王艷芬，王 剛，張曉光，李 劍

(中國礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

LabVIEW平臺下基于NI硬件設(shè)備的信號處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王艷芬，王 剛，張曉光，李 劍

(中國礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

結(jié)合中國礦業(yè)大學(xué)信號處理課程群建設(shè)，按照工程教育與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的新趨勢，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的信號處理實(shí)驗(yàn)平臺。重點(diǎn)介紹了基于NI-myDAQ的實(shí)時(shí)音頻均衡器和基于NI-ELVIS平臺的濾波器硬件電路設(shè)計(jì)兩部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在LabVIEW平臺實(shí)現(xiàn)與硬件設(shè)備直接相關(guān)的實(shí)驗(yàn)可以大大增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，有利于學(xué)生工程創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

LabVIEW軟件；NI-myDAQ設(shè)備；NI-ELVIS平臺；音頻信號均衡器；濾波器

根據(jù)工程教育與實(shí)驗(yàn)的新趨勢[1-2]，我們在信號處理課程群建設(shè)中進(jìn)一步拓展了綜合實(shí)驗(yàn)的形式和內(nèi)容[3]，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW軟件的信號處理綜合實(shí)驗(yàn)。借助美國NI公司硬件設(shè)備myDAQ和ELVIS上豐富的虛擬儀器，融入工程教育的理念，很大程度上實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新意識。

1 基于NI-myDAQ的音頻信號均衡器設(shè)計(jì)

LabVIEW是美國NI公司推出的一款圖形化的編程語言，是目前比較成功、應(yīng)用比較廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、電子工業(yè)、實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域[4]。LabVIEW的功能非常強(qiáng)大，擁有許多可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，可以用于一般的桌面程序的設(shè)計(jì)，豐富的庫函數(shù)十分方便對數(shù)據(jù)信號的分析處理。

本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)仿真和包括DTMF信號分析、音頻信號均衡器等內(nèi)容的綜合實(shí)驗(yàn)兩部分組成。下面主要介紹基于NI-myDAQ的音頻信號均衡器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1.1 NI-myDAQ概述

NI-myDAQ是一種使用NI LabVIEW軟件的低成本便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備，學(xué)生可使用它測量和分析實(shí)際信號，適用于電子設(shè)備和傳感器測量。通過與計(jì)算機(jī)上的LabVIEW配合，學(xué)生可分析和處理獲取的數(shù)據(jù)并可隨時(shí)隨地控制簡單的進(jìn)程。該設(shè)備提供了8種常用的用于計(jì)算機(jī)和LabVIEW的實(shí)驗(yàn)室儀器，包括萬用表、示波器和常用函數(shù)發(fā)生器。 用戶使用所有可以立即運(yùn)行的軟件儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，包括動(dòng)態(tài)信號分析儀(快速傅里葉變換)、波形發(fā)生器、數(shù)字輸入和數(shù)字輸出等。 NI-myDAQ與LabVIEW相結(jié)合，可為模擬電路、傳感器、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等課程提供一個(gè)基于動(dòng)手實(shí)踐的學(xué)習(xí)解決方案。

1.2 音頻信號均衡器原理介紹

音頻信號均衡器是一種可以分別調(diào)節(jié)音頻信號中的各種頻率成分的電子設(shè)備，通過調(diào)節(jié)音頻均衡器的參數(shù)，可以補(bǔ)償揚(yáng)聲器和聲場的缺陷，起到補(bǔ)償各種聲源或者實(shí)現(xiàn)某種聲音的效果。

語音信號由不同的頻率構(gòu)成，不同頻率的語音所構(gòu)成的聲音不同，對語音進(jìn)行處理其實(shí)質(zhì)就是對其不同頻率的信號進(jìn)行處理。一般將信號頻率分為11個(gè)頻段，每個(gè)頻段都有不同的聲音特點(diǎn)，見表1。

