测控课程设计

电气工程及自动化学院

测控课程综合设计

设 计 题 目：基于LabVIEW音频信号采集于处理设计

姓 名： 钱溢丰 学 号： 11288038 班 级： 11电气81 周 次： 15周 学 期： 2014-2015学年第1学期

指 导 教 师： 王晓燕 丁启胜 余南南

2014年 12 月

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摘要

为了利用通用的计算机硬件代替高成本的专用数据采集设备，设计了以麦克和计算机声卡作为声音信号采集的硬件，在LabVIEW环境下开发的声音信号采集分析仪。

本文采用基于虚拟仪器的声音信号分析系统设计方式，构建操作简单、通用性强的数据采集与分析系统，为实现声音信号的实时分析提供了一种新的途径。

在系统设计上，结合声音信号分析的功能需求和虚拟仪器的设计方法，从硬件和软件进行设计。首先，用计算机本身的声卡代替专用的数据采集卡进行数据采集，实现44.1kHz采样频率，16位采样深度，双通道的声音信号实时采集。然后，在LabVIEW平台上完成信号发生、信号分析和人机交互界面设计，实现了声音信号的滤波、频谱分析、功率谱、幅度普和相位谱分析等多种功能于一体的系统设计。 关键词：声音信号，虚拟仪器，LabVIEW，声卡，数据采集，信号分析

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目录

引言................................................................................................................................ 1 1、设计方案论证.......................................................................................................... 2

1.1声卡的作用...................................................................................................... 2 1.2声卡的工作原理.............................................................................................. 2 1.3 数据采集理论基础......................................................................................... 2 1.4快速傅里叶变换（FFT）................................................................................ 3 1.5系统硬件搭建.................................................................................................. 4 1.6系统软件设计.................................................................................................. 5 2、声卡的主要技术参数.............................................................................................. 6

2.1采样位数.......................................................................................................... 6 2.2采样频率.......................................................................................................... 6 2.3缓冲区.............................................................................................................. 6 3、系统的程序设计...................................................................................................... 7

3.1 LabVIEW中有关声卡的控件介绍.................................................................. 7 3.2声音信号的采集.............................................................................................. 9 3.3声音信号的分析............................................................................................ 10 3.4运行结果........................................................................................................ 12 4、结论........................................................................................................................ 14 5、参考文献................................................................................................................ 14 6、附录........................................................................................................................ 16

引言

本次设计的目标是在查找和阅读大量文献的基础上，学习和研究声音信号分析，声卡和LabVIEW的基本理论及其在实际应用中的主要解决方法，将软件和硬件相结合，达到更符合实际应用的工程要求。

这个声音信号采集分析仪可以提供更便于操作，通用性更强的实时信号分析系统，并且以计算机本身的声卡代替专用的数据采集卡进行数据采集，不仅价格低廉，开发简单，无需添加任何ADC和DAC硬件，即可将一台计算机变成一台集声音信号的实时采样分析，信号发生，信号存储等多功能于一体的分析系统，而且系统灵活性更强，可根据被测对象进行功能扩展，实现用户自定义功能的分析系统，提升分析效率。实现了44.1kHz采样频率，16位采样深度，双通道的声音信号实时采集。在LabVIEW平台上完成信号发生、信号分析和人机交互界面设计，实现了声音信号的滤波、频谱分析、功率谱、幅度普和相位谱分析等多种功能。

解决了以传统仪器为主的声音信号分析系统开发周期长，成本偏高，功能无法自定义，系统升级不方便等问题。本次设计具有高性价比，使用过程中通用能力强，操作简单易用，系统运行稳定可靠等优点。

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1、设计方案论证

1.1声卡的作用

从数据采集的角度看，声卡是一种音频范围内的数据采集卡，是计算机与外部的模拟量环境联系的重要途径。声卡的主要功能包括录制与播放，编辑与处理，MIDI接口三个部分。

1.2声卡的工作原理

声卡的本质是一种波，具体表现为频率、相位、振幅等物理量的连续性变化。声卡作为计算机与声音信号的通用接口，其主要功能是把所获取的模拟音频信号转换为数字信号，经过DSP芯片的处理，该数字信号被转换为模拟信号输出。输入时，麦克风或线路输入（Line In）获得的音频信号通过A/D转换器被转换成数字信号，然后送到计算机进行播放、录音等各种处理；输出的时候，数字化的声音信号被计算机通过总线以PCM（脉冲编码调制）方式送到D/A转换器，变成模拟音频信号，然后通过功率放大器或线路输出（Line Out）送到音箱等设备转换成声波。

1.3 数据采集理论基础

采集到的声音信号是连续的模拟信号,但是计算机只能够处理离散的二进制信号,因此在系统对信号进行采集分析和输出播放的过程中,一定要把连续的模拟信号经过采样量化编码变成数字信号,然后采用数字信号处理技术；处理结束后,再转换为模拟信号,完成信号输出播放,这种处理方法就叫做模拟信号数字处理法。

