声卡的音频信分析仪的方案及对策

-.zan基于声卡的音频信号分析仪的设计摘要本文主要介绍如何用普通的计算机声卡代替商用数据采集卡,利用声卡的DSP技术和LabVIEW的多线程技术实现音频信号的数据采集,开发基于PC机声卡的虚拟音频信号分析仪。该系统能够正确采集声卡设计频率*围内的信号,实现音频信号时域分析和频谱分析功能。关键词声卡数据采集信号分析LabVIEWAgeneralaudioclassifierbasedonhumanperceptionmotivatedmodelAbstractTheaudiochannelconveysrichcluesforcontent-basedmultimediainde*ing.Interestingaudioanalysisincludes,besideswidelyknownspeechrecognitionandspeakeridentificationproblems,speech/musicsegmentation,speakergenderdetection,specialeffectrecognitionsuchasgunshotsorcarpursuit,andsoon.Alltheseproblemscanbeconsideredasanaudioclassificationproblemwhichneedstogeneratealabelfromlowaudiosignalanalysis.Whilemostaudioanalysistechniquesintheliteratureareproblemspecific,weproposeinthispaperageneralframeworkforaudioclassification.Theproposedtechniqueusesaperceptuallymotivatedmodelofthehumanperceptionofaudioclassesinthesensethatitmakesajudicioususeofcertainpsychophysicalresultsandreliesonaneuralnetworkforclassification.Inordertoassesstheeffectivenessoftheproposedapproach,largee*perimentsonseveralaudioclassificationproblemshavebeencarriedout,includingspeech/musicdiscriminationinRadio/TVprograms,genderrecognitiononasubsetoftheswitchboarddatabase,highlightsdetectioninsportsvideos,andmusicalgenrerecognition.Theclassificationaccuraciesoftheproposedtechniqueareparabletothoseobtainedbyproblemspecifictechniqueswhileofferingthebasisofageneralapproachforaudioclassification.KeywordsAudioclassification.Genderidentification.Musicgenrerecognition.Highlightsdetection.Perceptuallymotivatedfeatures.Content-basedaudioinde*ing.PiecewiseGaussianModelling-.z目录摘要=1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANIITOC\o"1-3"\h\z\u第1章绪论31.1课题背景31.1.1音频信号分析仪的原理31.1.2声卡的工作原理1.2总体要求与仪器工作原理第2章软件设计与实现32.1程序流程图32.2声卡的性能参数及数据采集2.2.1采样频率2.2.2采样位数2.2.3缓冲区2