項目設(shè)計 報告

1、項目設(shè)計報告基于NI myDAQ的音頻信號處理摘 要本項目設(shè)計介紹了如何通過myDAQ完成一個在線音效處理系統(tǒng)，要求先運用myDAQ采集一個外部音源信號（如MP3的音頻輸出），接著在LabVIEW中對信號進行相應(yīng)的分析處理（數(shù)字信號處理），最后再通過myDAQ的音頻輸出口將處理之后的信號進行D/A轉(zhuǎn)換輸出，可以用小型音響或者耳機聽到處理后的信號。（1）通過函數(shù)控件分析其頻率譜線，并采用不同頻段的帶通濾波器對采集信號進行過濾，施加不同的可調(diào)節(jié)加權(quán)因子，再對過濾信號進行合成，以實現(xiàn)一個頻域均衡器。（2）通過對采集到的音頻進行聲道分離，并進行處理，可以消除音樂的人聲，以達到實現(xiàn)伴奏提取播放的目的。（

2、3）對采集信號進行疊加幾種常見噪聲進行干擾，再進行信號去噪聲，以完成對音頻信號的處理。目 錄1.緒論32.設(shè)計內(nèi)容及原理52.1硬件設(shè)備及環(huán)境52.2設(shè)計功能原理53. LabVIEW設(shè)計功能63.1LabVIEW程序框圖原理及實現(xiàn)63.2前面板的設(shè)計84.設(shè)計功能不足分析94.1頻率均衡器對音質(zhì)損傷94.2伴奏的歌曲低頻損失和漏音現(xiàn)象104.3高斯白噪聲去噪不理想105.項目設(shè)計總結(jié)126.參考文獻131. 緒論NI myDAQ是美國國家儀器有限公司(National Instruments，簡稱NI)推出的一個便攜式教學(xué)設(shè)備，與LabVIEW相結(jié)合使用，可以為模擬電路、信號與系統(tǒng)、信號處理

3、等工程科學(xué)課程提供一個基于動手實踐的學(xué)習解決方案。通過LabVIEW與myDAQ的相結(jié)合使用即可方便快捷的對采集信號進行時域和頻域的處理。圖1 NI myDAQ本項目設(shè)計基于myDAQ數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW實現(xiàn)一個在線實時音效處理系統(tǒng)，鍛煉學(xué)生的自主動手能力，并在過程中使其熟悉如何利用LabVIEW控制myDAQ完成信號采集、分析處理以及信號生成。主要通過DAQ助手控制myDAQ采集信號。圖2 DAQ助手并對信號進行濾波，疊加等處理以實現(xiàn)相關(guān)功能。圖3 配置濾波器最后通過頻譜分析得出結(jié)果，并通過揚聲器（或耳機）輸出音頻信號。圖4 配置頻譜測量數(shù)字音樂不僅方便了大眾對于音樂的追求，也大大加速

4、了音樂的推廣。通過對音樂音頻信號的處理，設(shè)計出一個簡單的頻域均衡器，可以分別調(diào)節(jié)各種頻率成分，讓用戶更加方便的根據(jù)自己的聽音習慣對音樂進行調(diào)整，以補償和修飾各種音源。設(shè)計提取伴奏播放的功能，濾除音樂中的人聲，方便制作類卡拉OK的伴唱帶音頻。并過濾噪聲的干擾。2. 設(shè)計內(nèi)容及原理2.1硬件設(shè)備及環(huán)境硬件設(shè)備及連接：將NI myDAQ采集卡通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦，并將其設(shè)置為Dev1，以便在LabVIEW中使用。采集卡AUDIO IN口用音頻對錄線連接外置MP3，將MP3中的音頻信號輸入采集卡中。AUDIO OUT口連接小型揚聲器（或立體聲耳機）播放經(jīng)過處理的音頻信號。設(shè)計環(huán)境及相關(guān)軟件：win