表1 人聲各頻率段音色效果

針對每個(gè)頻率段的聽覺效果不同，對其進(jìn)行改變，使音樂的效果發(fā)生改變，達(dá)到我們的要求。對聲音進(jìn)行處理，其實(shí)質(zhì)就是對音樂不同頻率信號的處理，得到自己想要的結(jié)果。

1.3 系統(tǒng)搭建

搭建的系統(tǒng)如圖1所示。用NI-myDAQ采集音樂，這里直接用手機(jī)播放音樂作為NI-myDAQ音頻輸入，耳機(jī)則為改變后的音頻輸出裝置。

1.4 音頻信號均衡器設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

對采集“DAQ助手”的配置。采集信號的“DAQ助手”電壓輸入范圍設(shè)置為“±2 V”，這是因?yàn)橐纛l信號的幅值不能過大，以防止對人耳造成傷害。采集模式選為“連續(xù)采集”；待讀取采樣設(shè)置為20 kHz；采樣率設(shè)置為100 kHz，并添加兩個(gè)通道，分別為左聲道和右聲道。同理，對生成“DAQ助手”進(jìn)行配置，生成模式選為“連續(xù)采集”，待寫入采樣設(shè)置為100；采樣率設(shè)置為44.1 kHz，并添加兩個(gè)通道，分別為左聲道和右聲道。

圖1 音頻信號均衡器系統(tǒng)搭建圖

將其放入While循環(huán)中，目的在于使其不停地采集播放，這樣就是整首歌的播放。如果按下停止則會停止播放。使用的頻率范圍不同，產(chǎn)生的聲音感覺會不同，只有使用了正常的范圍才會有美妙的音樂。

音樂均衡器程序框圖如圖2所示，主要使用濾波器進(jìn)行濾波，可以得到不同頻率的語音信號組成成分，將其疊加就可以獲得整體的語音。

按照上述原理，在前面板中將信號的頻率分為11個(gè)頻段，每個(gè)頻段代表的聽覺感受不同。音樂信號的均衡器設(shè)計(jì)主要基于不同頻率對于人耳的感覺不同來實(shí)現(xiàn)，對于一首歌，它是由許多的頻率共同組成，每個(gè)頻率范圍給人的感覺不同。例如，如果在均衡器的前面板對0～60 Hz段頻率進(jìn)行增強(qiáng)，會明顯地感受到音色的空間感增強(qiáng)；如果對60～100 Hz段頻率適度增強(qiáng)，會增加聲音的渾厚感，但是過多則會給人轟鳴感；而300～500 Hz頻率段的適度改變可以改變聲音的亮度。最主要的部分為4 k～8 kHz頻率段，如果均衡器能夠?qū)υ擃l率段適當(dāng)?shù)卦黾訒孤曇舻那逦群兔髁炼仍黾?，但是如果過多則會使音色變得尖銳，出現(xiàn)齒音。在8 k～12 kHz頻率范圍內(nèi)的聲音主要為高音區(qū)，增加之后明顯感到聲音的層次感出現(xiàn)。

可以依據(jù)個(gè)人的要求對聲音進(jìn)行均衡處理，在處理過程中要注意聲音不要過大，以免對耳膜造成傷害。該實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生們在濃厚的興趣中掌握信號處理的意義。

圖2 音樂均衡器程序框圖

2 基于NI-ELVIS的濾波器硬件電路設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，利用NI-ELVIS平臺，軟、硬件相結(jié)合，采用UA741運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)了低通、高通、帶通和帶阻等幾種常用濾波器。下面以高通濾波器設(shè)計(jì)為例加以介紹。

2.1 NI-ELVIS介紹

ELVIS是教學(xué)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器套件的簡稱。該套件集合了12種比較常用的實(shí)驗(yàn)儀器，包括數(shù)字示波器、數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字讀取器及寫入器、阻抗分析儀等人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的實(shí)驗(yàn)儀器、數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的整體平臺搭建。它在使用過程中利用LabVIEW自帶的軟件進(jìn)行操作，獲取界面數(shù)據(jù)。NI-ELVIS將硬件和軟件結(jié)合組成了一套相當(dāng)完整的實(shí)驗(yàn)平臺，中間的面包板可以由學(xué)生自主設(shè)計(jì)電路。

