虚拟仪器课程设计 -基于声卡的噪声信号分析系统.doc

沈阳航空工业学院课程设计论文 基于声卡的模拟信号频谱分析系统沈阳航空工业学院课 程 设 计（论文） 题目 基于声卡的噪声信号分析系统 班 级 7407101 学 号 200704071025 学 生 姓 名 指 导 教 师 第 10 页 沈阳航空工业学院课 程 设 计 任 务 书课 程 名 称 虚拟仪器课程设计 院（系） 自动化学院 专业 测控技术与仪器 班级 7407101 学号 200704071025 姓名 张成虎 课程设计题目 基于声卡的噪声信号分析系统 课程设计时间: 2010年 3 月 8日至 2010 年 3 月 20 日课程设计的内容及要求：1. 内容利用LabVIEW设计一个信号显示界面，可以从声卡采集一个噪声信号，并对噪声信号进行频谱分析处理。2. 要求 （1）完成基于声卡的信号采集模块；（2）把噪声信号进行傅立叶变换，并显示处理后的信号结果；（3） 前面板的设计美观大方、操作方便，后面板的设计简洁、布线合理、功能完善。指导教师 年 月 日负责教师 年 月 日学生签字 年 月 日目 录0.前言11. 总体方案设计11.1声卡工作原理，性能指标11.2 声卡的主要技术参数22. 系统功能设计32.1声卡用于数据采集时的一些设置32.2硬件实现42.3 软件设计42.3.1 程序流程图42.3.2数据采集与频谱分析52.4. 声卡的模拟信号频谱分析系统模板设计63. 程序的调试及运行结果结果74. 结论及进一步设想8参考文献8课设体会9附录 基于声卡的噪声信号分析系统10基于声卡的噪声信号分析系统张成虎 沈阳航空工业学院自动化学院摘要：本论文阐述的是基于声卡的模拟信号频谱分析系统的设计方法。 LABVIEW是一个开放式的开发环境，用户可以将其与任何测量硬件轻松连接。LABVIEW的交互式测量助手 、自动代码生成以及与成千上万个设备的简易连接功能，使它能够如此轻而易举地完成数据采集，变换，分析。本次设计就是基于声卡采集信号，并在程序内部进行傅里叶变换和频谱分析。0. 前言虚拟仪器技术是现在计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化，智能化，模块化，网络化的方向发展。电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能一起和虚拟仪器。第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室里还能看到，它是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、指针式电流表等。第二代数字化仪器，这类仪器现在相当普遍，这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量，如数字万用表、数字频率计等。第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，可以进行自动测试和数据处理功能，可能代替部分脑力老公，习惯上称为智能仪器。它的功能模块全部都是以硬件或固定软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器，它是现在计算机软件技术、通信技术和测试技术高速发展孕育出的一项革命性技术，其导致了传统仪器的结构、概念和设计观点都发生了巨大的变革，它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪元。1. 总体方案设计本设计中，主要利用声卡DSP技术和LabVIEW多线程技术，提出了一种基于声卡的数据采集与分析的廉价方案，具有实现简单、界面友好、性能稳定可靠等诸多优点。在LabVIEW环境中实现了音频信号的数据采集及频谱分析。1.1声卡工作原理原理 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。声卡的基本工作流程为2：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。1.2 声卡的主要技术参数（1）采样的位数 采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度。这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音也就越真实。声卡的位是指声卡在采集和播放声音文件时所使用的数字声音信号的二进制位数，它客观的反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确度。例如，8位代表；16位的代表。比较之下，一段相同的音乐信息，16位声卡能把它分为64000个精度单位进行处理，而8位声卡只能处理256个精度单位，最终采样效果当然是无法相提并论的。（2）采样频率 目前，声卡的最高采样频率为44.1kHz，少数达到48kHz。对于民用声卡，一般将采样频率设为4档，分别是44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz、8kHz。22.05kHz只能达到FM广播的声音品质；44.1kHz是理论上的CD音质界限，48kHz则更好一些。对20kHz范围内的音频信号，最高的采样频率才48kHz，虽然理论上没有问题，但似乎余量不大。使用声卡比较大的局限在于，它不允许用户在最高采样频率之下随意设定采样频率，而只能分为4档设定。这样虽然可使制造成本降低，但却不便于使用。用户基本上不可能控制整周期采样，只能通过信号处理的方法来弥补非整周期采样带来的问题。（3）缓冲区 与一般数据采样卡不同，声卡面临的D/A和A/D任务通常是连续状态的。为了在一个简易的结构下较好的完成某个任务，声卡缓冲区的设计有其独到之处。 为了节省CPU资源，计算机的CPU并不是每次声卡A/D或D/A结束后都要响应一次中断，而是采用了缓冲区的工作方式。在这种工作方式下，声卡的A/D、D/A都对某一缓冲区进行操作。以输入声音的A/D变换为例，每次转换完毕后，声卡控制芯片都将数据存放在缓冲区，待缓冲区满时，发出中断给CPU，CPU响应中断后一次性将缓冲区内的数据全部读走。