科学课程提供一个基于动手实践的学习解决方案。通过LabVIEW与myDAQ的相结合使用即可方便快捷的对采集信号进行时域和频域的处理。图1 NI myDAQ本项目设计基于myDAQ数据采集卡和LabVIEW实现一个在线实时音效处理系统，锻炼学生的自主动手能力，并在过程中使其熟悉如何利用

3、LabVIEW控制myDAQ完成信号采集、分析处理以及信号生成。主要通过DAQ助手控制myDAQ采集信号。图2 DAQ助手并对信号进行滤波，叠加等处理以实现相关功能。图3 配置滤波器最后通过频谱分析得出结果，并通过扬声器（或耳机）输出音频信号。图4 配置频谱测量数字音乐不仅方便了大众对于音乐的追求，也大大加速了音乐的推广。通过对音乐音频信号的处理，设计出一个简单的频域均衡器，可以分别调节各种频率成分，让用户更加方便的根据自己的听音习惯对音乐进行调整，以补偿和修饰各种音源。设计提取伴奏播放的功能，滤除音乐中的人声，方便制作类卡拉OK的伴唱带音频。并过滤噪声的干扰。2. 设计内容及原理2.1硬件设

4、备及环境硬件设备及连接：将NI myDAQ采集卡通过USB数据线连接电脑，并将其设置为Dev1，以便在LabVIEW中使用。采集卡AUDIO IN口用音频对录线连接外置MP3，将MP3中的音频信号输入采集卡中。AUDIO OUT口连接小型扬声器（或立体声耳机）播放经过处理的音频信号。设计环境及相关软件：windows 7操作系统，NI MAX，NI LabVIEW 2013。2.2设计功能原理（1）频率均衡器均衡器（Equalizer），是一种可以分别调节各种成分电信号放大量的电子设备，通过对各种不同频率的电信号的调节来补偿和声场的缺陷，补偿和修饰各种声源及其它特殊作用。均衡器的主要作用是调整

5、各频段信号的增益值。常用的频段划分有：极低频：040Hz，能通过控制低音鼓、管风琴和贝司的表现使音乐强而有力，但过度提升会使音乐混浊。低频：40Hz150Hz，是声音的基础组成部分，能量强大。低音的得宜，使声音丰满柔和，不足时声音单薄。中低频：150Hz500Hz，人声位于该位置，适当提升会使人声更为浑厚，力度感充足。不足时，人声将被背景音乐淹没而柔软无力。过度提升会使低音变得生硬。中频：500Hz2KHz，包含大多数的低次谐波和泛音，是打击乐器的特征音。适当时声音透彻明亮，不足时声音朦胧。中高频：2KHz5KHz，是弦乐的特征音。不足时声音的穿透力下降，过强时会掩蔽语言音节的识别。高频：5K

6、Hz8KHz，是影响声音层次感的频率。过度提升会使语言的齿音加重和音色发毛。极高频：8KHz20KHz，三角铁的金属感通透率高，沙钟的节奏清晰可辨。过度提升会使声音不自然，易烧毁高频单元。（2）伴奏录音棚录制音乐时，通常都是采取以下的方式：先将人声录制到一个单声道的音轨当中，在将这个音轨插入到立体声的歌曲伴奏中，这样便形成了一首完整的歌曲。在混编录音的时候，我们通常人声的轨迹平均混合到歌曲伴奏中，也就是说，人声的声波波形在歌曲的两个声道是相同或者相似的，因此，我们可以采取两个声道相减的办法来消除立体声歌曲中的人声。在人声无法达到的频率范围中，可以将其通过滤波的方式滤出，不进行声道的相减过滤人声

7、，仅在人声通带内进行人声的消除处理。人声的通带为200Hz-12kHz，新左声道=左声道-右声道，新右声道=右声道-左声道。（3）加噪去噪噪声指的是音高和音强变化混乱、听起来不谐和的声音。是由发音体不规则的振动产生的。从的角度来看：噪声是做无规则振动时发出的声音。高斯白噪声中的高斯是指概率分布是正态函数，而白噪声是指它的二阶矩不相关，一阶矩为常数，是指先后信号在时间上的相关性。和散粒噪声是白噪声。在通信系统中，高斯白噪声十分常见，也对系统造成很大影响。将噪声信号与原始信号叠加，通过左右声道相减操作，能滤除噪声，但会使人声信号部分消失，再进行人声补偿。信噪比，即SNR（Signal to Noi

