聲音信號(hào)采集處理器的LabVIEW設(shè)計(jì)

ID:352458 · 發(fā)表于 2020-1-5 01:25

一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求
本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在查找和閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)和研究聲音信號(hào)分析，聲卡和LabVIEW的基本理論及其在實(shí)際應(yīng)用中的主要解決方法，達(dá)到符合實(shí)際應(yīng)用的工程要求。這個(gè)聲音信號(hào)采集分析處理器可以提供更便于操作，通用性更強(qiáng)的實(shí)時(shí)信號(hào)分析系統(tǒng)，并且以計(jì)算機(jī)本身的聲卡代替專(zhuān)用的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不僅價(jià)格低廉，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，無(wú)需添加任何ADC和DAC硬件，即可將一臺(tái)計(jì)算機(jī)變成一臺(tái)集聲音信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣分析，信號(hào)發(fā)生，信號(hào)存儲(chǔ)等多功能于一體的分析系統(tǒng)，而且系統(tǒng)靈活性更強(qiáng)，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)用戶自定義功能的分析系統(tǒng)，提升分析效率。在LabVIEW平臺(tái)上完成信號(hào)發(fā)生、信號(hào)分析和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了聲音信號(hào)的濾波、頻譜分析、功率譜、幅度普和相位譜分析等多種功能。
二、設(shè)計(jì)總體框圖
圖 1 設(shè)計(jì)總框圖
三、聲卡特性及其參數(shù)（一）聲卡的作用
從數(shù)據(jù)采集的角度來(lái)看，聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，是計(jì)算機(jī)與外部的模擬量環(huán)境聯(lián)系的重要途徑。聲卡的主要功能包括錄制與播放、編輯和處理、MIDI接口三個(gè)部分。
（二）聲卡的工作原理
聲音的本質(zhì)是一種波，表現(xiàn)為振幅、頻率、相位等物理量的連續(xù)性變化。聲卡作為語(yǔ)音信號(hào)與計(jì)算機(jī)的通用接口，其主要功能就是將所獲取的模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)DSP音效芯片的處理，將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。輸入時(shí)，麥克風(fēng)或線路輸入（Line In）獲取的音頻信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行播放、錄音等各種處理；輸出時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)總線將數(shù)字化的聲音信號(hào)以PCM（脈沖編碼調(diào)制）方式送到D/A轉(zhuǎn)換器，變成模擬的音頻信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)功率放大器或線路輸出（Line Out）送到音箱等設(shè)備轉(zhuǎn)換為聲波。
（三）聲卡的硬件結(jié)構(gòu)
圖2是一個(gè)聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。一般聲卡有4~5個(gè)對(duì)外接口。
圖 2 聲卡的硬件結(jié)構(gòu)
聲卡一般有Line In 和MicIn 兩個(gè)信號(hào)輸入，其中Line In為雙通道輸入，MicIn僅作為單通道輸入。后者可以接入較弱信號(hào)，幅值大約為0.02~0.2V。聲音傳感器（采用通用的麥克風(fēng)）信號(hào)可通過(guò)這個(gè)插孔連接到聲卡。若由MicIn 輸入，由于有前置放大器，容易引入噪聲且會(huì)導(dǎo)致信號(hào)過(guò)負(fù)荷，故推薦使用Line In ，其噪聲干擾小且動(dòng)態(tài)特性良好，可接入幅值約不超過(guò)1.5V的信號(hào)。
另外，輸出接口有2個(gè)，分別是WaveOut和SPK Out。WaveOut（或Line Out）給出的信號(hào)沒(méi)有經(jīng)過(guò)放大，需要外接功率放大器，例如可以接到有源音箱；SPKOut給出的信號(hào)是通過(guò)功率放大的信號(hào)，可以直接接到喇叭上。這些接口可以用來(lái)作為雙通道信號(hào)發(fā)生器的輸出。
（四）采樣位數(shù)
采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個(gè)數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音就越真實(shí)。我們首先要知道：電腦中的聲音文件是用數(shù)字0和1來(lái)表示的。所以在電腦上錄音的本質(zhì)就是把模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。反之，在播放時(shí)則是把數(shù)字信號(hào)還原成模擬聲音信號(hào)輸出。
聲卡的位是指聲卡在采集和播放聲音文件時(shí)所使用數(shù)字聲音信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)。聲卡的位客觀地反映了數(shù)字聲音信號(hào)對(duì)輸入聲音信號(hào)描述的準(zhǔn)確程度。8位代表2的8次方——256，16位則代表2的16次方——64。比較一下，一段相同的音樂(lè)信息，16位聲卡能把它分為64個(gè)精度單位進(jìn)行處理，而8位聲卡只能處理256個(gè)精度單位，造成了較大的信號(hào)損失，最終的采樣效果自然是無(wú)法相提并論的。位數(shù)越高，在定域內(nèi)能表示的聲波振幅的數(shù)目越多，記錄的音質(zhì)也就越高。
