基于LabVIEW與聲卡的音頻信號(hào)采集系統(tǒng)與分析

1、 doi ：103969/jissn1671-1041201103025基于LabVIEW 與聲卡的音頻信號(hào)采集系統(tǒng)與分析張銀，呂列艷，楊恒，孟蘋蘋（西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都610500）摘要：為了利用廉價(jià)的計(jì)算機(jī)聲卡進(jìn)行音頻信號(hào)的采集，采用基于NI 公司圖形化編程語(yǔ)言的開放平臺(tái)LabVIEW ，完成對(duì)音頻范圍內(nèi)的信號(hào)采集，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域頻譜分析。通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)能夠正確的采集聲卡設(shè)計(jì)性價(jià)比高，人機(jī)界面交互性好，操作方便。具有成本低，根據(jù)客戶需求功能擴(kuò)充的特點(diǎn)。頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，關(guān)鍵詞：LabVIEW ；聲卡；音頻采集；信號(hào)分析中圖分類號(hào)：TH 7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：BA

2、cquisition system and analysis about audiosignal basedon LabVIEW and sound cardZHANG Yin ，LV Lie-yan ，YANG Heng ，MENG Ping-ping（School of Electrical Engineering and Information ，Southwest Petroleum University ，Chengdu 610500，China ）Abstract ：This paper introduces the design of acquisition system of

3、audio signal based on open platform LabVIEW of NI touse inexpensive sound card ，and achieve the acquisition within audio singnal ，and do the time-domain analysis and fre-quency-domain analysisExperiment result proved that this system can correctly acquire signal within the scope of sound card ，and i

4、t is cost-effective and has good human-computer interaction interface ，and easy to operateIt shows that thisand can be expanded according to customer demand system is low cost ，Key words ：LabVIEW ；sound card ；audio signal acquisition ；signal analysis0引言LabVIEW 是目前進(jìn)行虛擬儀器開發(fā)的一個(gè)最佳平臺(tái)，是一個(gè)劃時(shí)代的圖形化編程系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于

5、測(cè)試、數(shù)據(jù)采集與控制等領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集是信號(hào)分析與處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而聲可以方便的實(shí)現(xiàn)在音頻范圍卡作為一種特殊的數(shù)據(jù)采集卡，內(nèi)信號(hào)的采集，而且價(jià)格低廉，實(shí)用性好。本文介紹在Lab-VIEW 環(huán)境下，基于聲卡的音頻信號(hào)采集，利用計(jì)算機(jī)聲卡代替價(jià)格昂貴的數(shù)據(jù)采集卡，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析。1沖區(qū)等。1）采樣頻率目前，普通聲卡的最高采樣頻率為441kHz ，有的達(dá)到48kHz 。一般采樣頻率分為4檔，2205kHz 、分別為441kHz 、1102kHz 、8kHz 。根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)為被測(cè)信號(hào)頻率的12倍以上，因此聲卡的采樣頻率決定了可以被測(cè)信號(hào)的頻率。2）采樣位數(shù)采樣位數(shù)即采樣值或取樣值，

6、是一個(gè)用來(lái)衡量聲卡對(duì)聲音的解析度的參數(shù)，即聲卡的分辨率。它的數(shù)值越大，解析度就越高，錄制或回放的聲音就越真實(shí)。在多媒體電腦中，一般聲卡是16位的。3）緩沖區(qū)為節(jié)省資源，計(jì)算機(jī)的CPU 采樣緩沖區(qū)的工作方式，聲卡的A /D或D /A都對(duì)某一緩沖區(qū)進(jìn)行操作，待緩沖區(qū)數(shù)據(jù)操CPU 響應(yīng)中斷信號(hào)進(jìn)行處理。一般聲卡作完畢時(shí)產(chǎn)生中斷，的緩沖區(qū)長(zhǎng)度為8kB ?；诼暱ǖ奶摂M儀器簡(jiǎn)介隨著DSP 技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，計(jì)算機(jī)的聲卡已成為一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集卡，適合于采集頻率在2020000Hz 范圍內(nèi)的音頻信號(hào)。一般聲卡由以下幾部分組成：聲音控制/處理芯片、功放芯片、聲音輸入/輸出端口等。聲音控制/處理芯A /D

7、轉(zhuǎn)換、D /A轉(zhuǎn)換、片是聲卡的核心，集成了采樣保持、音效處理等電路。利用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡，具有16位的量化精且價(jià)格低廉、兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用，驅(qū)動(dòng)程序的升級(jí)度，非常方便等優(yōu)點(diǎn)?；诼暱ǖ奶摂M儀器的框圖如圖1所示。2LabVIEW 簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW 的全稱實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)，是一種基于G 語(yǔ)言的測(cè)試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)，采用工程人員熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖表用戶可通過(guò)定義等圖形化符號(hào)來(lái)代替常規(guī)基于文字的語(yǔ)言程序，和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)，方便迅速地創(chuàng)建虛擬儀器。在LabVIEW 函數(shù)庫(kù)中，有專門的聲音子選板，集中在Sound VI 下，Sound Output 和文件。有三大模塊Sound