对连续信号进行等间隔采样形成采样信号,采样信号的频谱是原连续信号的频谱以采样频率为周期进行周期性的延拓形成的,用公式(1.3)表示:

1 X（?aj?）Tk????X?a(j??jk?s)Xa(t)1?s(3~4)?cXa(t) (1.3) 2 2

为了保证采样后信号的频谱形状不失真,那么采样频率必须大于信号中最高频率的两倍,这就是采样定理:

设连续信号X（带限信号,最高截止频率为?c,若采样角频率?s?2?c,则at）1?s的理想低通滤波器,就可使采样信号X（通过一个增益为,截止频率为t）Ta2以唯一的恢复出原来的连续信号。否则?s?2?c，采样信号中会出现频谱混叠现象,不可能恢复无失真的原连续信号。

实际对模拟信号采样,需要按照采样定理的要求，根据模拟信号的最高截止频率选择采样频率,即?s?2?c,但是考虑到信号的频谱不是立刻截止的,最高截止频率以上还存在较小的高频分量,因此可选?s?(3~4)?c。另外,可以在采样

1前加一低通滤波器用于保护,滤去过于?s的高频分量,和其它的一些杂散信号,

2这是采样前的预滤。

1.4快速傅里叶变换（FFT）

信号和系统的分析方法有两种,时域分析方法和频率分析方法。在模拟域中,信号一般用连续变量时间t的函数表示,为了在频率域进行分析,用傅里叶变换将时间域函数转换到频率域。

傅里叶变换是信号处理中常用的重要数学变换。对于有限长序列,还有一种更为重要的数学变换,即本节要讨论的离散傅里叶变换(DFT)。

kn X（k）??x(n)WNn?0N?1?kn x(n)??X(k)WNk?0N?1（k?0,1,...,N?1;Wn?e?j2?N (1.4) ）而且更重要的是DFT有多种快速算法,统称为快速傅里叶变换(FFT),从而使信号的实时处理和设备的简化得以实现,大大推动了数字信号处理技术的发展。

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1.5系统硬件搭建

声卡一般有 Line In 和Mic In 两个信号输入插孔，声音传感器信号可通过这两个插孔连接到声卡。声卡测量信号的引入应采用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪声干扰。如果输入信号电平高于声卡规定的最大输入电平，那么应在声卡输入插孔与被测信号之间配置一个衰减器，使被测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电平。另外，将声卡的 Line Out 端口接到耳机上还可以实时监听声音信号。

LabVIEW对声音采集的设置默认其所处的操作系统，本次设计使用的是普通的声卡，对于高级的声卡采集信号时，要注意关闭一些特效，避免影响测量结果的真实性。

图1.5 基于声卡的数据采集硬件结构框图设计

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1.6系统软件设计

因为使用的是LabVIEW软件进行编程，根据声卡硬件的特点和 VI 结构化的特征，把整个系统分为信号采集和信号分析两个模块，以这两个模块作为基础框架，之后在其基础上进行扩展，以友好的图形界面与用户进行交互。

图1.6 信号采集分析系统程序框图

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2、声卡的主要技术参数

2.1采样位数

采样位数可以理解成声卡处理声音的解析度。这个数值越大，解析度就越高，录制的声音就更真实。因此在电脑上录音的实质是将模拟信号转换成数字信号。反过来，在播放时数字信号又被还原成模拟声音信号输出。

声卡的位是指声卡在采集和播放声音文件时所使用的数字声音信号的二进制位数。声卡的位客观地反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确程度。位数越高，在定域内能表示的声波振幅的数目越多，记录的音质也就越高。

2.2采样频率

每秒钟采集声音样本的数量。采集频率越高，记录的声音波形就越准确，保真度就越高。但采样数据量相应变大，要求的存储空间也越多。目前，声卡的最高采样频率是44.1kHz，有些能达到96kHz。一般将采样频率设为4挡，分别是44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz、8kHz。

2.3缓冲区

与一般数据采集卡不同，声卡面临的D/A和A/D任务通常是连续的。为了在一个简洁的结构下较好地完成某个任务，声卡缓冲区的设计有其独到之处。为了节省CPU资源，计算机的CPU采用了缓冲区的工作方式。在这种工作方式下，声卡的A/D、D/A都是对某一缓冲区进行操作。一般声卡使用的缓冲区长度的默认值是8192字节，也可以设置成8192字节或其整数倍大小的缓冲区，这样可以较好地保证声卡与CPU的协调工作。

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3、系统的程序设计

3.1 LabVIEW中有关声卡的控件介绍

利用声卡作为声音信号的DAQ卡，可以方便快捷地创建一个采集声音信号的VI。与声音信号相关的函数节点位于程序框图下【函数】选板下【编程】函数选板的【图形与声音】函数子选板的【声音】函数选板的各子选板，如图3.1所示。

图3.1 LabVIEW中声卡控件

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下面主要介绍【声音】/【输入】控件选板中相关控件的作用。

