【文章內(nèi)容簡介】 義，其具有虛擬面板并且測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。使用者只要用鼠標(biāo)點(diǎn)擊虛擬面板，就可以操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，就如同使用一臺(tái)專用的測(cè)量儀器。 虛擬儀器的特點(diǎn)可歸納為： （ 1）在通用硬件平臺(tái)確 定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能。 （ 2）儀器的功能是由用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。 （ 3）儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需進(jìn)行相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)更新，而不需購買新的儀器。 6 （ 4）研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。 （ 5）虛擬儀器開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，可與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互 聯(lián)。 決定虛擬儀器具備傳統(tǒng)儀器不可能具備的上述特點(diǎn)的根本原因在于：“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件”。 LABVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是美國 NI 公司 (National Instrument Company)推出的一種基于 G語言（ Graphics Language，圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。虛擬儀器的構(gòu)成，如圖 所示： 顯 示 器信 號(hào) 分 析 及 處 理數(shù) 據(jù) 發(fā) 生 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器D / A 轉(zhuǎn) 換 器信 號(hào) 調(diào) 理 器 信 號(hào) 調(diào) 理 器信 號(hào) 調(diào) 理 器各 類 接 口人 機(jī) 接 口信 號(hào) 輸 入信 號(hào) 輸 出 圖 虛擬儀器的構(gòu)成 LABVIEW 軟件工具的特點(diǎn)可歸納為： （ 1） 圖形化的編程方式，無須寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師語言。 （ 2） 提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫函數(shù)。 （ 3） 既提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)又提供了獨(dú)到的高亮執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫式運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。 （ 4） 32bit 的編譯器編譯生成 32bit 的編譯程序，保證數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方案的高速執(zhí)行。 （ 5） 囊括了 DAQ、 GPIB、 PXI、 VXI在內(nèi)的各種儀器通信總 線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。 7 （ 6） 提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如 DLLs（動(dòng)態(tài)連接庫）、 DDE（共享庫）、 ActiveX 等。 用 LABVIEW 設(shè)計(jì)的虛擬儀器控制系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分： （ 1） 儀器前面板的設(shè)計(jì) 儀器前面板的設(shè)計(jì)是指在虛擬儀器的開發(fā)平臺(tái)上，利用各類子模板圖標(biāo)創(chuàng)建用戶界面，即虛擬儀器的前面板。 （ 2） 儀器流程和算法的設(shè)計(jì) 儀器流程和算法的設(shè)計(jì)是根據(jù)儀器功能的要求，利用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)所提供的子模板，確定程序的流程圖、所實(shí)現(xiàn)的 技術(shù)方法和主要的處理算法。 （ 3） I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì) I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序是控制硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，也是連接主控計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備的紐帶。 