盧澤宇+亓夫軍+石嬌

摘 要：利用LabVIEW軟件，并結(jié)合計(jì)算機(jī)聲卡設(shè)計(jì)了一款操作簡(jiǎn)單、通用性較強(qiáng)的音頻信號(hào)采集、分析系統(tǒng)。借助該系統(tǒng)完成了在音頻范圍內(nèi)的信號(hào)采集工作，并在時(shí)域、頻域內(nèi)對(duì)頻譜進(jìn)行了具體分析。該系統(tǒng)投入使用后，具備數(shù)據(jù)采集、在線分析和離線分析等功能，實(shí)用性較高。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；聲卡；音頻信號(hào)；信噪比

中圖分類號(hào)：TP391.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.058

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升，虛擬技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。LabVIEW是當(dāng)前開發(fā)虛擬儀器的平臺(tái)之一，而聲卡是一種特殊的數(shù)據(jù)卡，主要用于收集音頻信號(hào)，將此二者結(jié)合運(yùn)用，可創(chuàng)建音頻信號(hào)的采集、分析系統(tǒng)。

1 音頻信號(hào)采集、分析系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面，主要運(yùn)用了筆記本電腦的聲卡。聲卡一般分為Mic In和Line In信號(hào)輸入接口。通過Mic In輸入時(shí)，會(huì)受到前置放大器的影響，易引入噪聲信號(hào)，導(dǎo)致整個(gè)信號(hào)進(jìn)入過負(fù)荷狀態(tài)；通過Line In輸入時(shí)，具有噪聲干擾較小的優(yōu)勢(shì)，且動(dòng)態(tài)化特性良好。對(duì)于聲卡而言，采樣頻率最高能達(dá)到96 kHz，采樣位數(shù)可達(dá)16位和32位，每路輸入信號(hào)的最高頻率通常被控制在22.05 kHz。16位數(shù)字系統(tǒng)的信噪比能達(dá)到96 dB，與專業(yè)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備相比，具備一定的優(yōu)勢(shì)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)方面，將LabVIEW軟件作為基礎(chǔ)性平臺(tái)，可以循環(huán)模式搭建總體框架。循環(huán)模式作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)的基本循環(huán)體系，可有效處理數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)音頻信號(hào)的傳播過程中，如果處理速度慢于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的速度，則數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在列隊(duì)函數(shù)所創(chuàng)建的緩沖區(qū)中。當(dāng)數(shù)據(jù)處理能力無法滿足處理要求時(shí)，則會(huì)調(diào)用緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，最終將提供新的生產(chǎn)元素，確保生產(chǎn)與需求同步。此外，在軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，音頻信號(hào)的采集、分析系統(tǒng)具備同時(shí)處理多任務(wù)的能力。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本次設(shè)計(jì)主要采用LabSQL設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。在LabVIEW軟件中運(yùn)用該數(shù)據(jù)庫(kù)十分便捷，工作人員無需深入了解ActiveX技術(shù)和SQL語(yǔ)言，只需要明確相關(guān)概念和設(shè)計(jì)要求即可。

2 音頻信號(hào)采集、分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 音頻信號(hào)的采集

利用LabVIEW中聲音信號(hào)的相關(guān)函數(shù)節(jié)點(diǎn)可采集音頻信號(hào)。系統(tǒng)在采集音頻信號(hào)的過程中，會(huì)重新配置聲卡，包括聲卡信號(hào)的保存路徑、采樣和聲卡釋放等。具體步驟如下：①充分調(diào)用聲音輸入函數(shù)，配置聲卡并開始采集數(shù)據(jù)，將采樣率設(shè)置為44.1 kHz，通道數(shù)設(shè)置為2，采樣位數(shù)設(shè)置為16位，音頻信號(hào)的模式設(shè)置為連續(xù)采樣，并將緩存設(shè)置為每個(gè)通道10 000個(gè)樣本。②打開聲音文件，設(shè)定完成音頻采樣數(shù)據(jù)的保存路徑；采樣結(jié)束后，可通過播放器播放soundtest文件，程序進(jìn)入while循環(huán)，開始連續(xù)采樣；充分運(yùn)用讀取聲音輸入函數(shù)，從緩存中讀取數(shù)據(jù)，并將樣本數(shù)量設(shè)定為22 050.③調(diào)用聲音清零函數(shù)，停止音頻采集工作，并對(duì)緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行清零處理，避免系統(tǒng)內(nèi)存被占用。

2.2 音頻信號(hào)的分析

運(yùn)用LabVIEW中函數(shù)選板信號(hào)處理模塊中的波形測(cè)量模塊，并提取單頻信息節(jié)點(diǎn)，可對(duì)采集到的音頻信號(hào)進(jìn)行頻域范圍內(nèi)的功率譜分析、時(shí)域內(nèi)的單頻分析。LabVIEW軟件對(duì)信號(hào)的頻域分析主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT分析。此外，還可運(yùn)用LabVIEW軟件強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，對(duì)采集到的音頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)域內(nèi)的分析，并可充分運(yùn)用數(shù)字濾波消除音頻失真、噪聲干擾等問題，從而提升信噪比。

3 音頻信號(hào)采集、分析系統(tǒng)的測(cè)試

為了測(cè)試基于LabVIEW軟件、聲卡的音頻信號(hào)采集、分析系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了具體的系統(tǒng)測(cè)試分析。采用該系統(tǒng)采集了一段音頻，并對(duì)音頻的輸出形態(tài)、信號(hào)波形進(jìn)行了分析。由分析結(jié)果可見，采集得到的音頻信號(hào)由多個(gè)頻率構(gòu)成，且在整個(gè)音頻信號(hào)中，頻率主要集中在200～1 000 Hz、5 000 Hz和5 600 Hz處。在具體測(cè)試過程中，該系統(tǒng)可準(zhǔn)確地檢測(cè)音頻信號(hào)的頻率、幅度和相位等，運(yùn)用LabVIEW波形顯示器可顯示音頻信號(hào)的波形，并最終顯示在功率譜中。因此，該系統(tǒng)在音頻信號(hào)的檢測(cè)中具有較高的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，以LabVIEW軟件為開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)聲卡開發(fā)的操作簡(jiǎn)單、具備良好的人機(jī)交互的音頻數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)的可靠性較高、檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