基于LabView的虚拟音频信号分析仪设计

传感器与仪器仪表文章编号:1008-0570(2009)05-1-0116-02《微计算机信息》(测控自动化)2009年第25卷第5-1期基于LabView的虚拟音频信号分析仪设计DesigningofvirtualvolumesignalanalyzerbasedonLabView(华北电力大学)孟建良杨光兴MENGJian-liangYANGGuang-xing摘要：首先讨论了音频信号的测量原理，然后介绍了一种在LabView环境下，采用普通计算机声卡代替商用数据采集卡所设计的一个具有较高采样精度、中等采样频率的虚拟音频信号分析系统。此系统实现了对音频信号的数据采集功能，并能对采集到的音频信号进行基本参数的测量及时域和频域分析。系统性价比较高，具有良好的扩展性，可推广至语音识别、噪声监测等多种工程测量及实验室应用。关键词：虚拟仪器；数据采集；信号分析；LabView；声卡中图分类号：TN911.6文献标识码：A技术创新Abstract：Thetheoryofaudiosignalmeasurementisdiscussedfirst,andthenavirtualsoundsignalanalyzerwithhighsamplingprecision,middlingsamplingfrequencyisdevelopedunderLabviewsoftwareplatform,whichisbasedonPCsoundcardinsteadofcommercialacquisitioncard.Itcancollectsoundsignals,performbasicparametermeasurement,andanalyzesignalsbothintimedo-mainandfrequencydomain.Withhighcostperformanceandstrongcommonality,ittakesonwiderforegroundinfieldsofengineeringmeasurementandlaboratoryapplication.Keywords：virtualinstrument;dataacquisition;signalanalyzing;LabView;soundcard引言音频信号测量一般包括频率、电压、信噪比（SNR）、谐波失真（THD）等基本参数，大部分音频信号参数都可以由这几种基本参数组合而成。音频信号的分析包括两个方面：一是时域分析，即以时间为自变量，研究音频信号的时域波形；二是频域分析，即以频率作为自变量，在频域内对信号的频谱进行分析，其基本方法是采用傅立叶变换，将采集到的信号分解为一系列不同频率的正弦分量的叠加。传统的音频信号采集、测量与分析需要购置各种昂贵的专用仪表，如数据采集卡、示波器、频谱仪等，而且需要将其整合到一起才能完成音频信号的测量与分析。随着虚拟仪器技术的发展，根据测试任务的需要，在通用计算机上利用硬件来实现数据采集功能，利用软件自由定义和设计仪器功能，完成信号分析和处理及结果输出等任务，体现了虚拟仪器技术关于“软件就是仪器”的思想，给传统的信号采集及分析提供了新的途径。LabView是由美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCo.）推出的面向计算机数据采集、测量、控制等领域的虚拟仪器软件开发平台，是一种基于图形化语言来创建应用程序的开发工具。基于LabView平台，采（G语言）用普通计算机声卡，即可实现对音频信号的分析处理。转换器在幅值上量化，得到时间和幅值上都变为离散的数字信号,称为采样信号。1.2傅立叶变换周期信号可以利用周期函数x(t)表示，任何一个周期为T的周期函数x(t)，如果在??T/2,T/2?上满足Dirichlet条件，则可以展开为傅立叶级数：(1)aÁbÁ其中，为余弦分量的幅值，为正弦分量a0为直流分量，?Á?