5、dows 7操作系統(tǒng)，NI MAX，NI LabVIEW 2013。2.2設(shè)計功能原理（1）頻率均衡器均衡器（Equalizer），是一種可以分別調(diào)節(jié)各種頻率成分電信號放大量的電子設(shè)備，通過對各種不同頻率的電信號的調(diào)節(jié)來補償揚聲器和聲場的缺陷，補償和修飾各種聲源及其它特殊作用。均衡器的主要作用是調(diào)整各頻段信號的增益值。常用的頻段劃分有：極低頻：040Hz，能通過控制低音鼓、管風琴和貝司的表現(xiàn)使音樂強而有力，但過度提升會使音樂混濁。低頻：40Hz150Hz，是聲音的基礎(chǔ)組成部分，能量強大。低音的張弛得宜，使聲音豐滿柔和，不足時聲音單薄。中低頻：150Hz500Hz，人聲位于該位置，適當提升會使人

6、聲更為渾厚，力度感充足。不足時，人聲將被背景音樂淹沒而柔軟無力。過度提升會使低音變得生硬。中頻：500Hz2KHz，包含大多數(shù)樂器的低次諧波和泛音，是打擊樂器的特征音。適當時聲音透徹明亮，不足時聲音朦朧。中高頻：2KHz5KHz，是弦樂的特征音。不足時聲音的穿透力下降，過強時會掩蔽語言音節(jié)的識別。高頻：5KHz8KHz，是影響聲音層次感的頻率。過度提升會使語言的齒音加重和音色發(fā)毛。極高頻：8KHz20KHz，三角鐵的金屬感通透率高，沙鐘的節(jié)奏清晰可辨。過度提升會使聲音不自然，易燒毀高頻單元。（2）伴奏錄音棚錄制音樂時，通常都是采取以下的方式：先將人聲錄制到一個單聲道的音軌當中，在將這個音軌插入

7、到立體聲的歌曲伴奏中，這樣便形成了一首完整的歌曲。在混編錄音的時候，我們通常人聲的軌跡平均混合到歌曲伴奏中，也就是說，人聲的聲波波形在歌曲的兩個聲道是相同或者相似的，因此，我們可以采取兩個聲道相減的辦法來消除立體聲歌曲中的人聲。在人聲無法達到的頻率范圍中，可以將其通過濾波的方式濾出，不進行聲道的相減過濾人聲，僅在人聲通帶內(nèi)進行人聲的消除處理。人聲的通帶為200Hz-12kHz，新左聲道=左聲道-右聲道，新右聲道=右聲道-左聲道。（3）加噪去噪噪聲指的是音高和音強變化混亂、聽起來不諧和的聲音。是由發(fā)音體不規(guī)則的振動產(chǎn)生的。從物理學(xué)的角度來看：噪聲是發(fā)聲體做無規(guī)則振動時發(fā)出的聲音。高斯白噪聲中的高

8、斯是指概率分布是正態(tài)函數(shù)，而白噪聲是指它的二階矩不相關(guān)，一階矩為常數(shù)，是指先后信號在時間上的相關(guān)性。熱噪聲和散粒噪聲是高斯白噪聲。在通信系統(tǒng)中，高斯白噪聲十分常見，也對系統(tǒng)造成很大影響。將噪聲信號與原始信號疊加，通過左右聲道相減操作，能濾除噪聲，但會使人聲信號部分消失，再進行人聲補償。信噪比，即SNR（Signal to Noise Ratio）。狹義來講是指放大器的輸出信號的功率與同時輸出的噪聲功率的比，常常用分貝數(shù)表示，設(shè)備的信噪比越高表明它產(chǎn)生的雜音越少。通過觀察信噪比變化，可以直觀的看出去噪的效果。3. LabVIEW設(shè)計功能3.1LabVIEW程序框圖原理及實現(xiàn)（1）頻率均衡器：在L

9、abVIEW中通過DAQ助手，采集音頻信號。左右聲道分別輸入Dev1/audioInputLeft和Dev1/audioInputRight。電壓信號輸入范圍為-2V2V。接線端配置為RSE。采集模式為連續(xù)采集，待讀取采樣為20k，采樣率為100kHz。提高采樣率可以有效地減少噪聲，但會引起程序緩存大小不足等問題。將采集的音頻信號分別通過7個2階Butterworth濾波器過濾，分為7個頻段。因Butterworth濾波器特點是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，起伏小，在通帶內(nèi)對原來音樂的損傷小，2階Butterworth即可以滿足要求。7個頻段為極低頻0Hz40Hz，低頻40Hz150Hz