.3软件设计2.3.1前面板的设计2.3.2图形代码构造设计数据采集数据处理2.4虚拟音频信号分析仪软件可执行文件的制作第3章系统硬件电路设计33.1系统硬件根本组成局部33.2声卡的要求3.3单元电路设计信号调理和幅度检测单元设计信号采集系统设计信号分析处理系统设计程序主要流程3.4系统分析计算3.4.1功率谱测量方法3.4.2周期性判断方法3.4.3失真计算方法第4章系统测试与结果分析4.1测试仪器4.2指标测试4.3系统误差分析结论3致谢3参考文献3附录3-.z绪论课题背景音频信号分析仪是一种用来对被测信号进展频率、频谱及波形分析的重要测量工具。它主要利用频谱分析原理,频谱分析是把信号的能量用频率的函数显示出来,该仪器广泛应用于电声测量、音频制作、信号分析乃至振动测试等领域。其根本工作原理是对所测量的音频信号进展DFT(离散傅立叶变换>或FFT(快速傅立叶变换>变换，把时域信号转变为频域信号,在此根底上可以进展各种分析。LabVIEW是一种基于图形程序的虚拟仪器编程语言,在测试与测量、数据采集、仪器控制、数字信号分析、工厂自动化等领域获得了广泛的应用。LabVIEW程序采用方框图编程,具有友好的人机界面,在前面板中有用于模拟真实仪器面板的控件可供调用,可用于设置输入数值、观察输出值以及实现图表、文本等显示。实现LabVIEW对数据的采集和处理,传统的是采用数据采集卡,但是这些数据采集设备存在安装不便、价格昂贵、受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制,可扩展性差,同时在一些电磁干扰性强的测试现场,可能无法专门对其做电磁屏蔽,从而导致采集的数据失真。在LabVIEW下使用USB总线,可以同样实现数据采集,并且弥补了采集卡的缺乏。传统的用LabVIEW读写USB设备的方法是:先用VC++或Delphi编写动态库DLL文件,在DLL中通过调用WINAPI函数读写USB设备的数据,并存在缓冲区中,在LabVIEW中通过对DLL文件的调用提取缓冲区中的数据。介绍了在LabVIEW下,通过调用NI2VISA子程序控件,实现与USB设备的直接通信,防止了二次编程的麻烦和数据的中转。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。在虚拟仪器系统中,硬件解决信号的输人和输出,软件可以方便地修改仪器系统的功能,以适应不同使用者的需要〕。其中硬件的核心是数据采集卡。目前市售的数据采集卡价格与性能根本成正比,一般比拟昂贵。随着DSP(数字信号处理技术>走向成熟,PC机声卡可以成为一个优秀的数据采集系统,它同时具有A/D和D/A转换功能,不仅价格低廉,而且兼容性好、性能稳定、灵活通用,驱动程序升级方便。同时一般声卡16位的A/D转换精度,比通常12位A/D卡的精度高,对于许多工程测量和科学实验来说都是足够高的,其价格却比普通数据采集卡廉价得多。本文就是利用普通声卡作数据采集卡,以LabVIEW软件为开发平台,设计了一种低本钱高性能音频信号分析仪,该分析仪具有波形显示功能和频谱分析功能,即具有示波器和频谱分析仪的根本功能。音频信号分析仪的原理音频信号分析仪是一种用来对被测信号进展频率、频谱及波形分析的重要测量工具。它主要利用频谱分析原理,频谱分析是把信号的能量用频率的函数显示出来,该仪器广泛应用于电声测量、音频制作、信号分析乃至振动测试等领域。其根本工作原理是对所测量的音频信号进展DFT(离散傅立叶变换>或FFT(快速傅立叶变换>变换,把时域信号转变为频域信号,在此根底上可以进展各种分析。一起工作流程图如图1所示:图1信号调理与幅度检测单元当被测信号输入后,幅度检波器检测到幅度信息。系统据此调节程控衰减器,使调理后信号适宜A/D变换,同时也设定了模拟通道整体增益。A/D变换后信号与通道增益相乘后可得数字化的原信号,进展FFT运算及后续分析计算后,即可得被测信号各频率分量功率值大小。声卡的工作原理声卡作为语音信号与计算机的通用接口,其主要功能就是将所获取的模拟音频信号转换为数字信号,经过DSP音效芯片的处理,将该数字信号转换为模拟信号输出。