基于PC聲卡和LabVIEW的音頻分析儀設(shè)計_圖文

1、ISSN1672-4305CN12-1352/N實 驗 室 科 學(xué)LABORATORY SC I ENCE 第13卷 第4期 2010年8月Vol 13 N o 4 Aug 2010計算機(jī)應(yīng)用基于PC 聲卡和Lab VI E W 的音頻分析儀設(shè)計高丙坤,高潤檸,王 靜,陳 聰(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,黑龍江大慶 163318摘 要:硬件的音頻分析設(shè)備昂貴,更新周期長,可擴(kuò)性差。為此,基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的聲卡,利用虛擬儀器,借助Lab V I E W 開發(fā)了音頻分析儀,內(nèi)容包括音頻的采集和存儲、音頻的參數(shù)測量、音頻的譜分析等內(nèi)容。測試結(jié)果表明,該音頻分析豐富了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗功能,畫面形象生動

2、,視覺效果明顯。關(guān)鍵詞:虛擬儀器;L ab V I E W;音頻分析中圖分類號:TN 912.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A do:i 10.3969/.j issn .1672-4305.2010.04.039Desi gn i ng of audi o anal ysis i n str umentbased on sound card and Lab V I E WGAO B i n g-kun ,GAO Run-ning ,WANG Jing ,CHEN Cong(Schoo l o f E lectrica l and I nfor m ation Eng i n eering ,Northea

3、st Petroleum Un i v ersity ,D aqing 163318,Chi n aA bstract :S i n ce the aud i o ana l y sis instrum ent of hardware i s expensi v e ,has long m aintance per i o d and is hard to be expanded ,this paper uses LabV I E W to desi g n t h e audio analysis i n stru m en,t w h i c h uses sound card and v

4、 irtua l i n str um en.t It i n cludes t h e aud i o acqu isiti o n ,the audio para m eters m easur i n g and t h e aud i o spectr um analysis ,etc .Test result i m p lies that t h e aud i o ana l y sis instrum ent has en riched the co mpu ter net w ork exper i m ent f u ncti o ns and ach i e ved v

5、i v i d i m ages and good v isual effect K ey words :v irtua l instrum en;t LabV I E W;audio ana l y sis 基金項目:國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目(項目編號:09102019;黑龍江省新世紀(jì)教改項目(項目編號:5656。傳統(tǒng)的音頻分析設(shè)備多數(shù)是由硬件電路構(gòu)成,進(jìn)行一次完整的音頻測量及分析需要使用低失真音頻信號源、交直流電壓表、頻率計、示波器、頻譜分析儀等多種硬件儀器,購買整套的測試系統(tǒng)花費(fèi)比較大,因此一些科技工作者開始研發(fā)智能音頻分析儀,如以單片機(jī)ARM 開發(fā)1-2,但是很難實現(xiàn)儀器功能的進(jìn)一

6、步的擴(kuò)展。用戶所購置的硬件儀器一旦過時,難以升級,只能購置新的儀器,增加用戶的負(fù)擔(dān),因此出現(xiàn)了基于M atlab 的音頻頻譜分析3。隨著LabV I E W 的應(yīng)用,開發(fā)虛擬音頻分析設(shè)備成為必然。與傳統(tǒng)儀器相比,借助于LabV I E W 軟件設(shè)計的虛擬音頻分析儀可以替代傳統(tǒng)的音頻分析設(shè)備,且擴(kuò)展性能好,因此具有廣闊的應(yīng)用前景?；诼暱ǖ奶摂M音頻分析儀采用PC 機(jī)普通聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,不增加額外的費(fèi)用,而且對音頻信號分析和處理后的結(jié)果可由PC 顯示、保存和打印,使用方便。因此本文對基于聲卡的虛擬音頻分析儀進(jìn)行設(shè)計,實現(xiàn)音頻采集、分析和處理等功能,在教學(xué)中完全可以取代傳統(tǒng)的音頻分析儀,具有實際應(yīng)