用 LABVIEW 設(shè)計(jì)的虛擬儀器系統(tǒng)可脫離 LABVIEW 開發(fā)環(huán)境，最終用戶看見的是和實(shí)際的硬件儀器相似的操作面板。 MATLAB 語言 MATLAB 語言 [1]是在 20 世紀(jì) 80 年代初期，由美國的 Math Works 軟件開發(fā)公司推出的一種信號(hào)圖像處理的數(shù)學(xué)工具軟件。它擁有功能全面的函數(shù)庫，為了讓用戶脫離了復(fù)雜繁瑣的程序計(jì)算過程，把大量的函數(shù)封裝起來，大大提高了 工作效率。利用 MATLAB可以實(shí)現(xiàn)符號(hào)運(yùn)算、科學(xué)計(jì)算、算法研究、數(shù)據(jù)分析和可視化、數(shù)學(xué)建模和仿真、圖形用戶界面設(shè)計(jì)以及科學(xué)工程繪圖等強(qiáng)大功能。同時(shí) MATLAB 為用戶提供了豐富而實(shí)用的資源，它涵蓋了許多門類的科學(xué)研究，如控制、通信、數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)、地理、數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字圖像處理等。其主要特點(diǎn)有： （ 1） 先進(jìn)的技術(shù)界面支持 MATLAB 給用戶提供的是一種最直觀、最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。用 MATLAB 編程時(shí)，就如同在現(xiàn)實(shí)中的便簽上列公式和求解一樣。 （ 2） 開放式的體系結(jié)構(gòu) 除了內(nèi)部函數(shù)外，所有的 MATLAB 主包文件和各工具包文件都是對(duì)用戶開放的源程序文件，用戶可以通過修改源程序文件來構(gòu)成新的適合自己使用的專用工具包。 8 （ 3） 簡單易學(xué) 與 FORTRAN 和 C 語言等高級(jí)語言相比較， MATLAB 語法規(guī)則簡單，語言的思維特點(diǎn)更符合人們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的習(xí)慣。 （ 4） 豐富的函數(shù)工具箱 提供專門的對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行處理的工具箱。 對(duì)于比較簡單的和“一次性”的問題，通過在直欞窗中直接輸入一組指令求解是比較簡便、快捷的。但是當(dāng)待解決問題所需的指令較多而且所用指令結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時(shí)，或者當(dāng)一組指令通過改變少量參數(shù)就可 以被反復(fù)使用去解決不同問題時(shí)，直接在直欞窗中輸入指令的方法就顯得累贅、繁瑣和笨拙。設(shè)計(jì) M腳本文件就是用來解決這個(gè)矛盾的。 M腳本文件是指： （ 1） 對(duì)于解決同一個(gè)問題，在文件中的指令形式和前后位置與在指令窗中輸入的那組指令毫無任何區(qū)別。 （ 2） MATLAB 在運(yùn)行這個(gè)腳本時(shí)，簡單地從文件中讀取那一條條指令，然后送到MATLAB 中去運(yùn)行。 （ 3） 與在指令窗中直接運(yùn)行質(zhì)量一樣，腳本文件運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的變量都駐留在 MATLAB基本工作空間中。 （ 4） 文件的擴(kuò)展名是“ .m”。其具體步驟如下： 1) 編輯調(diào)試器的開啟 在缺省的 情況下， M 文件編輯器（ Editor/Debugger）不隨 MATLAB 的啟動(dòng)而開啟，通常只有在編寫 M文件時(shí)才啟動(dòng) M 文件編輯器窗口。 M 編輯器有多種功能：不僅可以編寫 M文件，而且可以對(duì) M 文件進(jìn)行交互式調(diào)試；此外， M文件編輯器不僅可以處理帶 .m擴(kuò)展名的文件，而且可以閱讀和編輯其他 ASCII 碼的文件。 下面介紹 M 文件編輯器的幾種啟動(dòng)方法： 點(diǎn)擊 MATLAB 桌面上的“ ”圖標(biāo)，或選中菜單項(xiàng) [File： New： MFile]，可以打開空白的 M 文件編輯器。 點(diǎn)擊 MATLAB 桌面上的“ ” 圖標(biāo)，或選中菜單項(xiàng) [File： Open]，可引出 Windows平臺(tái)上標(biāo)準(zhǔn)的“ Open”文件選擇對(duì)話框，通過常規(guī)的工具條操作，找到待打開文件所在文件夾，點(diǎn)選那個(gè)文件名后，再點(diǎn)擊 [打開 ]鍵，即可引出相應(yīng)文件夾的 M 文件編輯器。 用鼠標(biāo)左鍵雙擊當(dāng)前目錄窗口中的所需 M 文件，可直接引出展示相應(yīng)文件夾的 M文件編輯器。 2) 編輯器使用中的注意事項(xiàng) 9 （ 1） 編輯器的打印效果設(shè)置。具體方法是：選中菜單項(xiàng) [File： Page setup]，引出一個(gè)頁面設(shè)置對(duì)話框，該對(duì)話框可以對(duì)版面布局（ Layout）、版頭（ Header）、字體（ Fonts）等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置 。 “ Layout”版面布局子項(xiàng)：選擇“ Print header”，則打印的硬拷貝將會(huì)出現(xiàn)頁眉，顯示文件所在的全部路徑、文件建立日期和頁數(shù)。 “ Header”版頭設(shè)置子項(xiàng)：設(shè)置版頭的具體形式包含有版頭的邊界、布局及頁數(shù)的顯示方式等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 “ Fonts”字體設(shè)置子項(xiàng)：如果不點(diǎn)選“ Use editor font”，那么硬拷貝中的字體可能與編輯器顯示的字體不同，一般情況下硬拷貝中的字體較大。 （ 2） 編輯器的段落格式、字體（形式、大小、顏色）、自動(dòng)保存等都可由用戶自己根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。具體方法是：選中菜單項(xiàng) [File： Preferences],引出一個(gè)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框；展開彈出對(duì)話框左欄中的“ Editor/Debugger”項(xiàng)，出現(xiàn)以下 4個(gè)子項(xiàng)： “ Font amp。 Colors”子項(xiàng)：在對(duì)應(yīng)該項(xiàng)的右側(cè)欄中，可以對(duì)字體大小、顏色、類型進(jìn)行設(shè)置。 “ Display”子項(xiàng)：如果勾選“ Enable data tips in edit mode” ,那么當(dāng)光標(biāo)移動(dòng)到該編輯器文件中的某個(gè)變量名時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)菜單，但顯示出該變量內(nèi)容的前提是，改變量已存在于 MATLAB 的工作空間。 “ Keyboard amp。 indenting”子項(xiàng)：對(duì)應(yīng)欄用來設(shè)置快捷鍵習(xí)慣和文件段落縮進(jìn)的習(xí)慣。 “ Auto save”子項(xiàng)：編輯器窗口中的文件發(fā)生改動(dòng)后，文件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行備份。通過該子項(xiàng)中的“ Save options”欄，可以設(shè)置自動(dòng)備份的時(shí)間間隔。 說明： 1． 運(yùn)行 M文件的方法有很多種，而最常用的方法是： （ 1） 在指令窗中直接運(yùn)行 M文件名（不帶擴(kuò)展名）； （ 2） 在當(dāng)前目錄窗中，用鼠標(biāo)右鍵單擊所要運(yùn)行的文件，再從引出的現(xiàn)場(chǎng)菜單中選擇 [Run]菜單項(xiàng)。 2． 腳本文件第一行中的注釋文件名一般與實(shí)際存放在目錄上的文件名相同。但這樣做的目的僅僅是為了管理上的 一致，也為了便于用戶記憶和查詢。事實(shí)上， *.m 的存放和調(diào)用與注釋行中的名稱并無關(guān)聯(lián)。 3． 當(dāng)使用 M文件編輯器調(diào)試并保存文件時(shí)，或在 MATLAB 指令窗中運(yùn)行 M 文件時(shí)，不必寫出文件的擴(kuò)展名 .m。 10 4． 在 M文件編輯調(diào)試器中，可以用漢字注釋，也可獲得正確顯示。 5． 注意：在 MATLAB 中，若發(fā)生漢字輸入困難，可用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊，引出現(xiàn)場(chǎng)菜單；選中“屬性”菜單項(xiàng)，引出“對(duì)話框”，或采取在微軟輸入法中選擇“逐鍵指示”，或在智能輸入法中選中“固定”。 結(jié)構(gòu) 本課題研究的主要內(nèi)容和方法如下： 根據(jù)識(shí)別 的需求，分析語音識(shí)別技術(shù)的重要性，針對(duì)語音識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)用性提出本文研究的目標(biāo)就是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于模板匹配識(shí)別算法的語音識(shí)別系統(tǒng)。對(duì)語音識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，針對(duì)語音識(shí)別的功能需求，對(duì)比研究 VQ 和 DTW 算法的識(shí)別算法，結(jié)合 LABVIEW 和 MATLAB 各自優(yōu)點(diǎn)綜合設(shè)計(jì)出基于虛擬儀器的語音識(shí)別系統(tǒng)，用于語音識(shí)別功能的進(jìn)一步研究。 本文共分為六個(gè)章節(jié)，具體結(jié)構(gòu)如下： 第一章介紹了語音識(shí)別的學(xué)科背景與研究的發(fā)展歷程，歷史意義，本設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)以及本文選題的依據(jù)和內(nèi)容安排。 