基于LabVIEW的語(yǔ)音分析平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

語(yǔ)音處理是目前信息學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，其任務(wù)是研究如何利用信號(hào)處理技術(shù)研究語(yǔ) 音信號(hào)，使未來(lái)的計(jì)算機(jī)“能聽(tīng)會(huì)說(shuō)”。語(yǔ)音信號(hào)的處理是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析，只有通過(guò)分析得到的參數(shù)才能做進(jìn)一步的研究。語(yǔ)音分析涉及大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn) 算，如果采用硬件方式實(shí)現(xiàn)，從價(jià)格和靈活性上都不可取。如果通過(guò)計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合的方法采用主流的編程方式實(shí)現(xiàn)，則存在編程復(fù)雜，不易擴(kuò)展和界面不友好等 問(wèn)題。

虛擬儀器是全新概念的最新一代測(cè)量?jī)x器，自1987年誕生以來(lái)，以前所未有的速度迅猛發(fā)展。虛擬儀器與計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展 同步，他利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的軟硬件資源來(lái)組織儀器系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)的部分乃至全部的功能，并最終實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)儀器向計(jì)算機(jī)的過(guò)渡。 虛擬儀器的測(cè)量功能可以由用戶(hù)根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)軟件來(lái)定義或擴(kuò)展，而非由廠家事先定義且固定不可變更。尤其是美國(guó)NI公司的圖形化虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái) LabVIEW，不僅編程簡(jiǎn)單功能完備，而且有多種專(zhuān)用軟件包和豐富的各種板卡可供選擇，這就為開(kāi)發(fā)一個(gè)符合要求且界面友好的語(yǔ)音分析平臺(tái)提供了便利。

1工作原理

語(yǔ)音信號(hào)一般被看作一種短時(shí)平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)，主要是對(duì)他進(jìn)行時(shí)域、頻域和倒譜域上的信號(hào)分析。

語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域分析是對(duì)信號(hào)從統(tǒng)計(jì)的意義上進(jìn)行分析，得到短時(shí)平均能量、過(guò)零率、自相關(guān)函數(shù)以及幅差函數(shù)等信號(hào)參數(shù)。根據(jù)語(yǔ)音理論，氣流激勵(lì)聲道產(chǎn)生語(yǔ) 音，語(yǔ)音信號(hào)是氣流與聲道的卷積，因此可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行同態(tài)分析，將信號(hào)轉(zhuǎn)換到倒譜域，從而把聲道和激勵(lì)氣流信息分離，獲得信號(hào)的倒譜參數(shù)。

線性預(yù)測(cè)編碼分析是現(xiàn)代語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)中最核心的技術(shù)之一，他基于全極點(diǎn)模型，其中心思想是利用若干過(guò)去的語(yǔ)音抽樣來(lái)逼近當(dāng)前的語(yǔ)音抽樣，采用最小均 方誤差逼近的方法來(lái)估計(jì)模型的參數(shù)。矢量量化是一種最基本也是極其重要的信號(hào)壓縮算法，充分利用矢量中各分量間隱含的各種內(nèi)在關(guān)系，比標(biāo)量量化性能優(yōu)越， 在語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音識(shí)別等方向的研究中扮演著重要角色。

語(yǔ)音識(shí)別通常是指利用計(jì)算機(jī)識(shí)別語(yǔ)音信號(hào)所表示的內(nèi)容，其目的是準(zhǔn)確地理解語(yǔ)音所蘊(yùn)含的含義。語(yǔ)音識(shí)別的研究緊密跟蹤識(shí)別領(lǐng)域的最新研究成果并基本與之保持同步。

語(yǔ)音信號(hào)分析，首先需要將語(yǔ)音信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)并做預(yù)先處理，然后通過(guò)選擇實(shí)時(shí)或延遲的方式，實(shí)現(xiàn)上述各種類(lèi)型的參數(shù)分析，并將分析結(jié)果以圖形的方式輸出或保存，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)的功能。

2系統(tǒng)構(gòu)成

語(yǔ)音分析平臺(tái)由軟、硬件2部分組成，硬件部分的任務(wù)是通過(guò)麥克風(fēng)和聲卡將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號(hào)的形式傳入計(jì)算機(jī)，同時(shí)具備能將語(yǔ)音波形文件通過(guò)聲卡外接耳機(jī)或音箱回放。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1硬件部分