为AÁ的幅值，为各频率分量的幅值，为各频率分量的相位，角频率。1.3测量误差分析音频信号测量与分析主要是对实际的声音信号进行采集，并对采集来的信号进行参数测量及时域和频域的分析。在实际测量中，由于测量方法、设备及环境的缘故，测量结果通常会与真值之间存在一定误差。下图1以鱼骨图的方式，对音频信号测量中误差产生的主要原因进行了分析，以便采取相应的措施尽可能的减小测量误差。x(t)?aÁ/2??AÁsin(n?t??Á)?aÁ/2??(aÁcosn?x?bÁsinn?x)ÁÁÂÂÁÂÁÂ1音频信号测量原理1.1信号采样在以计算机为中心的测试系统中，模拟信号x(t)进入计算机前要首先经过数据采集卡,由数据采集卡的采样器以等时间间隔进行采样,则采样时刻0，T，2T…所取得的信号x(t)的瞬时值，构成了连续信号x(t)的离散时间序列x(nT)；而后再经A/D孟建良:副教授元/年图1误差原因图2信号频谱模拟信号x(t)的采样可看成是与冲激脉冲序①频率混叠：(t)相乘，列pÁ采样信号可表示为《现场总线技术应用200例》您的论文得到两院院士关注传感器与仪器仪表(2)xÁ(nT)?x(t)pÁ(t)2基于声卡的虚拟音频信号分析(?)，(nT)的频谱为XÁ当x(t)的频谱为X(?)时，则xÁ如上图2.1系统结构，如果采样频率?Á不能满足采样2所示。设信号最高频率为?Á声卡工作原理如下图3所示。输入时，语音信号从线路输定理，即?p?2?m,则在重复频谱交界处就会产生重叠，即所谓）进入A/D转换器，从而将语音信号转化为数字信（LineIn的“频谱混叠”。混叠后的频谱失去原来x(t)频谱的波形形状，入号，然后送到计算机进行播放、录音等处理；输出时，计算机通且即使经滤波器也无法滤出原信号频谱，从而造成失真。一般过总线将数字信号发送到D/A转换器，将其转换为模拟音频信的，由于工程应用中低通滤波器不可能有理想的低通特性，故号，进而通过功放或线路输出（LineOut）送到音箱等设备转化采样频率要更高一些，通常设定?p?(4~20)?m。为声波。由于对连续信号进行采样的时间总是有限②截断与泄漏：的，只能取有限个采样点，相当于截取连续信号的一部分。这种截取相当于对被处理信号加了一个矩形窗，窗口以外的信号均视为零。时域信号被矩形窗截断的地方出现了突变间断点，而矩形窗的频谱除了主瓣外，边上还有旁瓣泄漏现象。为减小频图3系统结构图谱泄漏，应根据被测信号的特点，选取不同形状的窗口，从而抑以声卡作为语音信号采集工具的虚拟音频信号分析系统，制旁瓣，增大主瓣，以提高频率分辨能力。实际应用中要综合考主要完成对已进行A/D转换后的数字信号进行分析和处理工作。虑主瓣峰值与最大旁瓣峰值之比、主瓣宽度和最大旁瓣宽度2.2软件设计等。例如相对于矩形窗口，由于在时域变化激烈，波形直上直系统软件开发平台选用LabView8.2,包括虚拟仪器前面板下，造成高频分量极为丰富且衰减缓慢；而Hanning窗、Ham－和程序框图两部分，二者是相对应的。下图4是虚拟音频信号ming窗等函数在时域的变化则相对缓慢，其高频分量衰减较分析系统的流程图，图5是虚拟音频信号分析系统前面板。根快，旁瓣抑制效果较明显。据程序完成的不同功能，整个系统可分为数据采集、信号测量对于非周期信号而言，理论上应当具有连续③栅栏效应：及分析三个模块。的频谱，但数字谱分析是用对连续频谱的一个长度为N的采样数据采集程序根据用户设置的声音格式从声①数据采集：(n)来逼近连续频谱值的，(n)视为离散傅立叶数据序列xÁ将xÁ卡对语音信号进行采集。数据采集过程分为三步：初始化/配置级数变换（DFS）中的一个周期来进行DFS计算。由于DFS只计信号采样及释放声卡。本文默认设置采样频率为8KHz,采声卡、算有限的N个采样点的频谱，因此相邻两个采样点之间的频谱采样方式为单声道。用户可以通过波形显示窗“栅栏”观察景物一样，这就是栅栏效应。样位数为16位，无法观察到，如同通过口直接对采集到的原始信号进行观察；另外，采集到的信号还由于不在采样点上的频谱无法显示，从而可能漏掉重要的峰被送到信号测量及分析模块进行测量和分析处理。