7、用價值4。1 虛擬音頻分析儀設(shè)計思路LabV I E W 是一種圖形化的編程環(huán)境,可以工作在多個平臺,基于LabV I E W 開發(fā)的虛擬儀器具有靈活性,因為它提供了豐富的函數(shù)庫和子例程,還有專用的代碼庫,用于數(shù)據(jù)采集(DAQ ,通用接口總線(GPI B 和串口儀器的控制,數(shù)據(jù)分析,數(shù)據(jù)顯示,數(shù)據(jù)存儲和互聯(lián)網(wǎng)之間的通信。分析庫包括許多有用的函數(shù),有信號產(chǎn)生、信號處理、濾波、加窗、統(tǒng)計、回歸、線性代數(shù)和矩陣運(yùn)算。為此,首先運(yùn)用Access 創(chuàng)建datadb數(shù)據(jù)庫,然后向數(shù)據(jù)源管理器添加數(shù)據(jù)源,再調(diào)用LabV I E W函數(shù)庫,采取模塊化設(shè)計,并將實驗?zāi)K進(jìn)行整合和調(diào)用,最終組成一個完整的基于聲卡

8、的音頻分析儀。2 虛擬音頻分析儀功能基于聲卡的音頻分析儀的功能模塊包括兩部分:音頻分析和其它功能,其中音頻分析部分具有聲卡設(shè)置、噪聲分析、音頻采集和保存、音頻參數(shù)測量、信號加噪分析、音頻頻譜分析和音頻功率譜分析七個功能;其它功能包括錄音與回放、M orse編碼、波形轉(zhuǎn)換聲音和用戶管理。音頻分析儀的主程序采用事件結(jié)構(gòu)用前面板的OK Button和水平搖桿開關(guān)的釋放觸發(fā)調(diào)用事件結(jié)構(gòu)相應(yīng)的子v i。將登陸子vi和用戶管理子vi連接到一起,實現(xiàn)用戶管理對當(dāng)前用戶信息的調(diào)用。用選項卡控件將音頻分析和其它功能分別放置在選項卡1和選項卡2上,得到音頻分析儀的主界面5。3 虛擬音頻分析儀模塊3.1 虛擬音頻采

9、集聲卡從話筒中獲取聲音模擬信號,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC,將聲波振幅信號采樣轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字信號,存儲到計算機(jī)中。通過設(shè)置聲卡的選擇、采樣模式、每通道采樣數(shù)、采樣率、通道數(shù)、每位采樣位數(shù)來進(jìn)行聲卡的設(shè)置。如果將聲卡設(shè)置為雙通道,將采集的音頻波形文件命名為默認(rèn)的tes.t w av,得到雙通道的音頻采集圖。如果聲卡設(shè)置為單通道則運(yùn)行音頻采集將實現(xiàn)單通道的音頻采集。當(dāng)沒有音頻輸入時采集的為系統(tǒng)噪聲。3.2 虛擬音頻參數(shù)測量音頻參數(shù)測量模塊可調(diào)用音頻采集和保存模塊所采集的音頻,或者是其他待測的波形文件對其進(jìn)行時域參數(shù)的測量。點擊讀取波形按鈕可選擇待測的音頻波形文件,且音頻信號的每通道采樣數(shù)采樣率等信息將

10、會顯示出來。點擊參數(shù)測量被測音頻信號的幅度周期平均值、幅度周期均方根、峰峰值等信息將被測得并顯示出來。音頻參數(shù)測量如圖1所示。3.3 虛擬音頻分析音頻頻譜分析模塊可調(diào)用音頻采集和保存模塊所采集的音頻,或者是其他待測的波形文件對其進(jìn)行頻譜分析,得到FFT的幅頻圖和相頻圖?？墒謩舆x擇加不同的窗,設(shè)置平均參數(shù), 設(shè)置查看方式。點圖1 虛擬音頻參數(shù)測量擊讀取波形,進(jìn)行待測波形文件的選擇,同時歷史數(shù)據(jù)波形將對波形進(jìn)行顯示。選擇要加的窗查看方式和平均參數(shù)后點擊更新頻譜,波形文件的FFT幅頻圖和相拼圖將會重新按照選好的模式加以顯示6。3.4 音頻功率譜分析音頻功率譜分析實現(xiàn)對音頻采集模塊保存的音頻波形或其他