硬件包括3個(gè)部分：拾音及信號(hào)調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，PC機(jī)接口電路。由于聲卡已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置（集成或插卡形式），故采用聲卡、話筒的組合實(shí)現(xiàn)這部分功能，不但使用簡(jiǎn)便而且省去大量硬件設(shè)計(jì)工作。

2.2軟件部分

LabVIEW是美國(guó)NI公司推出的一種通用虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件，他包含豐富的功能函數(shù)庫(kù)和完備的總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。LabVIEW的一大特色是其基于圖 形的編程方式是采用數(shù)據(jù)流（dat astream）而非傳統(tǒng)的文本方式的編程方法。這種編程方式強(qiáng)調(diào)信號(hào)處理的實(shí)際過(guò)程，有利于簡(jiǎn)化編程，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和降低開(kāi)發(fā)難度。

LabVIEW的編程包括前面板設(shè)計(jì)和后臺(tái)設(shè)計(jì)。前面板對(duì)應(yīng)一臺(tái)儀器的面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的控制和信號(hào)的表達(dá)功能。LabVIEW提供了一套豐富的控制模 板庫(kù)，用戶(hù)通過(guò)這些模板來(lái)設(shè)計(jì)面板的內(nèi)容。后臺(tái)對(duì)應(yīng)一臺(tái)儀器的內(nèi)部工作部分，用于實(shí)現(xiàn)儀表對(duì)信號(hào)的采集處理等操作。對(duì)應(yīng)的LabVIEW提供了一套功能模 板庫(kù)，用來(lái)幫助用戶(hù)實(shí)現(xiàn)程序改造、儀器控制數(shù)據(jù)分析等功能。主要的功能模塊如下：

采集與預(yù)處理完成語(yǔ)音信號(hào)的采集，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪處理。

時(shí)域處理主要包括短時(shí)分析與預(yù)處理、短時(shí)能量、短時(shí)平均幅度和短時(shí)平均過(guò)零率、語(yǔ)音端點(diǎn)檢測(cè)、短時(shí)自相關(guān)函數(shù)、短時(shí)平均幅度差函數(shù)和基音周期估計(jì)等。

頻域處理主要包括基于短時(shí)傅里葉分析與重構(gòu)、復(fù)倒譜和倒譜分析、聯(lián)合時(shí)頻分析。

預(yù)測(cè)與量化主要包括語(yǔ)音信號(hào)預(yù)測(cè)編碼分析和矢量量化。

語(yǔ)音識(shí)別主要包括特征表示與提取、譜失真測(cè)度、模板匹配技術(shù)、隱馬爾可夫模型技術(shù)、孤立詞及連接詞識(shí)別、大詞匯量連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別和說(shuō)話人識(shí)別。

與Matlab軟件接口通過(guò)LabVIEW提供的Script Node子VI連接主流算法仿真分析軟件Matlab，充分發(fā)揮后者強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。盡管LabVIEW中提供了一些信息處理功能函數(shù)，但是畢竟功能 有限，仍無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)各種各樣的數(shù)值計(jì)算和分析的需求。而Matlab特別擅長(zhǎng)數(shù)值分析和處理，如果能夠在LabVIEW中調(diào)用他的話，不失為一種較好的 解決方法。

軟件在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，充分利用LabVIEW軟件本身所提供的豐富的應(yīng)用分析工具包如數(shù)字濾波器、頻域分析等工具模塊，避免大量的軟硬件開(kāi)發(fā)工作。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述方法構(gòu)建的語(yǔ)音分析平臺(tái)，界面豐富友好，操作使用方便，并且能不斷隨著虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步而升級(jí)。特別重要的是用戶(hù)可以在該平臺(tái)上開(kāi)發(fā)驗(yàn)證新的語(yǔ)音信號(hào)分析處理算法。

參考文獻(xiàn)

［1］蔡蓮紅，黃德智，蔡銳.現(xiàn)代語(yǔ)音技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［2］易克初,田斌,付強(qiáng).語(yǔ)音信號(hào)處理［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2000.

［3］劉君華，郭會(huì)軍.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.