基于PC声卡和LabVIEW的音频分析仪设计

SHANDONG毕业设计说明书基于PC声卡和LabVIEW的音频分析仪设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 董瑞君 学 号： 0812206873 指导教师： 周敬峰 2012年06月摘 要摘 要传统的音频分析仪设备不仅价格昂贵，技术更新慢，而且不具备频率响应特性分析等图形界面的分析功能，数据的存储和打印功能比较弱。专用的数据采集卡包含完整的数据采集电路和计算机接口电路，价格与性能基本成正比，比较昂贵，而且与计算机的兼容性比较差等缺点。随着DSP（数字信号处理）技术的发展，基于计算机资源的PC声卡不仅同时具有A/D和D/A转换功能，而且具有价格低廉、性能稳定、灵活通用、兼容性好等优点。虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术综合集成的产物，它代表了现代测试技术和仪器技术发展的最新方向。LabVIEW是目前虚拟仪器中应用较广泛的虚拟开发平台，它利用计算机来控制相应的与其连接的具有仪器功能的硬件，完成对输入输出信号的采集、控制、分析和显示。与传统仪器相比，LabVIEW具有成本低、集成度高、功能强大、性能稳定、维护方便等优点。为此，设计了基于PC声卡和LabVIEW的音频分析仪，该音频分析仪是利用了PC声卡作为数据采集设备，采用了LabVIEW虚拟平台，实现了对音频信号的实时采集、控制分析处理（时域分析、频域分析、失真分析、语音识别）和存储回放等多种功能。采集播放可以直接麦克风采集扬声器播放，也可以配置文件采集和播放；时域分析包括对电压均方根和峰峰值等的测量；频域分析包括对均方根（幅度谱和相位谱）和功率谱的测试；失真分析包括信噪比和总谐波失真的分析；语音识别是简单地对音频进行身份识别；声音回放可以实现对其信号的实时回放功能。测试结果表明：该音频分析仪具有设计结构简洁、操作方便、构思新颖、成本低廉、通用性好、扩张性好、界面形象生动、性能稳定可靠、视觉效果明显和发展前景较好等优点，可用于工程测量和教学实验等环境。关键词：PC声卡，虚拟仪器，LabVIEW，音频分析仪- 33 -AbstractAbstractThe traditional audio analyzer equipment is not only expensive, the technology is updated slowly, but also has not the function of the analysis of the frequency response characteristics of the graphical interface, data storage and printing capabilities are weak. Dedicated data acquisition card contains the complete data acquisition circuit and the computer interface circuit, the basic price is proportional to performance, and is high, and the compatibility with computer is poor, and other defects. With the development of DSP (digital signal processing) technology, the PC sound card based computer resources not only has both A/D and D/A conversion function, and has the advantages of low cost, stable performance, flexible and versatile, good compatibility. The virtual instrument technology testing and computer technology integrated product is the technology of virtual instrument, it represents the latest directions of modern testing techniques and instrumentation technology development. LabVIEW is a virtual instrument widely used in virtual