聲音信號采集處理器的LabVIEW設計

ID:352458 · 發表于 2020-1-5 01:25

一、設計任務與要求
本次設計的目標是在查找和閱讀大量文獻的基礎上，學習和研究聲音信號分析，聲卡和LabVIEW的基本理論及其在實際應用中的主要解決方法，達到符合實際應用的工程要求。這個聲音信號采集分析處理器可以提供更便于操作，通用性更強的實時信號分析系統，并且以計算機本身的聲卡代替專用的數據采集卡進行數據采集，不僅價格低廉，開發簡單，無需添加任何ADC和DAC硬件，即可將一臺計算機變成一臺集聲音信號的實時采樣分析，信號發生，信號存儲等多功能于一體的分析系統，而且系統靈活性更強，可根據被測對象進行功能擴展，實現用戶自定義功能的分析系統，提升分析效率。在LabVIEW平臺上完成信號發生、信號分析和人機交互界面設計，實現了聲音信號的濾波、頻譜分析、功率譜、幅度普和相位譜分析等多種功能。
二、設計總體框圖
圖 1 設計總框圖
三、聲卡特性及其參數（一）聲卡的作用
從數據采集的角度來看，聲卡是一種音頻范圍內的數據采集卡，是計算機與外部的模擬量環境聯系的重要途徑。聲卡的主要功能包括錄制與播放、編輯和處理、MIDI接口三個部分。
（二）聲卡的工作原理
聲音的本質是一種波，表現為振幅、頻率、相位等物理量的連續性變化。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換為數字信號，經過DSP音效芯片的處理，將該數字信號轉換為模擬信號輸出。輸入時，麥克風或線路輸入（Line In）獲取的音頻信號通過A/D轉換器轉換成數字信號，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字化的聲音信號以PCM（脈沖編碼調制）方式送到D/A轉換器，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）送到音箱等設備轉換為聲波。
（三）聲卡的硬件結構
圖2是一個聲卡的硬件結構示意圖。一般聲卡有4~5個對外接口。
圖 2 聲卡的硬件結構
聲卡一般有Line In 和MicIn 兩個信號輸入，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，幅值大約為0.02~0.2V。聲音傳感器（采用通用的麥克風）信號可通過這個插孔連接到聲卡。若由MicIn 輸入，由于有前置放大器，容易引入噪聲且會導致信號過負荷，故推薦使用Line In ，其噪聲干擾小且動態特性良好，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WaveOut和SPK Out。WaveOut（或Line Out）給出的信號沒有經過放大，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生器的輸出。
（四）采樣位數
采樣位數可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個數值越大，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字0和1來表示的。所以在電腦上錄音的本質就是把模擬聲音信號轉換成數字信號。反之，在播放時則是把數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使用數字聲音信號的二進制位數。聲卡的位客觀地反映了數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。位數越高，在定域內能表示的聲波振幅的數目越多，記錄的音質也就越高。
（五）采樣頻率
每秒鐘采集聲音樣本的數量。采集頻率越高，記錄的聲音波形就越準確，保真度就越高。但采樣數據量相應變大，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。一般將采樣頻率設為4擋，分別是44.1KHz、22.05KHz、11.025KHz、8KHz。
（六）緩沖區
與一般數據采集卡不同，聲卡面臨的D/A和A/D任務通常是連續的。為了在一個簡潔的結構下較好地完成某個任務，聲卡緩沖區的設計有其獨到之處。為了節省CPU資源，計算機的CPU采用了緩沖區的工作方式。在這種工作方式下，聲卡的A/D、D/A都是對某一緩沖區進行操作。一般聲卡使用的緩沖區長度的默認值是8192字節，也可以設置成8192字節或其整數倍大小的緩沖區，這樣可以較好地保證聲卡與CPU的協調工作。聲卡一般只對20Hz~20KHz的音頻信號有較好的響應，這個頻率響應范圍已經滿足了音頻信號測量的要求。