10、，中低頻150Hz500Hz，中頻500Hz2kHz，中高頻2kHz5kHz，高頻5kHz8kHz，極高頻8kHz以上。將各頻段音頻乘以可調(diào)節(jié)的加權(quán)因子控件，并進行信號疊加合成，對其輸出并進行頻譜測量顯示。輸出DAQ助手設(shè)置，左右聲道分別輸出Dev1/audioOutputLeft和Dev1/audioOutputRight。電壓信號輸出范圍為-2V2V。接線端配置<通過NI-DAQ選擇>。生成模式為連續(xù)采樣，待寫入采樣100，采樣率44.1kHz。圖5 “頻率均衡器”程序框圖（2）伴奏：將采集的音頻信號通過3個10階Chebyshev濾波器。因高階Chebyshev濾波器的傳遞函

11、數(shù)在過渡帶比Butterworth衰減快，和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，最大可能的減少濾波器自身不足所產(chǎn)生的漏音現(xiàn)象。低通Chebyshev濾波器0Hz200Hz，高通Chebyshev濾波器12kHz以上。在這兩個頻段內(nèi)沒有人聲。帶通Chebyshev濾波器200Hz-12kHz，該頻段內(nèi)有人聲。將其進行聲道分離，成為兩路信號，左聲道和右聲道。在進行聲道相減去人聲處理，新左聲道=左聲道-右聲道，新右聲道=右聲道-左聲道。將以上三個頻段的信號進行疊加合成，對12kHz以上的高頻信號進行補償，加權(quán)因子為1.3，對200Hz以下的低頻信號進行補償，加權(quán)因子為1.5。對其輸出并進行頻譜測

12、量顯示。圖6 “伴奏”程序框圖（3）加噪去噪：設(shè)計三種噪聲信號發(fā)生器，分別為10kHz的高頻鋸齒信號，60Hz的低頻正弦波信號，全頻帶的高斯白噪聲信號。在對其進行控制輸出疊加到原有的音頻信號中。對混有噪聲的信號進行聲道分離，左右聲道相減，因噪聲在左右聲道中相同，故可以濾除噪聲。但是人聲區(qū)域中，聲道相減使得部分人聲被濾除。所以要對人聲進行補償。將原信號通過一個帶通的Butterworth濾波器，濾出300Hz-5kHz的人聲信號，再進行疊加控制輸出。根據(jù)信噪比公式，信噪比=輸出信號的功率/同時輸出的噪聲功率，計算信噪比并直觀顯示去噪效果。圖7 “加噪去噪”程序框圖3.2前面板的設(shè)計（1）頻率均衡

13、器頻率均衡器的前面板中，一個總音量的控制滑塊以及七個不同頻段的滑塊調(diào)節(jié)，可根據(jù)用戶的音樂喜好調(diào)整各頻段的加權(quán)因子，以改補償和修飾音源。頻譜儀所顯示的橫坐標為頻率的對數(shù)值，便于更好地觀察各頻段的曲線起伏。左右聲道的曲線顏色不同，可以觀察左右聲道音頻的區(qū)別。圖8 “頻率均衡器”前面板（2）伴奏通過伴奏開關(guān)可以控制伴奏的提取，音量滑塊控制音量大?。J為0.5）。圖9 “伴奏”前面板（3）加噪去噪通過控制按鈕，可以疊加不同種的噪聲。疊加噪聲后可對噪聲進行消除，并可以通過數(shù)字顯示窗口，看到信噪比的變化。圖10 “加噪去噪”前面板4. 設(shè)計功能不足分析4.1頻率均衡器對音質(zhì)損傷在均衡器的程序框圖中采用的

14、是2階Butterworth濾波器，其特點是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。因此該頻率均衡器能保證通頻帶內(nèi)的音質(zhì)最大化無損。但在某些頻點（40Hz，150Hz，500Hz，2kHz，5kHz，8kHz）附近，會造成一定的音質(zhì)損失。若直接提高濾波器階數(shù)，能將影響的頻段縮小，但對于上述頻點的影響將更大，使得聲場變小，聲音的包圍感不充足。在實驗的過程中，2階Butterworth能較為完善的處理該問題，但仍會對音樂造成損傷。圖11 “頻率均衡器”測試結(jié)果4.2伴奏的歌曲低頻損失和漏音現(xiàn)象對兩個聲道進行相減處理，會損失原有歌曲中的低頻，低頻指的是200Hz400