development platform, which uses computers to control the corresponding hardware connected with the instrument function, completed the acquisition of the input and output signals, control, analysis and display. Compared with traditional instruments, LabVIEW has the advantages of low cost, high integration, powerful, stable performance, easy maintenance and other advantages.Therefore, based on the design of the PC sound card and LabVIEW, the audio analyzer is to use the PC sound card as data acquisition devices using LabVIEW virtual platform, to achieve real-time audio signal acquisition, control, analysis and processing (time domain analysis, frequency domain analysis, distortion analysis, speech recognition), and storage and playback functions. Capture and playback can be directly microphone collection and playback speaker, can also be configured file capture and playback; time-domain analysis is included measurement of the voltage RMS and peak-peak value; frequency domain analysis is included the RMS ( amplitude spectrum and phase spectrum ) and the power spectrum of the test; distortion analysis is included analysis of the signal to noise ratio and total harmonic distortion; speech recognition is a simple audio identification; the voice playback can be achieved on the signal real-time playback function.The test results show that: The audio analyzer has simple design structure, convenient operation, innovative ideas, low cost, good versatility, good extensibility, vivid interface, stable and reliable performance, visual effects and good development prospects and other advantages, can be used in engineering measurement and the experimental teaching environment.Keywords: PC sound card, Virtual Instrument, LabVIEW, Audio analyzer目 录目 录摘 要IAbstractII目 录IV第一章 音频分析仪11.1音频信号及音频分析11.2音频分析原理11.2.1音频分析技术基础11.2.2音频分析方法31.2.3音频参数测量及分析31.3音频分析仪51.4音频分析仪的现状5第二章 PC声卡62.1声卡62.2声卡的工作原理62.3声卡的技术指标62.4声卡分类72.5 PC声卡8第三章 虚拟仪器与LabVIEW93.1虚拟仪器93.1.1虚拟仪器93.1.2虚拟仪器的组成93.1.3虚拟仪器的特点103.2 LabVIEW103.2.1 LabVIEW的概述113.2.2 LabVIEW的特点11第四章 总体设计方案134.1 LabVIEW设计基础134.2总体设计134.2.1 PC声卡144.2.2 LabVIEW实现144.2.3声音采集184.2.4时域分析204.2.5频域分析214.2.6失真分析224.2.7声音回放244.2.8语音识别264.3系统整体设计28总 结33参考文献34致 谢35第一章 音频分析仪第一章 音频分析仪1.1音频信号及音频分析音频是多媒体中的一种很常见且很重要的媒体。