第二章介紹了語音信號(hào)的 實(shí)時(shí)采集及 預(yù)處理，對(duì)語音信號(hào)的產(chǎn)生與數(shù)字化進(jìn)行了分析，并詳細(xì)介紹了語音信號(hào)的小波消噪及端點(diǎn)檢測(cè)以及語音信號(hào)的特征提取，其中對(duì)當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的 MFCC 特征參數(shù)提取過程做了詳細(xì)的討論。 第三章 介紹了語音識(shí)別的幾種算法，并對(duì)這幾種算法作進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，選擇一種自認(rèn)為比較合適的算法用于本次設(shè)計(jì)。 第四章介紹了非特定人連續(xù)語音識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)問題，介紹了系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)步驟，及其模板的建立與讀取，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。 第五章簡單介紹了整個(gè)設(shè)計(jì)所得出的結(jié)論。 第六章 總結(jié)與展望，對(duì)本文的研究工作進(jìn)行階段性總結(jié)，討論了當(dāng) 前存在的問題和將來可能的研究方向。 11 第二章 語音識(shí)別基本技術(shù) 語音識(shí)別基本技術(shù)包括語音信號(hào)的預(yù)處理、分幀、加窗和端點(diǎn)檢測(cè)等時(shí)域和頻域分析。在語音識(shí)別系統(tǒng)中主要是采用基于模板匹配識(shí)別算法的研究，進(jìn)行待測(cè)語音和模板語音的對(duì)比分析，再根據(jù)特定的判定準(zhǔn)則得出最終的識(shí)別結(jié)果。本章主要介紹語音識(shí)別基本技術(shù)。 語音信號(hào)的采集 語音識(shí)別系統(tǒng)基本框架 語音識(shí)別系統(tǒng)一般采用的是模式匹配的原理 [8]，所以本質(zhì)上是一種模式識(shí)別系統(tǒng)。它的基本結(jié)構(gòu)如圖 所示，主要分為信號(hào)預(yù)處理、特征參數(shù)提取、模 式匹配和參考模板庫幾個(gè)單元。語音信號(hào)是短時(shí)平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，產(chǎn)生機(jī)理非常的復(fù)雜、內(nèi)容較豐富并且有很大的不確定性，這使得語音識(shí)別比一般模式識(shí)別要困難很多。 語 音 信 號(hào)數(shù) 字 化去 噪 、 預(yù)處 理特 征 參數(shù) 提 取模 式 識(shí) 別參 考 模 板 庫訓(xùn)練識(shí)別結(jié)果 圖 語音識(shí)別系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖 語音識(shí)別系統(tǒng)的處理過程從一開始的對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采集，即模擬語音信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字語音信號(hào)，隨機(jī)語音經(jīng)過錄音設(shè)備轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào) (語音信號(hào) )輸入到語音識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別。對(duì)原始語音信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波、去噪聲，預(yù)加重處理和端點(diǎn)檢測(cè)；根據(jù)端點(diǎn)檢測(cè)得到有效語音信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行 特征參數(shù)提取，較好的特征參數(shù)應(yīng)具備的特點(diǎn)是： 12 (1) 特征參數(shù)矢量的各分量之間具有良好的獨(dú)立性； (2)特征參數(shù)能有效地代表該語音段，具有良好的區(qū)分度； (3)特征參數(shù)的計(jì)算要高效，最好也比較容易實(shí)現(xiàn)，保證語音識(shí)別的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。由于語音信號(hào)具有短時(shí)平穩(wěn)的特性，所以語音信號(hào)的特征參數(shù)都是以一段短時(shí)語音信號(hào)為單位的，一般短時(shí)時(shí)間段取值為 20ms～ 30ms 之間。對(duì)于識(shí)別參數(shù)的訓(xùn)練，根據(jù)識(shí)別方法的不同運(yùn)用不同的訓(xùn)練方案，參考模板的特征參數(shù)一般是離線計(jì)算并存儲(chǔ)起來的，為此，在系統(tǒng)使用前事先要錄入一些已知信號(hào)，通過提取它 們的特征參數(shù)矢量序列，根據(jù)不同的識(shí)別方法進(jìn)行訓(xùn)練，作為參考模式，這個(gè)過程就叫做訓(xùn)練過程。識(shí)別過程就是通過對(duì)輸入的語音信號(hào)與參考模板庫中的語音