15、Hz。通常歌曲的低頻部分有貝斯和低音鼓組成，如果貝斯和鼓的低頻部分在左右聲道波形基本相同時，伴奏提取過程中難免會損失原有的低頻效果，所以應(yīng)該對低頻進行一定的補償。但該方法無法避免歌曲的品質(zhì)下降問題。在伴奏的程序框圖中采用的是10階Chebyshev濾波器，其特點是在過渡帶比Butterworth濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切比雪夫濾波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動。選用Chebyshev濾波器的原因是其在過渡帶衰減快，會減少人聲漏音的現(xiàn)象，但在通頻帶中會影響原有的音樂品質(zhì)。部分低成本歌曲沒有對伴奏進行混編，使得伴奏和人聲均位于聲場的

16、正中間，即左右聲道完全一致，則該方法無法提取伴奏。另一種情況，伴奏和人聲都進行混編，使得伴奏和人聲在左右聲道的表現(xiàn)完全不同，這種情況常出現(xiàn)在歐美的高成本音樂中，以及電影音頻中，則無法完全提取伴奏，伴奏中會有人聲漏音的現(xiàn)象。此外濾波器的不理想也會造成人聲的漏音現(xiàn)象，但通過提高濾波器的階數(shù)能減少漏音對于伴奏提取的影響。4.3高斯白噪聲去噪不理想在疊加的三種噪聲中，其中10kHz的高頻鋸齒波信號和60Hz的低頻正弦波信號均不在人聲的頻帶范圍中，所以對噪聲的濾除情況較好，但是通過此方法對原有音樂有很大損傷，高頻和低頻范圍內(nèi)因聲道相減的操作，左右聲道中相同的音頻伴隨著噪聲一同被剔除。圖12 去噪開關(guān)關(guān)閉

17、時，疊加正弦波鋸齒波圖13 去噪開關(guān)打開時，疊加正弦波鋸齒波可以明顯看出信噪比從-27dB提高到了78dB，去噪開關(guān)打開后揚聲器中基本無法聽到噪聲的干擾，去噪效果明顯。但全頻帶的高斯白噪聲信號通過此方法濾除效果不佳，雖然噪聲減少，但是在人聲頻帶范圍中無法濾除，人聲會被高斯白噪聲所干擾，若提高噪聲的音量，甚至人聲會被湮沒在噪聲之中。圖14 去噪開關(guān)關(guān)閉時，疊加高斯白噪聲圖15 去噪開關(guān)打開時，疊加高斯白噪聲從結(jié)果中可以看出信噪比從-37dB提高到了13dB，效果不佳，揚聲器中雖然噪聲明顯減少，但還是對原有的音頻信號產(chǎn)生了很大影響。一些常見的改進算法：譜減法：即在頻域?qū)г胝Z音的功率譜減去噪聲的功

18、率譜，得到語音的功率譜估計，開方后就得到語音幅度估計，將其相位恢復(fù)后再采用逆傅立葉變換恢復(fù)時域信號?？紤]到人耳對相位的感覺不靈敏，相位恢復(fù)時所采用的相位是帶噪語音的相位信息。同步疊加平均去噪法：周期信號經(jīng)過m 次同步疊加后, 信噪比提高為原來的m 倍。因此, 周期性信號或可重復(fù)性信號經(jīng)過多次取樣積累后, 其信噪比有所提高, 積累次數(shù)越多, 信噪比改善越好。小波去噪算法：將信號映射到小波域，根據(jù)噪聲和噪聲的小波系數(shù)在不同尺度上具有不同的性質(zhì)和機理，對含噪信號的小波系數(shù)進行處理。實質(zhì)是減少剔除噪聲產(chǎn)生的小波系數(shù)，最大限度的保留真實信號的系數(shù)。5. 項目設(shè)計總結(jié)在此次的項目設(shè)計過程中，充分的調(diào)動了我前三年所學(xué)習的知識，也從對labview軟件的不熟悉到能獨立完成一個項目，其中不僅有自己的努力和老師的支持，也有網(wǎng)絡(luò)上許多不知道姓名的labview愛好者的幫助。本次項目設(shè)計項目，我完成了這個簡單音頻處理項目，運用了各類硬件軟件，對該項目進行擴展。但是我的項目程序仍然存在一些不足之處，比如偶有出現(xiàn)緩存區(qū)不足情況、無法保證對各種歌