11、波形文件的功率譜分析,得到的波形是被測波形的平均自功率譜。點擊讀取波形選擇待測的波形文件,設(shè)置平均參數(shù)選擇顯示方式和窗后點擊更新功率譜則得到所要的波形。音頻功率譜分析的程序運(yùn)行界面如圖2所示7 。圖2 虛擬音頻功率譜分析3.5 信號加噪分析信號加噪分析模塊的原始信號是正弦波,通過對正弦波的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置得到原始信號波形圖的不同波形顯示8;通過設(shè)置噪聲選擇,噪聲幅度、標(biāo)準(zhǔn)偏差和采樣信息產(chǎn)生不同的加噪信號波形并顯示在混合波形圖中。功率譜波形圖顯示的是混合波形的平均自功率譜。信號加噪分析程序運(yùn)行界面如圖3所示。 118高丙坤,等:基于PC 聲卡和LabV I E W 的音頻分析儀設(shè)計圖3 信號加噪分析

12、3.6 錄音與回放模塊錄音與回放模塊實現(xiàn)對音頻信號的保存和回放,可選擇輸入和輸出音頻的聲卡,設(shè)置音質(zhì)、采樣速率、緩沖量等。設(shè)置后點擊錄音鍵實現(xiàn)音頻的錄入,按下停止鍵可選擇錄制聲音的文件名保存路徑。點擊播放按鈕可以實現(xiàn)音頻的回放。點擊退出按鈕將退出程序的運(yùn)行9。3.7 M orse 編碼將字母和數(shù)字分別進(jìn)行編碼,在信息輸入文本框內(nèi)敲入信息,程序執(zhí)行后改變信息則不能生效。信息輸出框仍然會顯示程序運(yùn)行前的消息并產(chǎn)生對應(yīng)的碼音?？梢詫π盘柕念l率、編碼的速度和音量的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。M orse 編碼的界面如圖4所示。 圖4 Mo rse 編碼3.8 波形轉(zhuǎn)換波形轉(zhuǎn)換聲音模塊需配置波形、采樣頻率等信息,再用

13、這些信息生成調(diào)用聲卡的輸出寫入V i 產(chǎn)生聲音輸出。波形的選擇有正弦波、三角波、方波和鋸齒波,不同的設(shè)置產(chǎn)生不同的聲音輸出。波形轉(zhuǎn)換聲音的程序執(zhí)行界面如圖5所示。圖5 波形轉(zhuǎn)換4 結(jié)論本文使用PC 機(jī)的普通聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備在LabV I E W 平臺上設(shè)計了基于聲卡的音頻分析儀,該音頻分析儀的內(nèi)容、參數(shù)和體系可以隨時更新和擴(kuò)展,改善了硬件實驗更新成本高、更新周期長的狀況;可以脫離Lab -V I E W 環(huán)境在不同平臺上實現(xiàn)信號采集、分析、波形顯示等多功能;音頻分析儀的畫面形象生動,視覺效果明顯。因此該音頻分析儀可以取代傳統(tǒng)的音頻分析設(shè)備,在實驗教學(xué)中獲得廣泛應(yīng)用10。參考文獻(xiàn)(Refer

14、ences:1 馬飛,張旭芬.基于LPC2148的音頻分析儀設(shè)計J.電子元器件應(yīng)用,2009,11(10:8-10.2 鄭藝成,宋躍,張志堅,等.ARM 控制的音頻分析儀設(shè)計J.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2008,6(2:29-32.3 鄭長義.音頻頻譜分析儀的設(shè)計J.吉林師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版,2003(4:30-31.4 王曉峰.基于虛擬儀器結(jié)構(gòu)的虛擬式音頻分析儀設(shè)計D .重慶大學(xué),2002.5 A.H.Tan er ,N .M.W h ite .V irt ual i ns tr um en tati on:a sol uti on tot h e p rob le m of desi gn co m p l ex it y i ntelli gen t i nstrum ents J .M eas ure m ent and Contro,l 2006(29:165-171.6 孟建良,楊興興.基于LabVIE W 的虛擬音頻信號分析儀設(shè)計J .微計算機(jī)信息,2009,29(5:115-204.7 C.L .C l ark .LabvIe w d i g it al s i gn alp rocess i ng and d i g i tal co mm un icati onsJ.M easure m en t and Con tro,l