项目设计-报告

《项目设计报告》基于NImyDAQ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...........................................................................................................................................32.设计内容及原理.......................................................................................................................52.1硬件设备及环境.................................................................................................................52.2设计功能原理.....................................................................................................................53.LabVIEW设计功能.......................................................................................................................63.1LabVIEW程序框图原理及实现..........................................................................................63.2前面板的设计.....................................................................................................................84.设计功能不足分析...................................................................................................................94.1频率均衡器对音质损伤.....................................................................................................94.2伴奏的歌曲低频损失和漏音现象...................................................................................104.3高斯白噪声去噪不理想...................................................................................................105.项目设计总结.........................................................................................................................126.参考文献.................................................................................................................................131.绪论NImyDAQ是美国国家仪器有限公司(NationalInstruments，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1NImyDAQ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2DAQ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NImyDAQ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AUDIOIN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。AUDIOOUT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：windows7操作系统，NIMAX，NILabVIEW2013。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频率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扬声器和声场的缺陷，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。低音的张弛得宜，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，包含大多数乐器的低次谐波和泛音，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。从物理学的角度来看：噪声是发声体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。热噪声和散粒噪声是高斯白噪声。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（SignaltoNoiseRatio）。狭义来讲是指放大器的输出信号的功率与同时输出的噪声功率的比，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=输出信号的功率/同时输出的噪