我们能够听见的音频信号的频率范围分布大约是20Hz-20KHz，其中语音大约在300Hz-4KHz之内，而音乐和其他自然声响是在全范围分布的。声音经过模拟设备记录或再生成为模拟音频，再经数字化成为数字音频。音频分析就是以数字音频信号为对象，以数字信号处理为手段，提取信号在时域和频域内一系列特性的过程。各种特定频率范围的音频分析有着各自不同的应用领域。例如，对于300Hz4KHz之间的语音信号的分析主要应用于语音识别，其用途是确定语音内容或判断说话者的身份；而对于20Hz20kHz之间全范围的语音信号分析则是用来衡量各类音频设备的性能。音频设备就是从实际声音的拾取到将声音播放出来的全部过程中需要用到的各类电子设备，例如麦克风（话筒）、功率放大器、扬声器等，衡量音频设备的主要技术指标有频率响应特性、谐波失真、信噪比、动态范围等2。1.2音频分析原理音频分析的原理主要包括数字信号处理的基本理论、音频分析的基本方法和音频参数测量和分析内容，其中数字信号处理是音频分析的理论基础。1.2.1音频分析技术基础傅立叶变换和信号的采样是进行音频分析时用到的最基本的技术。傅立叶变换就是将信号的时域变化转化到其频域的变化，是频谱分析的基础。信号的频谱分析是指按信号的频率结构，求取其分量的幅值和相位等分布的规律，建立以频率为横轴的各种谱，如幅度谱、相位谱等2。信号中，周期信号通过傅立叶级数变换成对应的离散频谱，而对于非周期信号，可以看作周期T为无穷大的周期信号，当周期接近无穷大时，则基波谱线及谱线间隔(=2/T)接近无穷小，谱线就变得更密集，从而离散的频谱就变成连续频谱了3。所以说，非周期信号的频谱是连续的。 （1-1）周期信号 （，基频）（1-2）非周期信号 （，采样间隔）（1-3）（1） 数字信号处理首先是将模拟信号转变为数字信号，是通过模数转换电路（A/D)来实现的。将连续信号变为离散信号的过程称为信号的采样。对于信号采样来说，采样率至关重要。对于一定长度的模拟信号，若是采样间隔小，即采样率高，则采样的数据量大，要求计算机具有较大内存及较长的处理时间。若采样间隔大即采样率第，则离散时间序列可能不能真正反应原始信号的波形特征，在频域处理时会出现频率混淆现象，又称为混叠。由模拟信号变成数字信号后，其傅立叶变换也变成离散傅立叶变换，涉及到采样定理、频率混叠、截断与泄漏以及加窗等一系列的问题。 （1-4）（2） 采样定理：采样频率应大于2倍的信号频率，即fs2f,所得到的采样序列才能正确复现原始信号。而实际进行信号处理时，不可能无限制地提高采样频率，因此在信号进入A/D之前先通过一个模拟低通滤波器，滤除信号中不加以考虑的高频成分。这种滤波也可以在A/D之后连接一个数字式低通滤波器来进行，这种用途的滤波器称为抗混滤波器。抗混滤波器的截止频率通常选择为信号分析的最高频率。（3） 窗函数：几种常用的窗函数有矩形窗、三角窗、汉宁床、海明窗、高斯窗。对于窗函数的选择，应考虑被分析信号的性质与处理要求。如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑幅值精度，则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗，例如测量物体的自振频率等；如果分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等；对于随时间按指数衰减的函数，可采用指数窗来提高信噪比。1.2.2音频分析方法通常在对某音频设备进行音频测量分析时，该音频设备被看作是一个具有输入端口和输出端口的黑箱子系统。先将某种己知信号输入该系统，然后从输出端口获取输出信号进行分析，从而了解该系统的一些音频特性，这就是音频分析的一般方法。输入音频设备的信号被称为激励信号。激励信号可以是正弦、方波等周期信号，也可以是白噪声、粉红噪声等随机信号，还可以是双音、多音、正弦突发等信号。最常用的检测分析方法有正弦信号检测、脉冲信号检测、最大长度序列信号检测等。（1）正弦信号检测：是最简单的信号，特点是单一频率的频谱分量。主要用于检测音频设备的谐波失真，还可以作激励信号来获取音频设备的频率响应等。