基于Labview的聲音信息采集與處理

1、實驗四 基于LabVIEW的聲音數(shù)據(jù)采集一、背景知識在虛擬儀器系統(tǒng)中，信號的輸入環(huán)節(jié)一般采用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)。商用的數(shù)據(jù)采集卡具有完整的數(shù)據(jù)采集電路和計算機借口電路，但一般比較昂貴，計算機自帶聲卡是一個優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，不僅價格低廉，而且兼容性好、性能穩(wěn)定、通用性強，軟件特別是驅(qū)動程序升級方便。如被測對象的頻率在音頻范圍內(nèi)，同時對采樣頻率要求不是太高，則可考慮利用聲卡構(gòu)建一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1. 從數(shù)據(jù)采集的角度看聲卡1.1聲卡的作用從數(shù)據(jù)采集的角度來看，聲卡是一種音頻范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡，是計算機與外部的模擬量環(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

2、處理、MIDI接口三個部分。1.2聲卡的硬件結(jié)構(gòu)圖1是一個聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。一般聲卡有45個對外接口。圖1 聲卡的硬件結(jié)構(gòu)示意圖聲卡一般有Line In 和Mic In 兩個信號輸入，其中Line In為雙通道輸入，Mic In僅作為單通道輸入。后者可以接入較弱信號，幅值大約為0.020.2V。聲音傳感器（采用通用的麥克風(fēng)）信號可通過這個插孔連接到聲卡。若由Mic In 輸入，由于有前置放大器，容易引入噪聲且會導(dǎo)致信號過負荷，故推薦使用Line In ，其噪聲干擾小且動態(tài)特性良好，可接入幅值約不超過1.5V的信號。另外，輸出接口有2個，分別是Wave Out和SPK Out。Wave Ou

3、t（或Line Out）給出的信號沒有經(jīng)過放大，需要外接功率放大器，例如可以接到有源音箱；SPK Out給出的信號是通過功率放大的信號，可以直接接到喇叭上。這些接口可以用來作為雙通道信號發(fā)生器的輸出。1.3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。聲卡作為語音信號與計算機的通用接口，其主要功能就是將所獲取的模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過DSP音效芯片的處理，將該數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。輸入時，麥克風(fēng)或線路輸入（Line In）獲取的音頻信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送到計算機進行播放、錄音等各種處理；輸出時，計算機通過總線將數(shù)字化的聲音信號以PC

4、M（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，進而通過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。1.4聲卡的配置及硬件連接使用聲卡采集數(shù)據(jù)之前，首先要檢查Line In 和Mic In的設(shè)置。如圖2，打開“音量控制”面板，在“選項”的下拉菜單中選擇“屬性”，得到如圖3的對話框，在此對話框上選擇“錄音”，并配置列表中的選項即可?？梢酝ㄟ^控制線路輸入的音量來調(diào)節(jié)輸入的信號的幅度。圖2 音量控制面板圖3 音量控制面板屬性更改及錄音控制面板聲卡測量信號的引入應(yīng)采用音頻電纜或屏蔽電纜以降低噪聲干擾。若輸入信號電平高于聲卡所規(guī)定的最大輸入電平，則應(yīng)該在聲卡輸入插孔和被

5、測信號之間配置一個衰減器，將被測信號衰減至不大于聲卡最大允許輸入電平。一般采用兩種連接線：a.一條一頭是3.5mm的插孔，另一頭是鱷魚夾的連接線；b.一條雙頭為3.5mm插孔的音頻連接線。我們也可以使用壞的立體耳機做一個雙通道的輸入線，剪去耳機，保留線和插頭即可。2. 聲卡的主要技術(shù)參數(shù)2.1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。這個數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音就越真實。我們首先要知道：電腦中的聲音文件是用數(shù)字0和1來表示的。所以在電腦上錄音的本質(zhì)就是把模擬聲音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。反之，在播放時則是把數(shù)字信號還原成模擬聲音信號輸出。聲卡的位是指聲卡在采集和播放聲音文件時所

6、使用數(shù)字聲音信號的二進制位數(shù)。聲卡的位客觀地反映了數(shù)字聲音信號對輸入聲音信號描述的準確程度。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，一段相同的音樂信息，16位聲卡能把它分為64個精度單位進行處理，而8位聲卡只能處理256個精度單位，造成了較大的信號損失，最終的采樣效果自然是無法相提并論的。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。2.2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，要求的存儲空間也越多。目前，聲卡的最高采樣頻率是44.1KHz，有些能達96KHz。一般將采樣頻率設(shè)為4

7、擋，分別是44.1KHz、22.05KHz、11.025KHz、8KHz。2.3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。為了在一個簡潔的結(jié)構(gòu)下較好地完成某個任務(wù)，聲卡緩沖區(qū)的設(shè)計有其獨到之處。為了節(jié)省CPU資源，計算機的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都是對某一緩沖區(qū)進行操作。一般聲卡使用的緩沖區(qū)長度的默認值是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20Hz20KHz的音頻信號有較好的響應(yīng)，這個頻率響應(yīng)范圍已經(jīng)滿足了音頻信號測量的要求。2.4基準電壓聲卡