8、se Ratio）。狭义来讲是指的输出的功率与同时输出的功率的比，常常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。通过观察信噪比变化，可以直观的看出去噪的效果。3. LabVIEW设计功能3.1LabVIEW程序框图原理及实现（1）频率均衡器：在LabVIEW中通过DAQ助手，采集音频信号。左右声道分别输入Dev1/audioInputLeft和Dev1/audioInputRight。电压信号输入范围为-2V2V。接线端配置为RSE。采集模式为连续采集，待读取采样为20k，采样率为100kHz。提高采样率可以有效地减少噪声，但会引起程序缓存大小不足等问题。将采集的音频信号分别通过7个

9、2阶Butterworth滤波器过滤，分为7个频段。因Butterworth滤波器特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，起伏小，在通带内对原来音乐的损伤小，2阶Butterworth即可以满足要求。7个频段为极低频0Hz40Hz，低频40Hz150Hz，中低频150Hz500Hz，中频500Hz2kHz，中高频2kHz5kHz，高频5kHz8kHz，极高频8kHz以上。将各频段音频乘以可调节的加权因子控件，并进行信号叠加合成，对其输出并进行频谱测量显示。输出DAQ助手设置，左右声道分别输出Dev1/audioOutputLeft和Dev1/audioOutputRight。电压信号输出范围

10、为-2V2V。接线端配置。生成模式为连续采样，待写入采样100，采样率44.1kHz。图5 “频率均衡器”程序框图（2）伴奏：将采集的音频信号通过3个10阶Chebyshev滤波器。因高阶Chebyshev滤波器的传递函数在过渡带比Butterworth衰减快，和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，最大可能的减少滤波器自身不足所产生的漏音现象。低通Chebyshev滤波器0Hz200Hz，高通Chebyshev滤波器12kHz以上。在这两个频段内没有人声。带通Chebyshev滤波器200Hz-12kHz，该频段内有人声。将其进行声道分离，成为两路信号，左声道和右声道。在进行声道相减去人声

11、处理，新左声道=左声道-右声道，新右声道=右声道-左声道。将以上三个频段的信号进行叠加合成，对12kHz以上的高频信号进行补偿，加权因子为1.3，对200Hz以下的低频信号进行补偿，加权因子为1.5。对其输出并进行频谱测量显示。图6 “伴奏”程序框图（3）加噪去噪：设计三种噪声信号发生器，分别为10kHz的高频锯齿信号，60Hz的低频正弦波信号，全频带的高斯白噪声信号。在对其进行控制输出叠加到原有的音频信号中。对混有噪声的信号进行声道分离，左右声道相减，因噪声在左右声道中相同，故可以滤除噪声。但是人声区域中，声道相减使得部分人声被滤除。所以要对人声进行补偿。将原信号通过一个带通的Butterw

12、orth滤波器，滤出300Hz-5kHz的人声信号，再进行叠加控制输出。根据信噪比公式，信噪比=输出的功率/同时输出的功率，计算信噪比并直观显示去噪效果。图7 “加噪去噪”程序框图3.2前面板的设计（1）频率均衡器频率均衡器的前面板中，一个总音量的控制滑块以及七个不同频段的滑块调节，可根据用户的音乐喜好调整各频段的加权因子，以改补偿和修饰音源。频谱仪所显示的横坐标为频率的对数值，便于更好地观察各频段的曲线起伏。左右声道的曲线颜色不同，可以观察左右声道音频的区别。图8 “频率均衡器”前面板（2）伴奏通过伴奏开关可以控制伴奏的提取，音量滑块控制音量大小（默认为0.5）。图9 “伴奏”前面板（3）加

13、噪去噪通过控制按钮，可以叠加不同种的噪声。叠加噪声后可对噪声进行消除，并可以通过数字显示窗口，看到信噪比的变化。图10 “加噪去噪”前面板4. 设计功能不足分析4.1频率均衡器对音质损伤在均衡器的程序框图中采用的是2阶Butterworth滤波器，其特点是内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。因此该频率均衡器能保证通频带内的音质最大化无损。但在某些频点（40Hz，150Hz，500Hz，2kHz，5kHz，8kHz）附近，会造成一定的音质损失。若直接提高滤波器阶数，能将影响的频段缩小，但对于上述频点的影响将更大，使得声场变小，声音的包围感不充足。在实验的过程中，2阶

14、Butterworth能较为完善的处理该问题，但仍会对音乐造成损伤。图11 “频率均衡器”测试结果4.2伴奏的歌曲低频损失和漏音现象对两个声道进行相减处理，会损失原有歌曲中的低频，低频指的是200Hz400Hz。通常歌曲的低频部分有贝斯和低音鼓组成，如果贝斯和鼓的低频部分在左右声道波形基本相同时，伴奏提取过程中难免会损失原有的低频效果，所以应该对低频进行一定的补偿。但该方法无法避免歌曲的品质下降问题。在伴奏的程序框图中采用的是10阶Chebyshev滤波器，其特点是在过渡带比的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅

15、度波动。选用Chebyshev滤波器的原因是其在过渡带衰减快，会减少人声漏音的现象，但在通频带中会影响原有的音乐品质。部分低成本歌曲没有对伴奏进行混编，使得伴奏和人声均位于声场的正中间，即左右声道完全一致，则该方法无法提取伴奏。另一种情况，伴奏和人声都进行混编，使得伴奏和人声在左右声道的表现完全不同，这种情况常出现在欧美的高成本音乐中，以及电影音频中，则无法完全提取伴奏，伴奏中会有人声漏音的现象。此外滤波器的不理想也会造成人声的漏音现象，但通过提高滤波器的阶数能减少漏音对于伴奏提取的影响。4.3高斯白噪声去噪不理想在叠加的三种噪声中，其中10kHz的高频锯齿波信号和60Hz的低频正弦波信号均不

16、在人声的频带范围中，所以对噪声的滤除情况较好，但是通过此方法对原有音乐有很大损伤，高频和低频范围内因声道相减的操作，左右声道中相同的音频伴随着噪声一同被剔除。图12 去噪开关关闭时，叠加正弦波锯齿波图13 去噪开关打开时，叠加正弦波锯齿波可以明显看出信噪比从-27dB提高到了78dB，去噪开关打开后扬声器中基本无法听到噪声的干扰，去噪效果明显。但全频带的高斯白噪声信号通过此方法滤除效果不佳，虽然噪声减少，但是在人声频带范围中无法滤除，人声会被高斯白噪声所干扰，若提高噪声的音量，甚至人声会被湮没在噪声之中。图14 去噪开关关闭时，叠加高斯白噪声图15 去噪开关打开时，叠加高斯白噪声从结果中可以看

17、出信噪比从-37dB提高到了13dB，效果不佳，扬声器中虽然噪声明显减少，但还是对原有的音频信号产生了很大影响。一些常见的改进算法：谱减法：即在频域将带噪语音的功率谱减去噪声的功率谱，得到语音的功率谱估计，开方后就得到语音幅度估计，将其相位恢复后再采用逆傅立叶变换恢复时域信号。考虑到人耳对相位的感觉不灵敏，相位恢复时所采用的相位是带噪语音的相位信息。同步叠加平均去噪法：周期信号经过m 次同步叠加后, 信噪比提高为原来的m 倍。因此, 周期性信号或可重复性信号经过多次取样积累后, 其信噪比有所提高, 积累次数越多, 信噪比改善越好。小波去噪算法：将信号映射到小波域，根据噪声和噪声的小波系数在不同

18、尺度上具有不同的性质和机理，对含噪信号的小波系数进行处理。实质是减少剔除噪声产生的小波系数，最大限度的保留真实信号的系数。5. 项目设计总结在此次的项目设计过程中，充分的调动了我前三年所学习的知识，也从对labview软件的不熟悉到能独立完成一个项目，其中不仅有自己的努力和老师的支持，也有网络上许多不知道姓名的labview爱好者的帮助。本次项目设计项目，我完成了这个简单音频处理项目，运用了各类硬件软件，对该项目进行扩展。但是我的项目程序仍然存在一些不足之处，比如偶有出现缓存区不足情况、无法保证对各种歌曲的伴奏提取效果，噪声滤除不彻底等，也是日后能够继续改进的方向。在这次项目设计的撰写过程中，

19、我得到了许多人的帮助。首先我要感谢王霞在项目设计上给予我们的指导、提供给我们的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我们解决了许多技术上的难题，让我们能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。 其次，要感谢帮助过我的同学，他们也为我们解决了不少我信号系统，数字信号处理方面的基础问题。同时也感谢网络上的朋友，对于陌生人的提问能尽心尽力提供给我帮助。最后感谢作为第一届尝试项目设计的学生，我感到十分荣幸，项目设计使我们能总结学过的知识，发现自己的不足，给我的大学生活多了一份姿彩。6. 参考文献1 罗天理，朱实悦，余迪. 基于myDAQ进行实际的音频信号处理项目研究论文R.上海：上海交通大学电子信息与电气工程学院，2012：1-11.2 韩萍，康健. 基于LabVlEW的信号处理技术应用演示及实验系统设计J. 实验技术与管理，2010，27（7）：1-5.3 杨智，袁媛，贾延江.虚拟仪器教学实验简明教程：基于LabVIEW的NI ELVISM.北京：北京航空航天大学出版社，2008.3 4 李优，林煜明，黄德根. 模拟语音信号的加噪去噪实验研究J. 仪器仪表学报，2006，27（6）：1-2.5 黄彦君有噪声信号的提取与分析北京：北京邮电大学，2012.专心-专注-专业