（2）脉冲信号检测：主要是测量分析其音频设备的频率响应特性。其优点在于有信号发生较为容易实现且作频谱分析的频带较宽。缺点是脉冲信号本身的能量较少，测量期间有大量的背景噪声混入有用信号，导致设备输出信号的信噪比严重下降。（3）最大长度序列(EMS)信号检测：主要是分析音频设备的频率响应特性，它是针对脉冲信号检测中存在的背景噪声影响较大的问题提出的一种新的检测方法2。其最重要特点是它的自相关函数类似于脉冲信号。1.2.3音频参数测量及分析音频测量的参数一般包括信号电压、频率、信噪比、谐波失真等基本参数。大部分的音频参数都可以由这几种基本参数组合而成。音频分析可以分为时域分析、频域分析、时频分析和失真分析等几类。由于信号的谐波失真对于音频测量比较重要，因此将其单独归类为失真分析。（1）基本参数测量音频测量中需要测量的基本参数主要有电压、频率、信噪比。1）电压测试主要分为均方根电压(RMS)、平均电压和峰值电压等几种。2）频率是音频测量中最基本的参数之一。通常利用高频精密时钟为基准来测量信号的频率。测量频率时，在一个限定时间内的输入信号和基准时钟同时计数，然后将两者的计数值比较之后乘以基准时钟的频率就可以得到信号的频率了。随着微处理芯片运算速度的提高，信号频率也可以利用快速傅立叶变换通过软件计算得到。3）信噪比是音频设备的基本性能指标，是用来对信号被噪声所污染的程度的一种度量，是信号的有效电压与噪声电压的比值。信噪比的计算公式为： （1-5）信噪比是用分贝所测量的对数刻度来表示的，在实际测量中，通常用带有噪声信号的总电压来代替信号电压计算信噪比。（2）时域分析时域分析通常是将某种测试信号输入待测音频设备，观察该音频设备输出信号的时域波形来评定各种相关性能。最常时域分析的测试信号有正弦信号、方波信号、阶跃信号及单音突变信号等。（3）频域分析频域分析是音频分析的重要内容，前面提到的正弦检测、脉冲检测及最大长度序列信号检测都可以得到设备的频率响应。频率响应曲线图反映了音频设备在整个音频范围内频率响应的分布情况。（4）时频分析时频特性是描述某音频设备在时间轴上随着时间的变化其频域特性的变化情况。时频特性是从三维的角度全面描述了音频设备的响应特性。音频设备的时频特性是客观评价音频设备性能优劣的一个很重要的方面。（5）失真分析音频设备的失真分为谐波失真、相位失真、互调失真及瞬态失真等几种。音频测量中失真分析中最重要的是谐波失真。谐波失真，简单地说就是声音信号经音频设备重放后额外多出来的谐波成分的情况。谐波失真是音频设备的重要性能指标。1.3音频分析仪音频分析仪是指既能够测量麦克风、音频功放、扬声器等单一音频设备的各种电声参数，也能测量组合音响、调音台等组合音频设备的整体性能的分析类仪器。例如失真度分析器、频率计数器、直流电压表、交流电压表、频谱分析仪、音频示波器等。音频设备生产厂家利用音频分析仪检查其设备性能，发现其缺陷，从而改进其设计制造；消费者利用音频分析仪器对其设备进行评估，选择最优性能的产品。通常，功能较全的音频分析仪器不仅可以测量信号的交直流电压、频率、信噪比、谐波失真等多种参数，还可以提供频谱分析、1/3倍频程分析、倍频程分析、声压级测量等功能。如果在加上一台标准音频信号发生器作为激励信号源，就可以组建音频分析系统了。1.4音频分析仪的现状近年来出现的音频分析仪器朝着集成化、智能化发展趋势的方向发展，不仅集成了复杂的音频信号发生装置、功率放大装置等，而且还具备的图形化的分析功能，这样组建音频测量系统就非常容易实现了。美国Audio Precision公司创立于1984年，总部在美国俄勒冈州，是全球最大的音频测试仪器的制造商。其音频测试仪器System Two/ AP2700系列是当今音频测试业界的标准测试仪器，被Dobly, DTS等多家研究机构采用，是Microsoft DTM认证的指定仪器。第二章 PC声卡第二章 PC声卡2.1声卡声卡是多媒体技术中最基本的组成部分，是一种实现声波模拟信号/数字信号相互转换的硬件。声卡的基本功能是对来自话筒、磁带、光盘等设备的原始声音信号进行转换，然后输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备，或着是通过音乐设备数字接口(MIDI)使乐器发出美妙的声音。声音的表现形式为振幅、频率、相位等物理量的连续性变化，它的本质是一种波。声卡作为语音信号与计算机的通用接口，就是实现模拟信号和数字信号相互转换的功能，即先将所获取的模拟音频信号转换为数字信号，然后经过DSP音效芯片的处理，再将其转换为模拟信号输出。2.2声卡的工作原理一般来说，计算机标准配置的声卡有4-5个外部接口。其中输入接口有LINE IN和MICIN：LINE IN是模拟式的线性输入口,用来连接录音机或CD唱盘等附有放大器的音源装置；MIC IN则是用来接麦克风输入声音的。