基于聲卡的音頻信號分析儀的設計(編輯修改稿)
2025-07-24 20:38 本頁面
【文章內容簡介】 方波頻譜分析結果第2章 軟件設計與實現 程序流程圖本系統(tǒng)的要求是PC機聲卡可以成為一個優(yōu)秀的數據采集系統(tǒng), 它同時具有A/D和D/A轉換功能, 不僅價格低廉, 而且兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用, 驅動程序升級方便。同時一般聲卡16位的A/D轉換精度, 比通常12位A/D卡的精度高, 對于許多工程測量和科學實驗來說都是足夠高的, 其價格卻比普通數據采集卡便宜得多。本文就是利用普通聲卡作數據采集卡, 以LabVIEW軟件為開發(fā)平臺, 設計了一種低成本高性能音頻信號分析儀, 該分析儀具有波形顯示功能和頻譜分析功能, 即具有示波器和頻譜分析儀的基本功能。，以本系統(tǒng)程序流程圖如圖 2 所示：信號調理與幅度檢測FPGA聲卡音頻信號單片機A/D 圖2 程序流程圖聲卡作為語音信號與計算機的通用接口, 其主要功能就是將所獲取的模擬音頻信號轉換為數字信號, 經過DSP音效芯片的處理, 將該數字信號轉換為模擬信號輸出。聲卡的基本工作流程為:輸入時, 麥克風或線路輸人獲取的音頻信號通過A/D轉換器轉換成數字信號, 送到計算機進行播放、錄音等各種處理輸出時, 計算機通過總線將數轉換器, 變成模擬的音頻信號, 進而通過功率放大器或線路輸出送到音箱等設備轉換為聲波字化的聲音信號以PCM(脈沖編碼調制)方式送到D/A轉換器, 變成模擬的音頻信號, 進而通過功率放大器或線路輸出送到音箱等設備轉換為聲波。為了用聲卡采集數據必須先設定聲卡的主要技術參數。 采樣頻率 目前, , 一般采樣頻率分為4檔, , ，8kHz。根據采樣定理, 采樣頻率應為被測信號頻率的2倍以上。 采樣位數 將聲音從模擬信號轉化為數字信號的二進制位數（bit）。按位數分聲卡有8位聲卡、16位聲卡。位數越高, 在定域內能表示的聲波振幅的數目越多, 記錄的音質也就越高。例如, 16位聲卡把音頻信號的大小分為=65536個量化等級來實施上述轉換。所以一般設定為16位。 一般聲卡使用的緩沖區(qū)為8KB（8192）字節(jié), 這是由于對x86系列處理器而言, 在保護模式下, 內存以8KB為單位被分成了很多頁, 對內存的任何訪問都是按頁進行的。CPU保證在讀寫8KB長度的內存緩沖區(qū)時, 速度足夠快, 并且不會被其他外來事件打斷。設置8192字節(jié)或其整倍數大小的緩沖區(qū), 可以較好地保證聲卡與CPU的協(xié)調工作。在設定了聲卡的主要參數后, 在利用聲卡的DMA方式進行數據采集。在LabVIEW環(huán)境中, LabVIEW提供了一系列使用Windows底層函數編寫的與聲卡有關的函數, 這些函數集中在Sound VI下, 有兩大模塊Sound Input和Sound Output如Sound Input模塊中SI Config、SI Start、SI Read、SI Stop、SI Clear函數, 如圖 3 。 圖 3 聲卡輸入模塊聲卡的數據采集流程如圖 4 所示。圖 4 聲卡的數據采集流程 軟件設計基于聲卡的虛擬音頻分析儀利用聲卡采集數據, 利用LabVIEW軟件編程實現參數設置, 信號采集、處理和信號回放等功能。一個LabVIEW程序包括兩部分：前面板和圖形代碼。 前面板的設計 程序前面板是模仿真實儀器的面板, 用于設置用戶輸人和顯示程序輸出。本文設計的虛擬音頻信號分析儀的前面板分3個功能示波器、頻譜分析儀和系統(tǒng)設置, 如圖5所示。示波器的前面板中包含實時波形顯示窗口, 可以顯示實時采樣波形和濾波后信號波形及加窗后信號波形。系統(tǒng)設置可以設置聲卡的采樣頻率和采樣位數, 同時可以設置緩沖區(qū)的容量。頻譜分析儀面板中, 采用FFT算法完成自功率譜分析。通過圖形窗口的選擇、單位的選擇、坐標顯示模式的選擇等參數設置, 顯示信號的自功率譜。還可以顯示頻譜分析測量的音頻信號的最大值和信號基頻?？梢哉f系統(tǒng)設置面板是系統(tǒng)相關參數的設置說明和使用說明。圖 5 虛擬音頻信號分析系統(tǒng)前面板 圖形代碼結構設計 虛擬音頻信號分析儀的框圖程序和前面板是對應的, 前面板中放置的對象在程序框圖中有相應的對象, 框圖程序如圖6。根據VI結構化的特征, 把整個系統(tǒng)分為數據采集和信號分析兩個模塊, 以友好的圖形界面與用戶進行交互。圖 6音頻信號分析系統(tǒng)框圖程序 數據采集數據采集模塊根據用戶設置的聲音格式從聲卡獲得數據。采集到的數據及其頻譜特性以直觀的圖形方式呈現于用戶面前。該模塊還提供保存所有或部分數據以及轉到信號分析模塊的功能。由于PCM波形音頻格式輸出的信號質量最好, 所以本文使用該格式對信號進行數字化處理。數據采集過程分為3步：初始化/配置聲卡；采樣；釋放聲卡。本文根據主流聲卡的性能指標, , 采樣位數為16位, 采樣方式為單聲道, 這樣采樣的波形穩(wěn)定, 而且干擾小。聲卡對外部信號的采樣在起始部分會有幾十個不穩(wěn)定的數據, 所以無特殊要求時忽
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