基于PC声卡和LabVIEW的音频分析仪设计_图文

1、ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SC I ENCE 第13卷 第4期 2010年8月Vol 13 N o 4 Aug 2010计算机应用基于PC 声卡和Lab VI E W 的音频分析仪设计高丙坤,高润柠,王 静,陈 聪(东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江大庆 163318摘 要:硬件的音频分析设备昂贵,更新周期长,可扩性差。为此,基于计算机网络中的声卡,利用虚拟仪器,借助Lab V I E W 开发了音频分析仪,内容包括音频的采集和存储、音频的参数测量、音频的谱分析等内容。测试结果表明,该音频分析丰富了计算机网络实验功能,画面形象生动

2、,视觉效果明显。关键词:虚拟仪器;L ab V I E W;音频分析中图分类号:TN 912.3 文献标识码:A do:i 10.3969/.j issn .1672-4305.2010.04.039Desi gn i ng of audi o anal ysis i n str umentbased on sound card and Lab V I E WGAO B i n g-kun ,GAO Run-ning ,WANG Jing ,CHEN Cong(Schoo l o f E lectrica l and I nfor m ation Eng i n eering ,Northea

3、st Petroleum Un i v ersity ,D aqing 163318,Chi n aA bstract :S i n ce the aud i o ana l y sis instrum ent of hardware i s expensi v e ,has long m aintance per i o d and is hard to be expanded ,this paper uses LabV I E W to desi g n t h e audio analysis i n stru m en,t w h i c h uses sound card and v

4、 irtua l i n str um en.t It i n cludes t h e aud i o acqu isiti o n ,the audio para m eters m easur i n g and t h e aud i o spectr um analysis ,etc .Test result i m p lies that t h e aud i o ana l y sis instrum ent has en riched the co mpu ter net w ork exper i m ent f u ncti o ns and ach i e ved v

5、i v i d i m ages and good v isual effect K ey words :v irtua l instrum en;t LabV I E W;audio ana l y sis 基金项目:国家大学生创新性实验计划项目(项目编号:09102019;黑龙江省新世纪教改项目(项目编号:5656。传统的音频分析设备多数是由硬件电路构成,进行一次完整的音频测量及分析需要使用低失真音频信号源、交直流电压表、频率计、示波器、频谱分析仪等多种硬件仪器,购买整套的测试系统花费比较大,因此一些科技工作者开始研发智能音频分析仪,如以单片机ARM 开发1-2,但是很难实现仪器功能的进一

6、步的扩展。用户所购置的硬件仪器一旦过时,难以升级,只能购置新的仪器,增加用户的负担,因此出现了基于M atlab 的音频频谱分析3。随着LabV I E W 的应用,开发虚拟音频分析设备成为必然。与传统仪器相比,借助于LabV I E W 软件设计的虚拟音频分析仪可以替代传统的音频分析设备,且扩展性能好,因此具有广阔的应用前景。基于声卡的虚拟音频分析仪采用PC 机普通声卡进行数据采集,不增加额外的费用,而且对音频信号分析和处理后的结果可由PC 显示、保存和打印,使用方便。因此本文对基于声卡的虚拟音频分析仪进行设计,实现音频采集、分析和处理等功能,在教学中完全可以取代传统的音频分析仪,具有实际应

7、用价值4。1 虚拟音频分析仪设计思路LabV I E W 是一种图形化的编程环境,可以工作在多个平台,基于LabV I E W 开发的虚拟仪器具有灵活性,因为它提供了丰富的函数库和子例程,还有专用的代码库,用于数据采集(DAQ ,通用接口总线(GPI B 和串口仪器的控制,数据分析,数据显示,数据存储和互联网之间的通信。分析库包括许多有用的函数,有信号产生、信号处理、滤波、加窗、统计、回归、线性代数和矩阵运算。为此,首先运用Access 创建datadb数据库,然后向数据源管理器添加数据源,再调用LabV I E W函数库,采取模块化设计,并将实验模块进行整合和调用,最终组成一个完整的基于声卡

8、的音频分析仪。2 虚拟音频分析仪功能基于声卡的音频分析仪的功能模块包括两部分:音频分析和其它功能,其中音频分析部分具有声卡设置、噪声分析、音频采集和保存、音频参数测量、信号加噪分析、音频频谱分析和音频功率谱分析七个功能;其它功能包括录音与回放、M orse编码、波形转换声音和用户管理。音频分析仪的主程序采用事件结构用前面板的OK Button和水平摇杆开关的释放触发调用事件结构相应的子v i。将登陆子vi和用户管理子vi连接到一起,实现用户管理对当前用户信息的调用。用选项卡控件将音频分析和其它功能分别放置在选项卡1和选项卡2上,得到音频分析仪的主界面5。3 虚拟音频分析仪模块3.1 虚拟音频采