输出接口有LINE OUT和Speaker：LINE OUT是模拟式的线性输出口,用来外接放大器或内建放大器的喇叭;Speaker的输出是经过声卡上功放芯片的简单处理，音量较大,可以直接驱动扬声器,适用于连接无源音箱。MIDI/游戏摇杆接口用来连接外接的MIDI键盘或游戏摇杆。声卡的基本工作流程为：输入时，麦克风或线路输入(Line In)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(Line Out)送到音箱等设备转换为声波，人耳侦测到环境空气压力的改变，大脑将其解释为声音3。2.3声卡的技术指标声卡的主要技术指标概括为复音数量、采样位数（即量化精度）、采样频率、频率范围和频率响应、基准电压、声道数、信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）等参数。（1）复音数量：代表声卡能同时发出多少种声音。复音数越大，音色就越好，声音播放时听到的声部就越多越细腻。（2）采样位数：是将声音由模拟信号转化为数字信号的二进制位数(bit)。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。采样位数代表着声卡处理声音的解析度，其数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音就越真实。（3）采样频率：采样频率是指录音设备在单位时间内对声音信号的采样次数，采样频率越高，声音回放还原时就越真实越自然。采样频率越高，记录的声音波形就越准确，保真度就越高，但采样数据量相应变大，要求的存储空间也越多。（4）频率范围和频率响应：频率范围是指音响系统能够回放的有效回放频率最高与最低之间的范围；频率响应是指当将一个以恒电压输出的音频信号与系统相连时，音箱产生的声压和相位随频率的变化而发生增大或衰减变化的现象。（5）基准电压：声卡没有基准电压，因此无论是A/D还是D/A转换器，都需要用户参照基准电压进行标定。2.4声卡分类表2-1不同类型声卡的特点声卡类型特点板卡式即插即用，安装方便，信噪比较低，占用系统资源多集成式性价比高，不占PCI，兼容性好多声道低CPU占有率外置式使用方便、便于移动，主要应用于特殊环境声卡按接口类型主要分为板卡式、集成式和外置式三种。表1为各种类型声卡的特点，用户可以根据不同的用途选用不同的类型。2.5 PC声卡PC声卡是一个优秀的数据采集设备，同时具有A/D和D/A转换功能。它不仅价格低廉，而且兼容性好、性能稳定、灵活通用、软件驱动程序升级方便。ISA总线向PCI总线的过渡，不仅解决了普通声卡与系统交换数据的瓶颈问题，同时也发挥了DSP芯片处理数据的高效性能。声卡用DMA(直接内存读取)方式传送数据，大大降低了CPU的占用率。一般声卡的采样位数可达16位，24位甚至32位。声道为立体声双声道，可以同时采集两路信号，需要时还可选用多路输入的高档声卡或配置多块声卡，每路输入信号的最高频率可达22.05KHz，输出16位的数字音频信号，声卡最高频率可达44.1KHz。声卡目前是多媒体计算机的一个标准配置设备，利用计算声卡进行采样和输出，就不需要购买专门的数据采集卡，为开发低成本高性能的信号发生器创造了有利条件。但需要注意的是线路输入端口的最高电压要限制为1V。第三章 虚拟仪器与LabVIEW第三章 虚拟仪器与LabVIEW3.1虚拟仪器3.1.1虚拟仪器由于计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的快速发展，电子测量技术领域也发生了巨大的变化；仪器结构的日趋复杂，仪器性能的不断提高，仪器的测试技术已成为测量领域里的研究重点。美国国家仪器公司（National Instruments）于20世纪80年代中期首先提出了基于计算机技术的虚拟仪器（Virtual Instruments，简称VI）的概念，把虚拟仪器技术带入了新的发展时期，随后又研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术综合集成的产物，它代表了现代测试技术和仪器技术发展的最新方向。虚拟仪器技术的提出与发展，指明了21世纪测试技术与仪器技术的一个新的发展重要方向7。虚拟仪器代表着从传统的以硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变。虚拟仪器不是一般具体的实实在在存在的仪器，实质上是一种创新的仪器设计思想。虚拟仪器离不开计算机的控制，软件是虚拟仪器设计的核心关键。