声卡的根本工作流程为:输入时,麦克风或线路输人获取的音频信号通过A/D转换器转换成数字信号,送到计算机进展播放、录音等各种处理输出时,计算机通过总线将数转换器,变成模拟的音频信号,进而通过功率放大器或线路输出送到音箱等设备转换为声波字化的声音信号以PCM(脉冲编码调制>方式送到D/A转换器,变成模拟的音频信号,进而通过功率放大器或线路输出送到音箱等设备转换为声波。1.2总体要求与仪器工作原理用普通的计算机声卡代替商用数据采集卡,利用声卡的DSP技术和LabVIEW的多线程技术实现音频信号的数据采集,开发基于PC机声卡的虚拟音频信号分析仪。该系统能够正确采集声卡设计频率*围内的信号,实现音频信号时域分析和频谱分析功能。当被测信号输入后,幅度定了模拟通道整体增益。A/D变换后信号与通道增益相乘后可得数字化的原信号,进展FFT运算及后续分析计算后,即可得被测信号各频率分量功率值大小，假设输入检也设波器检测到幅度信息。系统据此调节程控衰减器,使调理后信号适宜A/D变换,同时为100Hz方波,仪器实际测试的功率谱如以下图所示：方波频谱分析结果-.z软件设计与实现程序流程图本系统的要求是PC机声卡可以成为一个优秀的数据采集系统,它同时具有A/D和D/A转换功能,不仅价格低廉,而且兼容性好、性能稳定、灵活通用,驱动程序升级方便。同时一般声卡16位的A/D转换精度,比通常12位A/D卡的精度高,对于许多工程测量和科学实验来说都是足够高的,其价格却比普通数据采集卡廉价得多。本文就是利用普通声卡作数据采集卡,以LabVIEW软件为开发平台,设计了一种低本钱高性能音频信号分析仪,该分析仪具有波形显示功能和频谱分析功能,即具有示波器和频谱分析仪的根本功能。，以本系统程序流程图如图2所示：信号调理与幅度检测信号调理与幅度检测FPGA声卡音频信号单片机A/D图2程序流程图2.2声卡的性能参数及数据采集声卡作为语音信号与计算机的通用接口,其主要功能就是将所获取的模拟音频信号转换为数字信号,经过DSP音效芯片的处理,将该数字信号转换为模拟信号输出。声卡的根本工作流程为:输入时,麦克风或线路输人获取的音频信号通过A/D转换器转换成数字信号,送到计算机进展播放、录音等各种处理输出时,计算机通过总线将数转换器,变成模拟的音频信号,进而通过功率放大器或线路输出送到音箱等设备转换为声波字化的声音信号以PCM(脉冲编码调制>方式送到D/A转换器,变成模拟的音频信号,进而通过功率放大器或线路输出送到音箱等设备转换为声波。为了用声卡采集数据必须先设定声卡的主要技术参数。2.2.1采样频率目前,普通声卡的最高频率为44.1kHz,一般采样频率分为4档,分别为44.1kHz,22.05kHz,11.02kHz，8kHz。根据采样定理,采样频率应为被测信号频率的2倍以上。2.2.2采样位数将声音从模拟信号转化为数字信号的二进制位数<bit〕。按位数分声卡有8位声卡、16位声卡。位数越高,在定域内能表示的声波振幅的数目越多,记录的音质也就越高。例如,16位声卡把音频信号的大小分为=65536个量化等级来实施上述转换。所以一般设定为16位。2.2.3缓冲区一般声卡使用的缓冲区为8KB<8192〕字节,这是由于对*86系列处理器而言,在保护模式下,内存以8KB为单位被分成了很多页,对内存的任何都是按页进展的。CPU保证在读写8KB长度的内存缓冲区时,速度足够快,并且不会被其他外来事件打断。设置8192字节或其整倍数大小的缓冲区,可以较好地保证声卡与CPU的协调工作。在设定了声卡的主要参数后,在利用声卡的DMA方式进展数据采集。在LabVIEW环境中,LabVIEW提供了一系列使用Windows底层函数编写的与声卡有关的函数,这些函数集中在SoundVI下,有两大模块SoundInput和SoundOutput如SoundInput模块中SIConfig、SIStart、SIRead、SIStop、SIClear函数,如图3。图3声卡输入模块声卡的数据采集流程如图4所示。图4声卡的数据采集流程2.3软件设计基于声卡的虚拟音频分析仪利用声卡采集数据,利用LabVIEW软件编程实现参数设置,信号采集、处理和信号回放等功能。一个LabVIEW程序包括两局部：前面板和图形代码。2.3.1前面板的设计程序前面板是模仿真实仪器的面板,用于设置用户输人和显示程序输出。