9、集声卡从话筒中获取声音模拟信号,通过模数转换器(ADC,将声波振幅信号采样转换成一串数字信号,存储到计算机中。通过设置声卡的选择、采样模式、每通道采样数、采样率、通道数、每位采样位数来进行声卡的设置。如果将声卡设置为双通道,将采集的音频波形文件命名为默认的tes.t w av,得到双通道的音频采集图。如果声卡设置为单通道则运行音频采集将实现单通道的音频采集。当没有音频输入时采集的为系统噪声。3.2 虚拟音频参数测量音频参数测量模块可调用音频采集和保存模块所采集的音频,或者是其他待测的波形文件对其进行时域参数的测量。点击读取波形按钮可选择待测的音频波形文件,且音频信号的每通道采样数采样率等信息将

10、会显示出来。点击参数测量被测音频信号的幅度周期平均值、幅度周期均方根、峰峰值等信息将被测得并显示出来。音频参数测量如图1所示。3.3 虚拟音频分析音频频谱分析模块可调用音频采集和保存模块所采集的音频,或者是其他待测的波形文件对其进行频谱分析,得到FFT的幅频图和相频图。可手动选择加不同的窗,设置平均参数, 设置查看方式。点图1 虚拟音频参数测量击读取波形,进行待测波形文件的选择,同时历史数据波形将对波形进行显示。选择要加的窗查看方式和平均参数后点击更新频谱,波形文件的FFT幅频图和相拼图将会重新按照选好的模式加以显示6。3.4 音频功率谱分析音频功率谱分析实现对音频采集模块保存的音频波形或其他

11、波形文件的功率谱分析,得到的波形是被测波形的平均自功率谱。点击读取波形选择待测的波形文件,设置平均参数选择显示方式和窗后点击更新功率谱则得到所要的波形。音频功率谱分析的程序运行界面如图2所示7 。图2 虚拟音频功率谱分析3.5 信号加噪分析信号加噪分析模块的原始信号是正弦波,通过对正弦波的参数进行设置得到原始信号波形图的不同波形显示8;通过设置噪声选择,噪声幅度、标准偏差和采样信息产生不同的加噪信号波形并显示在混合波形图中。功率谱波形图显示的是混合波形的平均自功率谱。信号加噪分析程序运行界面如图3所示。 118高丙坤,等:基于PC 声卡和LabV I E W 的音频分析仪设计图3 信号加噪分析

12、3.6 录音与回放模块录音与回放模块实现对音频信号的保存和回放,可选择输入和输出音频的声卡,设置音质、采样速率、缓冲量等。设置后点击录音键实现音频的录入,按下停止键可选择录制声音的文件名保存路径。点击播放按钮可以实现音频的回放。点击退出按钮将退出程序的运行9。3.7 M orse 编码将字母和数字分别进行编码,在信息输入文本框内敲入信息,程序执行后改变信息则不能生效。信息输出框仍然会显示程序运行前的消息并产生对应的码音。可以对信号的频率、编码的速度和音量的大小进行调节。M orse 编码的界面如图4所示。 图4 Mo rse 编码3.8 波形转换波形转换声音模块需配置波形、采样频率等信息,再用

13、这些信息生成调用声卡的输出写入V i 产生声音输出。波形的选择有正弦波、三角波、方波和锯齿波,不同的设置产生不同的声音输出。波形转换声音的程序执行界面如图5所示。图5 波形转换4 结论本文使用PC 机的普通声卡作为数据采集设备在LabV I E W 平台上设计了基于声卡的音频分析仪,该音频分析仪的内容、参数和体系可以随时更新和扩展,改善了硬件实验更新成本高、更新周期长的状况;可以脱离Lab -V I E W 环境在不同平台上实现信号采集、分析、波形显示等多功能;音频分析仪的画面形象生动,视觉效果明显。因此该音频分析仪可以取代传统的音频分析设备,在实验教学中获得广泛应用10。参考文献(Refer

14、ences:1 马飞,张旭芬.基于LPC2148的音频分析仪设计J.电子元器件应用,2009,11(10:8-10.2 郑艺成,宋跃,张志坚,等.ARM 控制的音频分析仪设计J.深圳信息职业技术学院学报,2008,6(2:29-32.3 郑长义.音频频谱分析仪的设计J.吉林师范大学学报(自然科学版,2003(4:30-31.4 王晓峰.基于虚拟仪器结构的虚拟式音频分析仪设计D .重庆大学,2002.5 A.H.Tan er ,N .M.W h ite .V irt ual i ns tr um en tati on:a sol uti on tot h e p rob le m of desi gn co m p l ex it y i ntelli gen t i nstrum ents J .M eas ure m ent and Contro,l 2006(29:165-171.6 孟建良,杨兴兴.基于LabVIE W 的虚拟音频信号分析仪设计J .微计算机信息,2009,29(5:115-204.7 C.L .C l ark .LabvIe w d i g it al s i gn alp rocess i ng and d i g i tal co mm un icati onsJ.M easure m en t and Con tro,l