基于Labview的声音信息采集与处理

实验四基于LabVIEW的声音数据采集一、背景知识在虚拟仪器系统中，信号的输入环节一般采用数据采集卡实现。商用的数据采集卡具有完整的数据采集电路和计算机借口电路，但一般比较昂贵，计算机自带声卡是一个优秀的数据采集系统，它具有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、通用性强，软件特别是驱动程序升级方便。如被测对象的频率在音频范围内，同时对采样频率要求不是太高，则可考虑利用声卡构建一个数据采集系统。从数据采集的角度看声卡1.1声卡的作用从数据采集的角度来看，声卡是一种音频范围内的数据采集卡，是计算机与外部的模拟量环境联系的重要途径。声卡的主要功能包括录制与播放、编辑和处理、MIDI接口三个部分。1.2声卡的硬件结构图1是一个声卡的硬件结构示意图。一般声卡有4~5个对外接口。图1声卡的硬件结构示意图声卡一般有LineIn和MicIn两个信号输入，其中LineIn为双通道输入，MicIn仅作为单通道输入。后者可以接入较弱信号，幅值大约为0.02~0.2V。声音传感器（采用通用的麦克风）信号可通过这个插孔连接到声卡。若由MicIn输入，由于有前置放大器，容易引入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，可接入幅值约不超过1.5V的信号。另外，输出接口有2个，分别是WaveOut和SPKOut。WaveOut（或LineOut）给出的信号没有经过放大，需要外接功率放大器，例如可以接到有源音箱；SPKOut给出的信号是通过功率放大的信号，可以直接接到喇叭上。这些接口可以用来作为双通道信号发生器的输出。1.3声卡的工作原理声音的本质是一种波，表现为振幅、频率、相位等物理量的连续性变化。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。输入时，麦克风或线路输入（LineIn）获取的音频信号通过A/D转换器转换成数字信号，送到计算机进行播放、录音等各种处理；输出时，计算机通过总线将数字化的声音信号以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（LineOut）送到音箱等设备转换为声波。1.4声卡的配置及硬件连接使用声卡采集数据之前，首先要检查LineIn和MicIn的设置。如图2，打开“音量控制”面板，在“选项”的下拉菜单中选择“属性”，得到如图3的对话框，在此对话框上选择“录音”，并配置列表中的选项即可。可以通过控制线路输入的音量来调节输入的信号的幅度。图2音量控制面板图4LabVIEW中声卡控件下面主要介绍【声音】/【输入】控件选板中相关控件的作用。配置声音输入配置声音输入设备（声卡）参数，用于获取数据并且将数据传送至缓冲区。启动声音输入采集开始从设备上采集数据，只有停止声音输入采集已经被调用时，才需要使用该VIs。声音输入清零停止声音采集，清除缓冲区，返回到任务的默认状态，并且释放与任务有关的资源。配置声音输出用于配置声音输出设备的参数，使用“写入声音输出”VI将声音写入设备。写入声音输出将数据写入声音输出设备，如要连续写入，必须使用配置声音输出VI配置设备，必须手动选择所需多态实例。声音输出清零将任务返回到默认的未配置状态，并清空与任务相关的资源，任务变为无效。此外，还有众多的声音文件的打开和关闭等函数节点，在此不一一介绍，读者可参考LabVIEW帮助窗口进行了解。另外在程序框图下【Express】下【输入】下的【声音采集】及【输出】下的【播放波形】也是与声音信号相关的函数节点，如图5所示。图5LabVIEW中Express下的声卡控件应用程序举例4.1声音的基本采集利用声卡采集声音信号，其程序的基本实现过程如图6所示。图6声卡采集程序流程图4.1.1VIs声音采集本案例通过采集由LineIn输入的声音信号，练习声音采集的过程。操作步骤[1]执行【开始】/【程序】/NationalInstrumentsLabVIEW8.5】命令，进入LabVIEW8.5的启动界面。[2]在启动界面下，执行【文件】/【新建VI】菜单命令，创建一个新的VI，切换到前面板设计窗口下，移动光标到前面板设计区，打开【空间】/【新式】/【图形显示控件】控件选板，选择一个“波形图”控件，放置到前面板设计区，编辑其标签为“声音信号波形”并调整它的大小，如图7所示。图7波形图标签编辑[3]切换到程序框图设计窗口下，打开【函数】/【编程】/【图形与声音】/【声音】/【输入】函数选板，在程序框图设计区放置一个“配置声音输入”节点、一个“启动声音输入采集”节点、一个“读取声音输入”节点、一个“停止声音输入采集”节点、一个“声音输入清零”节点，如图8所示。图8声音输入控件[4]移动光标到各节点上。可以在“即时帮助”窗口中看到各节点的端口及解释。如“配置声音输入”节点，如图9所示。图9“配置声音输入”节点[5]分别移动光标到“配置声音输入”节点的“设备ID”、“声音格式”、“采样模式”的输入端口上，单击鼠标右键，从弹出右键快捷菜单中，执行【创建】/【输入控件】菜单命令，通过端口创建相应的输入节点，如图10所示。图10“配置声音输入”节点设置[6]移动光标到“声音输入清零”节点的“错误输出”端口上，单击鼠标右键，从弹出的右键快捷菜单中执行【创建】/【显示控件】菜单命令，创建相应的显示节点，如图11所示图11“声音输入清零”节点设置[7]打开【函数】/【编程】/【结构】函数选板，选择“While循环”节点，放置到程序框图设计区，在“While循环”的循环条件端口创建一个输入控件，移动光标到“While循环”的循环条件节点的输入端，单击鼠标右键，从弹出的右键快捷菜单中执行【创建】/【输入控件】菜单命令，创建相应的输入节点，并按图12所示，完成程序框图的设计。图12程序框图的设计[8]切换设计界面到前面板，可以看到与程序框图设计区节点相对应的控件对象，调整它们的大小和位置，美化界面。[9]单击工具栏上程序运行按钮，并对着传声器输入语音或一段音乐，即可在波形图空间中查看声音信号的波形，其中的一个运行界面如图13所示。图13程序运行界面二、实验内容1、基于LabVIEW，用声卡采集声音信号，并显示出来，计算并显示声音信号的幅度谱。2、对声音信号添加频率为20KHz,幅度为0.01V的噪声（采样频率为44.1KHz,采样数：10000个点），将加噪后的信号波形及其幅度谱显示出来。3、对加噪后的信号滤波，采用