虚拟仪器最大的优点就是在必要的数据采集硬件和通用计算机技术支持下，通过软件实现仪器的部分或全部功能。虚拟仪器就是用户在通用的计算机平台上，根据需要来定义和设计仪器的测试功能，使得用户在操作这台机器时就像在操作一台自己设计的测试仪器一样。VI以透明的方式把计算机资源（如微处理器、内存、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号处理等）的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对信号的控制分析功能、表达及图形化用户接口等6。3.1.2虚拟仪器的组成测试仪器虽然种类很多，功能各异，但其组成都可分为信号采集与控制单元、信号分析与处理单元和结果表达与输出单元三部分。虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素，其硬件的主要功能是获取真实测试中的被测信号，软件的作用是实现对数据的采集、分析、处理和显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。表3-1 虚拟仪器的组成软件应用软件-仪器功能应用软件-虚拟面板仪器驱动软件操作系统硬件通用计算机外围硬件设备（被测系统）3.1.3虚拟仪器的特点虚拟仪器技术是通过计算机的软硬件平台来实现测试仪器的功能，具有体积小，成本低的特点。与传统仪器相比，虚拟仪器的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易，转换灵活以及其开放性。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于:虚拟仪器的关键是软件。虚拟仪器的特点可归纳为:（1）软件是核心（2）高性价比（3）模块化设计（4）开发周期短，维护升级方便（5）具备与其它设备互联的能力3.2 LabVIEW软件是虚拟仪器系统的关键，因为它是利用计算机技术来实现和扩展传统仪器功能的。虚拟仪器软件的开发工具主要分两类。一类是文本式编程语言，如C、C+、VB、Lab Windows/CVI等。另一类是图形化编程语言，如LabVIEW、Agilent VEE等。LabVIEW是目前应用较为广泛、发展较快、功能较强的图形化软件。这里我们选用LabVIEW作为软件开发平台。3.2.1 LabVIEW的概述LabVIEW是实验室虚拟仪器工程平台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的简称，是美国国家仪器公司（NI）基于G语言（Graphics Language,图形化编程语言）的图形化软件开发环境。它主要面向测量与自动化领域工程师、科学家及技术人员，而非专业的编程工程师。LabVIEW编写的程序称为虚拟仪器程序，简称VI6。VI包括三个部分：前面板、程序框图和图标/连接器。程序前面板是图形用户界面，是VI的虚拟仪器面板，控制件和指示器是以图标形式的出现在前面板，如旋钮、开关、按钮、图形、图标等。每一个前面板都有与其相应的程序框图，框图程序就相当于源代码。框图中的部件主要采用数据流驱动，可以选择循环、顺序、选择和算术等多种结构控制。每个VI都有其图标/连接器，主要用来作为子程序(子VI)被调用，连接器显示了VI的输入输出端口。子VI可以随时被调用，并且调用阶数是无限的。3.2.2 LabVIEW的特点LabVIEW作为广泛应用的虚拟仪器开发软件平台，其主要优点是直接服务于虚拟仪器的开发研制。其他特点如下所示：（1）图形化的仪器编程环境（2）支持各种数据采集与仪器通信应用LabVIEW的数据采集DAQ函数库可以支持NI公司生产的各种插卡式和分布式的数据采集产品，包括了ISA、EISA、PCI、PCMCIA和Macintosh(NuBus、LC）等各种总线产品。(3）丰富的功能函数库LabVIEW提供了包括符合工业标准的驱动程序库（VISA、GPIB、VXI和RS-232等）、数学函数库（数值计算和数据分析处理等）和分析函数（信号处理、数字滤波、窗函数和三维图形处理等）等多种功能强大的函数库。（4）开放的开发平台LabVIEW提供了DLL接口和对OLE(Object Linking and Embedding，对象链接与嵌入技术)的支持，还提供了与Lab Windows/CVI源代码相互调用的接口。(5）强大的网络功能LabVIEW支持ActiveX、DLL、Data Socket和TCP/IP协议，能够与Internet用户交换信息，共享所有的信息资源。(6）灵活的程序调试手段LabVIEW程序调试有设置断点、单步执行程序和循环执行等多种方式，还可以设置探针，随时观察程序运行过程中数据的变化。