四、系統程序設計
（一）labview中有關聲卡介紹
利用聲卡作為聲音信號的DAQ卡，可以方便快捷地創建一個采集聲音信號的VI。與聲音信號相關的函數節點位于程序框圖下【函數】選板下【編程】函數選板的【圖形與聲音】函數子選板的【聲音】函數選板的各子選板，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】控件選板中相關控件的作用。
配置聲音輸入：配置聲音輸入設備（聲卡）參數，用于獲取數據并且將數據傳送至緩沖區。
啟動聲音輸入采集：開始從設備上采集數據，只有停止聲音輸入采集已經被調用時，才需要使用該VI。
聲音輸入清零：停止聲音采集，清除緩沖區，返回到任務的默認狀態，并且釋放與任務有關的資源。
配置聲音輸出：用于配置聲音輸出設備的參數，使用“寫入聲音輸出”VI將聲音寫入設備。
寫入聲音輸出：將數據寫入聲音輸出設備，如要連續寫入，必須使用配置聲音輸出VI配置設備，必須手動選擇所需多態實例。
聲音輸出清零：將任務返回到默認的未配置狀態，并清空與任務相關的資源，任務變為無效。
（二）聲音信號的采集
要實現對聲音信號的采集，首先需要用麥克的聲音采集功能實現聲音信號到電信號的轉換，之后通過LabVIEW的配置聲音輸入子VI和寫入聲音文件子VI來完成聲音信號的采集。聲音信號的采集程序框圖如圖6所示。聲音信號采集前面板設計如圖7所示。
圖 6 聲音信號的采集程序框圖
圖 7 聲音信號采集前面板設計
（三）聲音信號的分析
頻譜分析是通過傅里葉變換把時域信號變換到頻域，對采集聲音文件的即時頻譜分析，需要運用LabVIEW中的頻譜測量控件，通過使用頻譜測量控件對其進行FFT分析，這樣時域信號就被轉換為頻域信號。采集聲音信號的頻譜分析如圖8所示。
圖 8 采集聲音信號的頻譜分析
使用LabVIEW中的FFT Power Spectrum.vi完成功率譜分析，使用FFT Spectrum（Mag-Phase）.vi得到頻域信號的幅值普和相位譜。同時，為了防止采集信號發生泄露，對所采集信號進行加窗處理。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
信號進行加窗處理后的信號分析前面板如圖10所示。
圖 10 信號分析前面板
（四）報表生成
生成報表的框圖如圖11所示。生成結果如圖12所示。
圖 11 生成報表
圖 12 生成報表結果
（五）運行結果
將程序調節為單通道采集、44.1kHz采樣頻率、連續采樣，開始運行程序。可以看到夾雜各種干擾的原始信號、濾波后的平滑信號、頻譜分析信號，以及功率譜和加窗后的頻譜分析。運行結果如圖13、14所示。
圖 13 運行結果1
圖 14 運行結果2

全部資料51hei下載地址：

聲音信號采集處理器.zip (84.66 KB, 下載次數: 231)

ID:702297 · 發表于 2020-3-4 14:13

老哥可以啊，找了這么久終于找到這方面的了

ID:352458 · 發表于 2020-3-28 23:27

為什么沒有評分和黑幣呢？admin

ID:718997 · 發表于 2020-4-2 19:32

謝謝，很有用。

ID:834231 · 發表于 2020-10-25 10:29

感謝，十分有用，謝謝老兄的奉獻.............

ID:896170 · 發表于 2021-3-24 20:34

文本中的提到的圖片老兄可否提供分享一下，想了解具體過程，謝謝大哥！！！

ID:983482 · 發表于 2021-12-14 16:12

用的什么版本呀

ID:1017442 · 發表于 2022-4-11 10:56

真不錯

ID:352458 · 發表于 2023-9-8 21:02

丑der 發表于 2021-12-14 16:12
用的什么版本呀

14版本

ID:1137206 · 發表于 2024-11-22 00:22

太厲害了，最近在做這方面的項目

ID:1142746 · 發表于 2025-1-8 15:22

感謝啊，正好做到關于這方面的研究，互幫互助

ID:1151167 · 發表于 2025-5-21 09:06

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