2.2 高通濾波器設(shè)計(jì)及仿真

UA741運(yùn)算放大器組成的高通基本電路如圖3所示。當(dāng)電容的阻抗和電阻阻抗相同時(shí)，電路的增益為-3 dB，此時(shí)的截止頻率為高通濾波器的低頻截止頻率fl，則fl的計(jì)算公式為fl=1/2πR1C2，按圖4的元件參數(shù)值，可得到fl≈16Hz。

高通濾波器仿真的系統(tǒng)搭建如圖4所示。由ELVIS平臺、UA741運(yùn)算放大器組成的高通濾波器(面包板插接)和計(jì)算機(jī)三部分組成。

圖3 高通濾波器的電路圖

圖4 高通濾波器的系統(tǒng)搭建圖

仿真時(shí)，系統(tǒng)的連線如下：

1)V1+連接NI-ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺的示波器輸入端CH0+，同時(shí)接信號發(fā)生器FGEN；

2)V1-連接NI-ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺的示波器輸入端CH0-，同時(shí)接地；

3)運(yùn)算放大器的輸出正極信號接NI-ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺的示波器輸入端CH1+；4)運(yùn)算放大器的輸出負(fù)極信號接NI-ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺的示波器輸入端CH1-；

運(yùn)行結(jié)果即高通濾波器的波特圖，如圖5所示。

圖5 高通濾波器的波特圖

由圖5可以讀出此高通濾波器的截止頻率為16 Hz左右，與理論計(jì)算一致。

3 結(jié)束語

通過以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以看出，利用NI-myDAQ和NI-ELVIS平臺進(jìn)行相關(guān)知識的動(dòng)手實(shí)踐，不僅能幫助學(xué)生將理論知識與實(shí)際更好地結(jié)合，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程概念，讓學(xué)生有更多的機(jī)會實(shí)踐并體驗(yàn)真實(shí)的電路和硬件。

[1]李夢軍. NI myDAQ在電子電路工程實(shí)踐教育中的應(yīng)用[J]. 河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，27(6)：29-31.

[2]劉貴棟，王淑娟. 基于NI myDAQ 的電子技術(shù)基礎(chǔ)課堂教學(xué)[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)，2012，22(9)：108-111.

[3]王艷芬， 張劍英， 張曉光， 等.信號處理課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(4)：132-134.

[4]豈興明，周建興，矯津毅，等. LabVIEW8.2 中文版入門與典型實(shí)例[M]. 北京：人民郵電出版社，2010.

Design of Signal Processing Experiment Based on the Hardware of the NI in the LabVIEW Platform

WANG Yanfen, WANG Gang, ZHANG Xiaoguang, LI Jian

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Combining with the construction of signal processing curriculum group in the China University of Mining and Technology, according to the new tendency of engineering education and the experiment, the signal processing experiment platform based on LabVIEW was designed. Two parts contents of experiment about audio signal equalizer based on NI-myDAQ and filter hardware circuit design based on the platform of NI-ELVIS were mainly introduced. The experiment based on the hardware in the LabVIEW platform can greatly enhance the students’ engineering practice ability, which is conducive to the cultivation of the students’ consciousness of engineering innovation.

LabVIEW software；NI-myDAQ equipment；NI-ELVIS platform; audio signal equalizer; filter

2014-09-20；修改日期:2014-12-18

教育部第六批國家特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目(TS1Z2 93)；江蘇省高等教育教改研究項(xiàng)目(2011JSJG 273)；中國礦業(yè)大學(xué)課程建設(shè)與教學(xué)改革項(xiàng)目(201208)。

王艷芬(1962-)，女，博士，教授，主要從事信號處理與通信方面的教學(xué)和科研工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.006