8、不提供基準電壓，因此無論是A/D還是D/A，在使用時，都需要用戶參照基準電壓進行標定。目前一般的聲卡最高采樣頻率可達96KHz；采樣位數(shù)可達13位甚至32位；聲道數(shù)為2，即立體聲雙聲道，可同時采集兩路信號；每路輸入信號的最高頻率可達22.05KHz，輸出16為的數(shù)字音頻信號，而16位數(shù)字系統(tǒng)的信噪比可達96dB。3. LabVIEW中有關(guān)聲卡的控件介紹 利用聲卡作為聲音信號的DAQ卡，可以方便快捷地穿件一個采集聲音信號的VI。與聲音信號相關(guān)的函數(shù)節(jié)點位于程序框圖下【函數(shù)】選版下【編程】函數(shù)選版的【圖形與聲音】函數(shù)子選版的【聲音】函數(shù)選版的各子選版，如圖4所示圖 4 LabVIEW中聲卡控件下面

9、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)。啟動聲音輸入采集 開始從設(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，才需要使用該VIs。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“寫入聲音輸出”VI將聲音寫入設(shè)備。寫入聲音輸出 將數(shù)據(jù)寫入聲音輸出設(shè)備，如要連續(xù)寫入，必須使用配置聲音輸出VI配置設(shè)備，必須手動選擇所需多態(tài)實例。聲音輸出清零 將任務(wù)返回到默認的未配置狀態(tài)，并清空與任務(wù)相關(guān)的資源，任務(wù)變?yōu)闊o效。此外，還有

10、眾多的聲音文件的打開和關(guān)閉等函數(shù)節(jié)點，在此不一一介紹，讀者可參考LabVIEW幫助窗口進行了解。另外在程序框圖下【Express】下【輸入】下的【聲音采集】及【輸出】下的【播放波形】也是與聲音信號相關(guān)的函數(shù)節(jié)點，如圖5所示。圖 5 LabVIEW中Express下的聲卡控件4. 應(yīng)用程序舉例4.1聲音的基本采集利用聲卡采集聲音信號，其程序的基本實現(xiàn)過程如圖6所示。圖6 聲卡采集程序流程圖4.1.1 VIs聲音采集本案例通過采集由Line In 輸入的聲音信號，練習(xí)聲音采集的過程。操作步驟1 執(zhí)行【開始】/【程序】/National Instruments LabVIEW8.5】命令，進入Lab

11、VIEW8.5的啟動界面。2 在啟動界面下，執(zhí)行【文件】/【新建VI】菜單命令，創(chuàng)建一個新的VI，切換到前面板設(shè)計窗口下，移動光標到前面板設(shè)計區(qū)，打開【空間】/【新式】/【圖形顯示控件】控件選板，選擇一個“波形圖”控件，放置到前面板設(shè)計區(qū)，編輯其標簽為“聲音信號波形”并調(diào)整它的大小，如圖7所示。圖7 波形圖標簽編輯3 切換到程序框圖設(shè)計窗口下，打開【函數(shù)】/【編程】/【圖形與聲音】/【聲音】/【輸入】函數(shù)選板，在程序框圖設(shè)計區(qū)放置一個“配置聲音輸入”節(jié)點、一個“啟動聲音輸入采集”節(jié)點、一個“讀取聲音輸入”節(jié)點、一個“停止聲音輸入采集”節(jié)點、一個“聲音輸入清零”節(jié)點，如圖8所示。圖8 聲音輸入控

12、件4 移動光標到各節(jié)點上。可以在“即時幫助”窗口中看到各節(jié)點的端口及解釋。如“配置聲音輸入”節(jié)點，如圖9所示。圖9 “配置聲音輸入”節(jié)點5 分別移動光標到“配置聲音輸入”節(jié)點的“設(shè)備ID”、“聲音格式”、“采樣模式”的輸入端口上，單擊鼠標右鍵，從彈出右鍵快捷菜單中，執(zhí)行【創(chuàng)建】/【輸入控件】菜單命令，通過端口創(chuàng)建相應(yīng)的輸入節(jié)點，如圖10所示。圖10 “配置聲音輸入”節(jié)點設(shè)置6 移動光標到“聲音輸入清零”節(jié)點的“錯誤輸出”端口上，單擊鼠標右鍵，從彈出的右鍵快捷菜單中執(zhí)行【創(chuàng)建】/【顯示控件】菜單命令，創(chuàng)建相應(yīng)的顯示節(jié)點，如圖11所示圖11 “聲音輸入清零”節(jié)點設(shè)置7 打開【函數(shù)】/【編程】/【結(jié)

13、構(gòu)】函數(shù)選板，選擇“While循環(huán)”節(jié)點，放置到程序框圖設(shè)計區(qū)，在“While循環(huán)”的循環(huán)條件端口創(chuàng)建一個輸入控件，移動光標到“While循環(huán)”的循環(huán)條件節(jié)點的輸入端，單擊鼠標右鍵，從彈出的右鍵快捷菜單中執(zhí)行【創(chuàng)建】/【輸入控件】菜單命令，創(chuàng)建相應(yīng)的輸入節(jié)點，并按圖12所示，完成程序框圖的設(shè)計。圖12 程序框圖的設(shè)計8 切換設(shè)計界面到前面板，可以看到與程序框圖設(shè)計區(qū)節(jié)點相對應(yīng)的控件對象，調(diào)整它們的大小和位置，美化界面。9 單擊工具欄上程序運行按鈕，并對著傳聲器輸入語音或一段音樂，即可在波形圖空間中查看聲音信號的波形，其中的一個運行界面如圖13所示。圖13 程序運行界面二、實驗內(nèi)容1、基于LabVIEW，用聲卡采集聲音信號，并顯示出來，計算并顯示聲音信號的幅度譜。2、對聲音信號添加頻率為20KHz,幅度為0.01V