配置声音输入：配置声音输入设备（声卡）参数，用于获取数据并且将数据传送至缓冲区。

启动声音输入采集：开始从设备上采集数据，只有停止声音输入采集已经被调用时，才需要使用该VI。

声音输入清零：停止声音采集，清除缓冲区，返回到任务的默认状态，并且释放与任务有关的资源。

配置声音输出：用于配置声音输出设备的参数，使用“写入声音输出”VI将声音写入设备。

写入声音输出：将数据写入声音输出设备，如要连续写入，必须使用配置声音输出VI配置设备，必须手动选择所需多态实例。

声音输出清零：将任务返回到默认的未配置状态，并清空与任务相关的资源，任务变为无效。

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3.2声音信号的采集

要实现对声音信号的采集，首先需要用麦克的声音采集功能实现声音信号到电信号的转换，之后通过LabVIEW的配置声音输入子VI和写入声音文件子VI来完成声音信号的采集。

图3.2.1 声音信号的采集程序框图

图3.2.2 声音信号采集前面板设计

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3.3声音信号的分析

频谱分析是通过傅里叶变换把时域信号变换到频域，对采集声音文件的即时频谱分析，需要运用LabVIEW中的频谱测量控件，通过使用频谱测量控件对其进行FFT分析，这样时域信号就被转换为频域信号。

图3.3.1 采集声音文件的频谱分析

使用LabVIEW中的FFT Power Spectrum.vi完成功率谱分析，使用FFT Spectrum（Mag-Phase）.vi得到频域信号的幅值普和相位谱。同时，为了防止采集信号发生泄露，对所采集信号进行加窗处理。

图3.3.2 采集声音文件加窗后的功率谱和频谱分析

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图3.3.3 声音信号分析前面板设计

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3.4运行结果

将程序调节为单通道采集、44.1kHz采样频率、连续采样，开始运行程序。可以看到夹杂各种干扰的原始信号、滤波后的平滑信号、频谱分析信号，以及功率谱和加窗后的频谱分析。

图3.4.1 单声道声音信号采集

图3.4.2 单声道声音信号分析

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同样，将程序设置为双声道采集时，可以同时看到左右两个声道的声音信号波形图。

图3.4.3 双声道声音信号采集

图3.4.4 双声道声音信号分析

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4、结论

本次设计利用LabVIEW开发平台和计算机声卡，开发了一款集信号实时采集，信号分析，信号滤波，及其他辅助功能的程序功能模块。操作简单，人机交互界面友好。运用虚拟仪器技术设计信号分析系统，充分利用了计算机的分析处理能力和软硬件资源，解决了传统仪器在声音信号分析时开发成本高，开发周期长，用户无法自定义仪器功能，系统不能升级的问题。

在设计前面板时，为了让界面更加清晰简洁，使用了选项卡控件，避免了同一页面上出现太多波形导致眼花缭乱的困扰。在设计时遇到了很多问题，先是查阅资料时无法登陆图书馆，后来是visio软件不能下载安装，之后设计完成运行程序时经常跳出错误窗口然后自动关闭，这些问题后来都通过请教老师和同学解决了。通过这次设计，我更加明白了在遇到问题时，积极查阅资料或利用网络，一定能够解决，不要逃避这些问题。同时也感激老师和同学在设计过程中对我的帮助。

这次的设计由于时间问题功能还不是非常完善，没有能够全面地实现声音信号采集分析时所需要的其他功能，以后希望能改进，做得更好。

5、参考文献

[1]尚晓辉，王建，刘锐. 基于LabVIEW的声卡数据采集与实时处理系统设计[期 刊论文].军事通讯技术, 2012（02）

[2]黄松岭.虚拟仪器设计基础教程 2008

[3]杨乐平，李海涛，宵相生，等.《LabVIEW程序设计与应用》.北京：电子工业出版社

[4]方恺情，石琳。林亚平。虚拟电子实验台在实验教学中的应用.实验室研究与探索.2000.1

[5]吴义满.数字技术与应用.2013(2)

[6]肖成勇，雷振山，魏丽.LabVIEW 2010基础教程[M].北京：中国铁道出版社，2012

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[7]张重雄，张思维.虚拟仪器技术分析与设计.北京：电子工业出版社，2012 [8]史建芳.智能仪器设计基础.北京：电子工业出版社，2012

[9]林正盛.虚拟仪器技术及其发展[J].西安交通大学学报，1997（04）：10-14 [10]好久强.虚拟仪器软件开发平台的研究[J].西安交通大学学报，1997，31（9）：6-9

[11]李纪欣.虚拟仪器技术及其发展趋势[J].电子材料与电子技术.2005（3） [12]戴鹏飞.《测试工程与LabVIEW应用》.北京：电子工业出版社 [13]郭银景.信号与系统[M].北京：机械工业出版社，2009

[14]王磊，陶梅.精通LabVIEW8.0[M].北京：电子工业出版社，2007 [15]乔瑞平，林欣等译.LabVIEW实用教程[M].北京：电子工业出版社，2006

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6、附录

总体程序框图设计：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rot3.html