值。实际应用中，采样频率和采样长度要综合考虑，提高采样频参数测量主要完成对音频信号的频率、电压、②参数测量：率，有利于消除频谱混叠，但会使频率分辨能力降低，因此需要信噪比、谐波失真等基本参数的测量。大部分音频参数都可以增加采样长度N，但这又会使计算量增加。信号测量之前加入由这几种基本参数组合而成。为避免干扰，量化即将采样到的信号的幅值转化为数字信④量化误差：之(nT)可能出现的最大值为A，了Butterworth滤波器，对采集到的信号进行平滑滤波处理，号的过程。若取采样后的信号xÁ频率、相位、信噪比及谐波失真等参后分别测量了峰值电压、令其分为D个间隔，则每个间隔长度为R?A/D,R即称为量化/VÂ)其中VÁ数。实际测量中，信噪比SNR?20lg(VÁ表示信号的有增量或量化步长。当采样后信号落在某一小间隔内，经过舍入或截尾的方法而变为相应的量化等级时，则会产生量化误差。效电压，表示噪声电压，通常用输入信号总电压代替信号电压），谐波失真量化增量D愈大，则量化误差愈大。量化增量大小一般取决于技术创新数据采集卡A/D转化的位数，例如16位声音采集卡可把音频信号的大小分为2?16?65536个量化等级来实现A/D转化。⑤噪音干扰：抑制干扰和噪音是设计测量系统的一个关键。可以采用以下几种方法来抑制音频信号采集中的噪声干扰屏蔽和接地是抑制外来噪声干扰的两种基*屏蔽和接地：本方法，二者结合起来，可以解决大多数场合的干扰问题；在信号分析之前，可以根据信号的频率范围*数字滤波：和应用需求加入相应的低通滤波器，实现对原始信号进行平滑滤波以消除谐波失真和噪音干扰。例如可以采用FIR滤波器。FIR滤波的通式为Xave(K)?A?X(i),i?1...K。显然其输出值仅取决于过去的输入值x(1)、x(2)、x(3)...和当前的输入。上述误差中，量化误差和噪音干扰是无法避免的，只能尽量减小；混叠误差在选取合适的采样频率和设置抗混滤波后是可以完全避免的；至于泄漏和栅栏效应，对周期信号作整周期截取是可以完全避免的，对于非周期信号则无法完全避免，只能尽量减小。PLC技术应用200例》图5音频信号分析系统DISTNe?100(%)（,其中肛e是信号基频分量电压，通eÁ(2?i?N)是信号各次谐波分量电压，en是噪声电压，常记做THD＋N）。（下转第204页）邮局订阅号：元/年-117-图1Ã仿真技术3.2座舱采集与仿真设施座舱采集与仿真设施主要是采集真实的模拟量信号，将自动飞行控制系统的指定部分A429信号转换为以太网信号传输给飞行环境仿真计算机。同时也将部分飞行环境仿真计算机传过来的以太网信号转换为A429信号输送给Rig台。对于飞行离散字、模拟信号和环境仿真计算机无法提供的A429状态字、离散信号由座舱采集与仿真设施按照X型飞机航空电子系统接口控制文件（ICD）的规定提供。3.3飞行参数仿真激励系统飞行参数仿真激励系统的主要功能是，在飞行环境仿真环境与真实航电系统交联时，将飞行环境仿真计算机生成的各种飞行参数、环境参数和导航信号等数据转换为符合ICD规范定义的真实飞机ADC、AHC、IRS、RNAV、ISI输出信号（A429信号、离散信号和模拟信号）。《微计算机信息》(测控自动化)2009年第25卷第5-1期4结论本文以我国某型支线客机航电系统综合仿真环境项目为背景，给出了DSI设施的组成、功能描述、系统配置等信息。与真实航电系统的交联仿真试验中表明，该仿真系统结构合理，功能能够满足试验要求。其中，采用飞行仿真软件包FLSIM进行二次开发来实现飞行环境仿真的核心模块，大量节省了DSI设施软件开发时间，提高了DSI设施构建效率。本文作者创新点:针对我国某型支线客机航电综合仿真环境，基于FLsim进行二次开发实现了飞行环境仿真的核心模块。参考文献王行仁.飞行实时仿真环境及技术[M].北京航空航天大学出［1］版社，1998.［2］吴旭光，杨惠珍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