(7）高效的内置程序编译器LabVIEW采用编译方式可以运行32位的应用程序，执行速度快。LabVIEW内置有代码评估器，可以对程序中对时间要求苛刻的部分代码进行分析并实现最优化。此外，LabVIEW还可以将程序转换为“.EXE”的独立可执行文件。(8）支持多种系统平台LabVIEW可以支持包括Windows、Linux、Sun Solaris、Agilent UNIX、Power Macintosh等在内的多种操作系统，而且在任何一个平台上开发的LabVIEW应用程序都可直接移植到其他平台上被调用。第四章 总体设计方案第四章 总体设计方案4.1 LabVIEW设计基础（1） LabVIEW的前面板包括数值型控件、图形型控件和Express VIs等，程序编辑可以调用子程序和利用其Express VIs等，调试和运行过程中可以设置单步运行和高亮运行，还可以设置断点和探针，还可以选择循环方式等。（2） LabVIEW的数据结构中包括数组、字符串、簇结构、波形结构和动态数据结构等多种类型。（3） LabVIEW的程序流程结构包括循环结构（如While、For、定时）、选择结构、顺序结构和事件结构等多种形式。（4） LabVIEW的数据表达形式分为文本、指示元件和图形示波等。（5） LabVIEW的输入输出的文件类型包括文本、电子表格和二进制文件等。（6） LabVIEW的及时帮助和查看错误时在设计应用中是最有力且最实用的工具。4.2总体设计一个完整的信号测试系统包括被测信号、信号采集、信号调理、信号显示与记录、观察者五部分。信号调理是对信号作进一步的加工和处理，包括对信号的转换、放大、滤波、储存和回放等一些专门的信号处理。有用信号有时夹杂着各种有害的干扰和噪声，必须将其滤除掉。有时输出的信号具有光机电等多种形式，而后续处理中往往采用电信号，因此将其进行转换，包括信号的放大。显示和记录是将调理和处理的信号用便于人们观察和分析的介质和手段进行记录或显示。完整的信号测试系统结构如下所示。被测信号信号采集信号处理信号显示与记录观察者本音频分析仪的信号采集模块材用PC声卡，信号调理和显示记录模块利用LabVIEW软件。原理框图如图4-1所示。图4-1音频分析仪的原理框图信号采集之前首先设置PC声卡的配置完成所需要的信号特征要求，然后由音频声源发出原始的模拟电信号，再从声卡的Line-In输入端送入PC机进行采集。在数据采集软件的控制下，声卡按照用户规定的采样频率和量化精度对输入的模拟信号进行A/D变换，并将得到的数字信号送入输入缓冲区。采集软件负责输入缓冲区的分配和管理，并对缓冲区中的数据进行必要的信号处理分析。最后把缓冲区中的数据保存到文件，并进行实时显示。当有两路待采集的信号时，可以使用Line-In输入端的A、B两个通道同时进行采集。如果PC机具有多个声卡，它们还可以并行工作进行多通道数据采集。4.2.1 PC声卡专用数据采集卡成本高，本设计采用的是Acer（宏基）Aspire4743G计算机主板集成声卡是瑞昱Realtek的ALC271X HD Audio output ，立体声，左右两声道，高清晰音频管理器；麦克风采用2通道16位，44100Hz CD音质；Dolby扬声器音频输出采用24位，48000Hz录音室音质；装的是W7旗舰版。本系统所用计算机主板集成声卡是Realtek的ALC271XCodec，根据其性能指标，设置采样率为44.1KHz，采样位数为双通道，采样比特数为16位。4.2.2 LabVIEW实现LabVIEW环境下声卡的数据采集在LabVIEW环境下提供了一系列使用Windows底层函数编写的与声卡有关的函数,这些函数使用Windows底层函数直接与声卡驱动程序打交道,因而封装层次低、速度快,可以访问、采集缓冲区中任意位置的数据,具有很大的灵活性,能够满足实时不间断采集的需要。LabVIEW环境下音频输入的相关节点从功能模块的调用路径为函数选板编程图形与声音声音。声音包括声音输入和声音输出两部分。（1）声音输入如图4-2所示，该模板提供了通过声卡采集声音信号的相关VI和一个ExpressVI。声音输入中包括麦克风声音采集、配置声音输入、启动声音输入、读取声音输入、停止声音输入和声音输入清零。图4-2 声音输入（2）声音输出如图4-3所示，该模板提供了通过声卡播放声音信号的相关VI和一个ExpressVI。声音输出中包括扬声器播放波形、配置声音输出、启动声音输出、写入声音输出、停止声音输出、声音输出清零、声音输出等待、声音输出信息、设置声音输出音量和播放声音文件。图4-3 声音输出声音输入中声音采集如图4-4所示：本电脑麦克风（Realtek High DefinitionAudio)的默认配置如下2通道数、16位分辨率、3s持续时间、44100Hz采样率。