计算机总线的数据传输速率非常高，读取缓冲区数据所用时间极短，不会影响A/D变换的连续性。缓冲区的工作方式大大降低了CPU响应中断频度，节省了系统资源。声卡输出声音是的D/A变换也是类似的。 一般声卡使用的缓冲区长度的默认值是8KB（8192字节）。这是由于对x86系列处理器来说，在保护模式（Windows等系统使用的CPU工作方式）下，内存以8KB为单位被分成很多页，对内存的任何访问都是按页进行，CPU保证了读写8KB长度的内存缓冲区时，速度足够快，并且一般不会被其他外来事件打断。设置8192字节或其整数倍（例如32768字节）大小的缓冲区，可以较好的保证声卡与CPU的协调工作。（4）没有基准电压 声卡不提供基准电压，因此无论是D/A还是A/D在使用时，都需要用户自己参照基准电压进行标定。2. 系统功能设计2.1声卡用于数据采集时的一些设置一般声卡主要用于输出声音，输入部分可能没有处于正常工作状态。建议首先使用耳机和MIC检查声卡的功能，特别是输入功能（录音功能）是否正常。如果不正常，需要检查声卡的设置。一般来说，这里的设置有两层含义，首先是要配置所需的功能，其次是要保证已经配置的功能不处于关闭（静音）状态。下面介绍对Line In 和Mic In的检查和设置。按图1所示，在“选项”菜单下选“属性”，得到图2所示的对话框，在此对话框上选择“录音”，并配置列表中的选项即可。注意图3-2中的相关功能都不能处于静音状态。如图1所示。图1 音量控制窗口图2 音量控制属性2.2硬件实现声卡一般有Line In和Mic In两个信号输入插孔，声音传感器(本文采用通用的麦克风)信号可通过这两个插孔连接到声卡。若由Mic In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Line In，其噪声干扰小且动态特性良好。声卡测量信号的引入应采用音频电缆或屏蔽电缆以降低噪声干扰。若输入信号电平高于声卡所规定的最大输入电平，则应在声卡输入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。此外，将声卡的Line Out端口接到耳机上还可以实时的监听声音信号。LabVIEW对声音采集的设置默认于其所处的操作系统，本文使用的是最普通的声卡。2.3 软件设计2.3.1 程序流程图首先对设计中运用到的模块进行初始化，然后通过声卡对数据进行采集，把采集到的信号送入LABVIEW模块中，通过LABVIEW模块的程序运行下，把采集到的信号通过图形的形式，把波形显示出来。通过波形的显示，分析波形的频谱特性。信号通过声卡采集进虚拟器中，通过声卡的基本设置，设置声卡的一些基本参数，声卡的采样频率不能太低，如果频率太低，采集过程中，不能连续的采集，示波器的输出就会中断。声卡采集完信号数据后，声卡开始读取数据，通过对数据的读取，虚拟示波器把波形显示出来；在波形显示的过程中，虚拟示波器还能通过频谱分析，对波形的幅频和相频分析，显示虚拟示波器的幅频特性和相频特性；最后再把频率、幅频、相频的数据通过数组的分析，也显示出来。在读区过程中，还能把虚拟示波器的周期平均、峰峰值、负峰值、正峰值、周期均方根、直流、均方根的数值也显示出来。而声卡的读取过程是通过一个While循环把这所有的过程连接起来。读取过程完后，经过声卡的清理后，再进行下一次的读取过程。在声卡的读取过程中，如果声卡触发有差错的话，声卡的读取就会停止，声卡直接停止，While循环也就结束了。程序流程图如图3所示。初始化声卡信号采集波形显示频谱分析图3 程序流程图2.3.2数据采集与频谱分析 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部分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行数字化处理，信号分析模块从采集模块获得数据，；对全部数据进行时域和频域分析并显示相应的时域图和频域图。 LabVIEW还有自动错误处理功能，利用其函数节点的error in端口可在程序运行中某一个函数发生错误时自动挂起，弹出错误信息对话框，高亮显示出错函数的图标并将出错信息依次向后传递，后续函数将不再进行任何操作，直到程序最后做出相应的错误处理。 图4为信号分析模块的框图程序。该VI主要使用了LabVIEW中While Loop结构来实现整个程序的信号采集、存储和运行退出等功能，并且应用了Sound Input和Signal Processing模板中的节点完成信号采集、时域图实时显示和频谱分析等操作。图4 信号采集与分析总图2.4. 声卡的模拟信号频谱分析系统模板设计前面板是图形化的用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。(1) 执行ControlsButtonsPush Buttons操作，放置开关控件。(2) 执行ControlsNumeric controlNum ctrl操作，数据控件。(3) 执行ControlsGraph IndsWarefrom Graph 用来进行频谱分析。完成后的面板如图5所示。 图5 前面板的设计3. 程序的调试及运行结果结果基于以上设计，对整个实验进行了验证，当波形采集到界面版上时，按下开始，对采集到的波形进行了频谱分析，其显示结果如图6所示。受声卡硬件条件的限制，频率范围比较窄，可以用来测量音频范围的信号（如声音、脉搏、心电、脑电和电话等）。图6 波形显示与频谱显示图4. 结论及进一步设想本实验基本上实现了声音的采集与频谱分析，但频谱图显示界面有一定的缺陷，由于采样点过大，导致采样点靠近零点，减小采样点，则显示界面就会更直观清晰。参考文献1 侯国屏等. LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计.北京：清华大学出版社，2005.2 陆绮荣. 基于虚拟仪器技术个人实验室的构建. 北京: 电子工业出版社,20063 刘君华等.基于 LabVIEW的虚拟仪器设计. 北京: 电子工业出版社,20034杨乐平 李海涛 杨磊 LabVIEW程序设计与应用（第2版） 北京 电子工业出版社 20065蔡建安 陈洁华 基于LabVIEW的工程软件