本文设计的虚拟音频信号分析仪的前面板分3个功能示波器、频谱分析仪和系统设置,如图5所示。示波器的前面板中包含实时波形显示窗口,可以显示实时采样波形和滤波后信号波形及加窗后信号波形。系统设置可以设置声卡的采样频率和采样位数,同时可以设置缓冲区的容量。频谱分析仪面板中,采用FFT算法完成自功率谱分析。通过图形窗口的选择、单位的选择、坐标显示模式的选择等参数设置,显示信号的自功率谱。还可以显示频谱分析测量的音频信号的最大值和信号基频。可以说系统设置面板是系统相关参数的设置说明和使用说明。图5虚拟音频信号分析系统前面板2.3.2图形代码构造设计虚拟音频信号分析仪的框图程序和前面板是对应的,前面板中放置的对象在程序框图中有相应的对象,框图程序如图6。根据VI构造化的特征,把整个系统分为数据采集和信号分析两个模块,以友好的图形界面与用户进展交互。图6音频信号分析系统框图程序数据采集数据采集模块根据用户设置的声音格式从声卡获得数据。采集到的数据及其频谱特性以直观的图形方式呈现于用户面前。该模块还提供保存所有或局部数据以及转到信号分析模块的功能。由于PCM波形音频格式输出的信号质量最好,所以本文使用该格式对信号进展数字化处理。数据采集过程分为3步：初始化/配置声卡；采样；释放声卡。本文根据主流声卡的性能指标,默认设置采样频率为44.1kHz,采样位数为16位,采样方式为单声道,这样采样的波形稳定,而且干扰小。声卡对外部信号的采样在起始局部会有几十个不稳定的数据,所以无特殊要求时忽略了前100个数据。图5所示局部用户界面中的波形是通过麦克风实时采集的儿童高音,其效果已经满足了普通测量要求,在采集暂停和终止时可以通过LabVIEW波形显示器(WaveformGraph>自带的功能对波形进展观察和测量,对稳定的周期信号还可以直接准确地读出幅值和频率。数据处理信号分析模块从采集模块获得数据后,对全部数据进展时域和频域分析并显示相应的时域图和频域图该系统主要使用了LabVIEW中WhileLoop构造来实现整个程序的信号采集功能,并且应用了SoundInput和SignalProcessing模板中的节点完成信号采集、时域图实时显示、加窗和功率谱分析等操作。在信号分析之前加人了Butterworth低通滤波器,对原始信号进展平滑滤波处理以消除高次谐波失真和噪声干扰,提高信噪比。与模拟滤波器相比,该数字滤波器不需要高精度组件,不会因温度、湿度的变化产生误差,提高了测量分析的精度。2.4虚拟音频信号分析仪软件可执行文件的制作在LabVIEW环境下,可以创立32位的编译程序,该程序可脱离LabVIEW开发环境执行,从而为完成常规的数据采集、测试、测量等任务提供了更快的运行速度。本文把所设计的虚拟音频信号分析仪软件创立为一个可执行程序,不但使软件应用方便,而且提高了运行速度。系统测试与结果分析系统硬件根本组成局部本系统的硬件主要由信号预处理模块、信号采集模块、信号的频谱分析模块、时钟触发信号、系统控制模块和声卡6局部组成3.2声卡的要求声卡一般有LineIn和MicIn两个信号输人插孔,音频信号可通过这两个插孔连接到声卡。假设由MicIn输人,由于有前置放大器,容易引人噪声且会导致信号过负荷,故推荐使用LineIn,其噪声干扰小且动态特性良好。声卡测量信号的引人应采用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪声干扰。假设输人信号电平高于声卡所规定的最大输入电平,则应在声卡输人插孔和被测信号之间配置一个衰减器,将被测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电平。假设利用声音传感器普通麦克风则硬件连接比拟简单。假设分析一般的音频信号,硬件的连接可以采用两种连接线：一条一头是3.5mm的插孔,另外一头是鳄鱼夹的连接线一条双头为3.5mm的插孔的音频连接线。3.3单元电路设计信号调理和幅度检测单元设计信号调理和幅度检测单元应完成以下功能:①程控衰减和放大功能。②波形变换,为A/D采样提供触发信号,保证FFT的准确性。③有效值检波,实现程控增益和功率计算双重功能。