如果是在实际应用做成系统时通道、持续时间和采样率都可以改变，以达到不同的实际需求。图4-4 麦克风声音配置图4-5 扬声器声音输出配置声音输出中声音播放波形如图4-5所示：本电脑扬声器（RealtekHigh Definition Audio)的默认配置如下2通道数、16位分辨率、最小采样率为8000Hz、最大采样率是192000Hz。如果是在实际应用做成系统时可以自己配置改变分辨率、通道数等参数，以达到不同的实际需求。图4-6声音采集与读取前面板及其程序框图4.2.3声音采集声音采集选用两种方式：一种麦克风配置直接采集，另一种是有声音输入配置启动读取停止清零。采集开关为真时，路径播放模式；为假时，配置播放模式。前面板和程序框图如下图4-6和4-7所示。这样可以形成对比，为以后较好的选择模式提供依据。图中显示的是播放开关为真时，打开已保存的声音文件播放。由程序框图执行时的数据流可以看出，麦克风采集的数据流要比配置的流动要快得多，几乎快五六倍，结果显示的效果差不多。所以最终我们选用麦克风和配置采样数多的模式采集信号。图4-7数据采集与读取前面板及其程序框图4.2.4时域分析时域分析时主要包括电压周期平均值、周期均方根值、均方根和峰峰值。采用路径打开音频文件，读取文件，时域分析用幅值和电平测量，显示重要参数。图4-8是时域分析的效果图。数值采用DBL双精度格式，波形图的格式包括曲线样式都可以根据需要设定。程序框图中用到的是幅值和电平测量函数，根据需要显示要测量的参数。图4-8时域分析前面板及其程序框图4.2.5频域分析频域分析包括其幅度均方根的幅度谱，相位谱和功率谱。由图4-9看出，从文件读取波形，然后经过快速傅里叶变换的频谱测量函数来测量频域参数。图4-9频域分析前面板及其程序框图4.2.6失真分析读取声音文件，然后直接波形显示和经过低通滤波之后的波形显示形成对比.利用正弦仿真信号来测试音频设备的信噪比和总谐波失真。通过单独测试正弦信号和将其与麦克风声音采集合并分别得到的信噪比和总谐波失真进行比较。效果如图4-10所示。由前面板可以看出其正弦仿真信号和麦克风采集的信号合并来检测麦克风的失真情况，信噪比达到96.3422dB,总谐波失真数不到5，说明该音频设备性能良好。图4-10失真分析前面板及其程序框图4.2.7声音回放扬声器播放声音文件如图所示，声音读取文件可以读出其声音格式，扬声器播放并显示波形，截取所需要研究的声音长度并进一步观察。采集开关为真，麦克风播放模式；为假时，配置播放模式。图4-11（a）（b）所示。图4-11声音回放（a）前面板及其程序框图由图看出回放偏移量输入为0，所以相当于重放。可以根据需要输入偏移值，当数值大于文件大小时，系统提示已到文件末尾。由4-11（a）（b）可以对比得到，声音配置得到的波形时间不到0.2，麦克风的采集时间为5秒，所以可以选择麦克风采集，它的时间可以设置。图4-11声音回放（b）前面板及其程序框图4.2.8语音识别声音有三个基本特征：音调、响度和音色。音调主要与声波的频率有关。声波的频率高，则音调也高。响度和声波振动的幅度有关。一般说来，声波振动幅度越大则响度也越大。音色与声波的振动波形有关，或者说与声音的频谱结构有关。波越高，说明振幅越大，响度就越大；波越密，说明振动的越快，频率越高，音调就越高。男生的基音频率为100-200Hz，女生的基音频率为200-350Hz。其平均值125Hz，标准差为20，女生其数值大约都是男生的两倍。通过八阶400Hz的低通滤波器之后，男生的频谱为非单频正弦波周期信号，女生频谱输出为250Hz左右的正弦波基音频率周期信号。原因是男生频谱是由其二次谐波及共振峰的存在共同形成的。如果通过八阶200Hz的低通滤波器，男生的频谱为正弦，女生的频谱则没信号。如图4-12、4-13所示。图4-12滤波器图4-13语音识别前面板及其程序框图4.3系统整体设计该设计分为两种设计方法，系统选项卡调用方式如图4-14所示；一个界面显示如图4-15所示。图4-14（a）总体调用前面板及其程序框图图4-14（b）总体调用前面板及其程序框图图4-15（a）整体设计前面板及程序框图图4-15（b）整体设计前面板及程序框图总 结总 结本文采用PC声卡和LabVIEW虚拟仪器技术设计的音频分析仪，实现了对信号实时采集播放、时域分析、频域分析、失真分析、语音识别与声音回放显示等功能。使得整个测试系统性价比高，通用性强，界面友好，性能稳定。如果可以还在PC上配置多块声卡并行工作，再修改完善其软件，完全可以构成一个多通道数据采集处理分析的系统，满足各种数据采集及处理的需要。采用笔记本电脑则无需添加任何硬件就可以构成便携式测量系统，突破了传统测试仪器的各接口之间匹配难，兼容差的缺陷。设计中LabVIEW的及时帮