8、 Input ，提供聲卡相關(guān)的函數(shù)節(jié)點(diǎn)，這些函數(shù)節(jié)點(diǎn)都是使用windows 底層函數(shù)編寫的，直接與聲卡驅(qū)動(dòng)聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲卡的快：/wwweiccomcn圖1虛擬儀器框圖計(jì)算機(jī)聲卡的主要技術(shù)參數(shù)包括采樣頻率、采樣位數(shù)、緩72EICVol182011No3 速訪問(wèn)和操作，具有比較高的執(zhí)行性能。Cheby-數(shù)字濾波，如利用Butterworth 濾波器，域內(nèi)其他分析，shev 濾波器等，進(jìn)行平滑濾波處理，可以消除高次諧波失真和提高信噪比。噪聲干擾，3基于聲卡的音頻信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)利用labVIEW 中與聲音信號(hào)相關(guān)的函數(shù)節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)的采集。聲卡具有MIC 和LINE IN 兩個(gè)信號(hào)輸

9、入端，其中MIC 輸入端有高增益放大器，會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生較大失2因此在數(shù)據(jù)采集時(shí)選用LINE IN 作為信號(hào)輸入端。其真，采樣頻率為44. 1kHz ，輸入音頻信號(hào)的幅值不超過(guò)1V ，對(duì)于超過(guò)1V 的信號(hào)可衰減后輸入，適合多種場(chǎng)合的需要。本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)的前面板如圖2所示。主要包括三部分，聲卡系統(tǒng)設(shè)置、聲音信號(hào)及功率譜波形，單頻信息，路徑選擇。前面板中放置的對(duì)象在程序框圖中都有對(duì)應(yīng)的對(duì)象，框圖程序如圖3所示。5聲卡采集系統(tǒng)測(cè)試與分析為測(cè)試本聲卡采集系統(tǒng)性能，通過(guò)麥克風(fēng)采集某男歌手歌曲中的一段進(jìn)行測(cè)試，從聲音信號(hào)波形圖中可以看出，采集從對(duì)應(yīng)的功率譜圖形得到的該段聲音信號(hào)由多個(gè)頻率組成，5000Hz

10、 、5600Hz 處。中可看出，該頻率集中在2001000Hz 、可以直觀看到監(jiān)測(cè)到的頻率，幅度和相位。利用LabVIEW 波形顯示器自帶的功能對(duì)采集到的波形進(jìn)行顯示，并進(jìn)行功率譜顯示。圖4為采集到的該男歌手聲音信號(hào)的頻譜圖。圖2信號(hào)采集系統(tǒng)的程序前面板圖4采集系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)6結(jié)束語(yǔ)圖3信號(hào)采集系統(tǒng)的框圖程序音頻信號(hào)采集過(guò)程分為初始化配置聲卡、設(shè)置聲音信號(hào)采樣、釋放聲卡。首先調(diào)用配置聲音輸入函數(shù)保存路徑、（Sound Input Configurevi ）配置聲卡并開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采樣率設(shè)置為441kHz ，通道數(shù)為2，采樣位數(shù)設(shè)置為16位，采緩存大小設(shè)置為每通道10000個(gè)樣本。樣模式為連續(xù)

11、采樣，并調(diào)用寫入并打開聲音文件（Sound File Write Openvi ）設(shè)置采集到的音頻信號(hào)保存路徑，在采集結(jié)束后，可以用播放器播放采集到的soundtest 文件，程序進(jìn)入while 循環(huán)，進(jìn)行連續(xù)采樣。調(diào)用讀取聲音輸入函數(shù)（Sound Input Readvi ）從緩存中讀取數(shù)據(jù)，設(shè)置每次從每個(gè)通道中讀取樣本數(shù)22050。最后，調(diào)用聲音輸入清零函數(shù)（Sound Input Clearvi ）停止采集并進(jìn)3-4。行清除緩存和占用的內(nèi)存等操作本文利用普通的計(jì)算機(jī)聲卡代替價(jià)格昂貴的商用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)音頻范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行采集，基于LabVIEW 開發(fā)系設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能

12、夠正確采集聲統(tǒng)，卡設(shè)計(jì)頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，并可以實(shí)現(xiàn)基本的測(cè)量功能和頻譜分析功能。另外，靈活性強(qiáng)。用戶不僅可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制操作，還可以把數(shù)據(jù)保存到硬盤，供以后分析使用。在CPU 足夠快的條件下，還可以實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示波形的頻域圖。頻譜、總之，運(yùn)用廉價(jià)的聲卡，在LabVIEW 環(huán)境下構(gòu)成的具有較高采樣精度，中等采樣頻率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以很方便進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)采集，并對(duì)其進(jìn)行處理和分析。參考文獻(xiàn)1郝張紅，劉先勇，袁世迎，等基于聲卡的虛擬音頻信號(hào)采集微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（121）：98-99與處理J 2蔣帥鋒，施展，鮑恝，等基于聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)J 2005，26（8）：47-49

13、儀器儀表學(xué)報(bào)，3劉剛，王立香，張連俊，等LabVIEW820中文版編程及應(yīng)用M 北京：電子工業(yè)出版社，20084李江全，劉恩博登虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測(cè)控應(yīng)用M 北京：人民郵電出版社，2010實(shí)戰(zhàn)5ZHAO Xian-lingThe virtual Instrument based on LabVIEW andJ ，International Conference on Measuring Technology Sound Card and Mechatronics Automation ，20096張桐，陳國(guó)順，王正林精通LabVIEW 程序設(shè)計(jì)M 北京：2008電子工業(yè)出版社，），作者簡(jiǎn)介：張銀（1987-女，碩士研究生，研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)數(shù)據(jù)采），女，碩士研究生，研究方向?yàn)樘摂M集和石油儀器研究；呂列艷（1987-儀器和單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及儀器測(cè)試。01-14收稿日期：2011-4音頻信號(hào)