单元电路主要将输入信号转换为适合A/D数据采集的信号,本设计将信号灵敏度扩展至20mV～20V, 频率扩展至20Hz～20kHz。为保证适宜幅度的信号进入A/D转换器,选用宽带放大器的固定放大20倍,99档的数字电位器作为程控衰减器。为保证整个频率*围内增益平坦,选用LM733作为前置放大器。实际上,该电路工作频率可达10MHz以上。程控增益局部如图7所示。图7程控放大衰减电路信号采集系统设计为到达仪器设计要求,采样频率fs需大于信号最高频率的两倍。通常取3～5倍的信号最高频率,则对最高10kHz的信号采样需选fs应大于20kHz。当然,频率分辨率fs/N因此随fs增大而变差。可见,为保证频率分辨率要求,则需加大采样点数N。本设计使用20Hz、50Hz、100Hz三档。考虑到减少程序复杂度,设计中统一采用1024点取样。通过改变采样速率来切换不同频率分辨率的档位,则三档分别对应的采样频率为20.48kHz、51.2kHz和102.4kHz(采样频率通过FPGA上32.768MHz晶振分频得到>。设计中采用A/D转换器TLC5510具有1MHz以上的转换速率,完全能够满足本设计要求。信号分析处理系统设计此模块主要完成控制A/D完成信号采集,对采集来的信号进展FFT运算,并将运算结果送往单片机进展显示的功能。直接利用FPGA完成硬件的FFT运算,提高了运算速度。FPGA进展FFT运算花费5228个时钟周期,仪器所使用主时钟为32.768MHz,则完成运算需0.16ms,占用FPGA逻辑资源1746个,使用嵌入式RAM资源4096字节。程序主要流程图8音频信号分析仪软件流程图3.4系统分析计算3.4.1功率谱测量方法根据功率测量的定义有:(1>对于确定的负载电阻R,有功率:(2>进一步对于周期信号,其功率为:(3>式中u,u,u⋯为各频率分量的幅值。因各频率分量为正弦波,各频率分量之间积的T时间内的积分为零,可进一步推得信号功率为:(4>可见,通过FFT运算可以得到各频率分量的幅值的平方。由此可得:Pi=U/R(i=1,2,3⋯>,其中R为输入阻抗(50Ω>。由此可得总功率值为。3.4.2周期性判断方法使用谱分析法,频谱分析后发现频谱中有且仅有f和nf(n=1,2,3…n>频谱量,则可认为是周期信号,周期为1/f。但由于频率分辨力的影响,会造成频谱泄漏对f产生影响。为提高周期测量的准确性,在判断信号为周期信号后,我们将波形变换电路里整形出来的与信号同频率的方波送入。在FPGA中的测周期硬件完成对信号周期的测量。由于信号为低频信号,此种方案可以保证高的测量精度。3.4.3失真计算方法正弦信号失真度的定义为:K=(5>上式中的v为基频有效值电压,v,v,⋯,v为各次谐波的有效值电压。在经FFT变换后所得实部虚部的平方和即为v(i=1,2⋯M>,则可很容易的利用式(5>进展失真度计算。第4章系统测试与结果分析4.1测试仪器测试使用的仪器设备有:100MHz双踪数字示波器(TDS2018B>,合成函数发生器/计数器(F120>,失真度测试仪,万用表,交流毫伏表等。4.2指标测试(1>输入阻抗测量——使用万用表测量仪器输入阻抗,分为50Ω档和高阻抗档440kΩ(2>输入信号电压*围及频率*围测量①输入信号动态*围检测:输入1kHz标准正弦波,依次输入不同幅度进展测量。实际测出仪器动态*围在20mV～20V。②输入信号频率*围测量:输入电压峰峰值为1V的标准正弦波,改变输入频率信号进展测量。所测数据说明在20Hz～10kHz频率*围内仪器指标均到达要求。(3>分辨率检测———使用合成函数发生器产生20Hz方波输入,观察各谐波分量,观察结果说明,能清晰观察到各谐波分量。(4>失真度测量模块的检测———使用合成函数发生器产生三角波,方波信号输入,利用失真度测量模块检测失真度,同时使用失真度分析仪对信号进展失真度检测。检测结果为:三角波输入时,失真度分析仪显示为11%,失真度测量模块显示11%。方波输入时,失真度分析仪显示为38%,失真度测量模块显示37%。(5>周期信号检测及计数功能测试———输入三角波,方波信号,仪器能判定为周期信号,测量结果显示周期在有效位数以内与输入信号一样。4.3系统误差分析本系统误差,经分析可见由以下几局部