项目设计-报告.docx

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 20132.2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各频段信号的增益值 常用的频段划分有： 极低频：0~40Hz，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：40Hz~150Hz，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：150Hz~500Hz，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：500Hz~2KHz，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：2KHz~5KHz，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：5KHz~8KHz，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：8KHz~20KHz，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，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 Noise 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-2V~2V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0Hz~40Hz，低频40Hz~150Hz，中低频150Hz~500Hz，中频500Hz~2kHz，中高频2kHz~5kHz，高频5kHz~8kHz，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电压信号输出范围为-2V~2V接线端配置<通过NI-DAQ选择>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0Hz~200Hz，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Butterworth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200Hz~400Hz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。