（五）采樣頻率
每秒鐘采集聲音樣本的數(shù)量。采集頻率越高，記錄的聲音波形就越準(zhǔn)確，保真度就越高。但采樣數(shù)據(jù)量相應(yīng)變大，要求的存儲(chǔ)空間也越多。目前，聲卡的最高采樣頻率是44.1KHz，有些能達(dá)96KHz。一般將采樣頻率設(shè)為4擋，分別是44.1KHz、22.05KHz、11.025KHz、8KHz。
（六）緩沖區(qū)
與一般數(shù)據(jù)采集卡不同，聲卡面臨的D/A和A/D任務(wù)通常是連續(xù)的。為了在一個(gè)簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)下較好地完成某個(gè)任務(wù)，聲卡緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)有其獨(dú)到之處。為了節(jié)省CPU資源，計(jì)算機(jī)的CPU采用了緩沖區(qū)的工作方式。在這種工作方式下，聲卡的A/D、D/A都是對(duì)某一緩沖區(qū)進(jìn)行操作。一般聲卡使用的緩沖區(qū)長(zhǎng)度的默認(rèn)值是8192字節(jié)，也可以設(shè)置成8192字節(jié)或其整數(shù)倍大小的緩沖區(qū)，這樣可以較好地保證聲卡與CPU的協(xié)調(diào)工作。聲卡一般只對(duì)20Hz~20KHz的音頻信號(hào)有較好的響應(yīng)，這個(gè)頻率響應(yīng)范圍已經(jīng)滿足了音頻信號(hào)測(cè)量的要求。
四、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
（一）labview中有關(guān)聲卡介紹
利用聲卡作為聲音信號(hào)的DAQ卡，可以方便快捷地創(chuàng)建一個(gè)采集聲音信號(hào)的VI。與聲音信號(hào)相關(guān)的函數(shù)節(jié)點(diǎn)位于程序框圖下【函數(shù)】選板下【編程】函數(shù)選板的【圖形與聲音】函數(shù)子選板的【聲音】函數(shù)選板的各子選板，如圖3、4、5所示。
圖 3 聲音輸入子面板
圖 4 聲音輸出子面板
圖 5 聲音文件子面板
下面主要介紹【聲音】/【輸入】控件選板中相關(guān)控件的作用。
配置聲音輸入：配置聲音輸入設(shè)備（聲卡）參數(shù)，用于獲取數(shù)據(jù)并且將數(shù)據(jù)傳送至緩沖區(qū)。
啟動(dòng)聲音輸入采集：開(kāi)始從設(shè)備上采集數(shù)據(jù)，只有停止聲音輸入采集已經(jīng)被調(diào)用時(shí)，才需要使用該VI。
聲音輸入清零：停止聲音采集，清除緩沖區(qū)，返回到任務(wù)的默認(rèn)狀態(tài)，并且釋放與任務(wù)有關(guān)的資源。
配置聲音輸出：用于配置聲音輸出設(shè)備的參數(shù)，使用“寫(xiě)入聲音輸出”VI將聲音寫(xiě)入設(shè)備。
寫(xiě)入聲音輸出：將數(shù)據(jù)寫(xiě)入聲音輸出設(shè)備，如要連續(xù)寫(xiě)入，必須使用配置聲音輸出VI配置設(shè)備，必須手動(dòng)選擇所需多態(tài)實(shí)例。
聲音輸出清零：將任務(wù)返回到默認(rèn)的未配置狀態(tài)，并清空與任務(wù)相關(guān)的資源，任務(wù)變?yōu)闊o(wú)效。
（二）聲音信號(hào)的采集
要實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的采集，首先需要用麥克的聲音采集功能實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，之后通過(guò)LabVIEW的配置聲音輸入子VI和寫(xiě)入聲音文件子VI來(lái)完成聲音信號(hào)的采集。聲音信號(hào)的采集程序框圖如圖6所示。聲音信號(hào)采集前面板設(shè)計(jì)如圖7所示。
圖 6 聲音信號(hào)的采集程序框圖
圖 7 聲音信號(hào)采集前面板設(shè)計(jì)
（三）聲音信號(hào)的分析
頻譜分析是通過(guò)傅里葉變換把時(shí)域信號(hào)變換到頻域，對(duì)采集聲音文件的即時(shí)頻譜分析，需要運(yùn)用LabVIEW中的頻譜測(cè)量控件，通過(guò)使用頻譜測(cè)量控件對(duì)其進(jìn)行FFT分析，這樣時(shí)域信號(hào)就被轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)。采集聲音信號(hào)的頻譜分析如圖8所示。
圖 8 采集聲音信號(hào)的頻譜分析
使用LabVIEW中的FFT Power Spectrum.vi完成功率譜分析，使用FFT Spectrum（Mag-Phase）.vi得到頻域信號(hào)的幅值普和相位譜。同時(shí)，為了防止采集信號(hào)發(fā)生泄露，對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行加窗處理。采集聲音文件加窗后的功率譜和頻譜分析如圖9所示。
圖 9 采集聲音文件加窗后的功率譜和頻譜分析
信號(hào)進(jìn)行加窗處理后的信號(hào)分析前面板如圖10所示。
圖 10 信號(hào)分析前面板
（四）報(bào)表生成
生成報(bào)表的框圖如圖11所示。生成結(jié)果如圖12所示。
圖 11 生成報(bào)表
圖 12 生成報(bào)表結(jié)果
（五）運(yùn)行結(jié)果
將程序調(diào)節(jié)為單通道采集、44.1kHz采樣頻率、連續(xù)采樣，開(kāi)始運(yùn)行程序�？梢钥吹綂A雜各種干擾的原始信號(hào)、濾波后的平滑信號(hào)、頻譜分析信號(hào)，以及功率譜和加窗后的頻譜分析。運(yùn)行結(jié)果如圖13、14所示。
圖 13 運(yùn)行結(jié)果1
圖 14 運(yùn)行結(jié)果2

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