（机械电子工程专业论文）智能控件化音频分析仪的设计.pdf

中文摘要 摘要 音频分析被广泛用于测量各类音频系统的时域特性、频域特性及失真特性等， 而进行比较完整的音频测试分析需要购置各种价格昂贵的专用仪器，而且需要整 合成整套的音频测试系统，这对于普通用户来说存在一定的困难。智能控件化虚 拟仪器是测试仪器发展的一个全新模式。将智能控件化虚拟仪器技术应用到音频 分析仪的设计与制造中，给音频分析仪带来了全新的面貌。 论文介绍了智能控件化虚拟仪器的原理，其基本思想是：将一些虚拟控件经 “功能赋予”后与仪器功能进行“测试融合”从而形成“智能仪器单元”，通过 “积木式拼搭”，直接在p c 机内形成各种类型的虚拟仪器并显示在屏幕上供用户 使用。这些“智能仪器单元”称为智能虚拟部件，这是一种被仪器功能激活了的， 有生命的虚拟控件，既描述了智能控件化虚拟仪器的形象，也描述了它的本质。 论文研究了音频分析的测试内容和意义及所用到的各种方法，完成了智能控 件化音频分析仪的功能建模。在音频设备的时域特性分析中，阶跃脉冲响应检测 是衡量系统性能的重要方法，它反映的是音频设备对于突变信号的响应灵敏度。 音频设备对于信号的重放能力是由其频率响应特性来衡量的。分析音频设备的频 率响应特性主要有单音信号检测法、噪声冲击检测法和最大长度序列检测法等。 其中最大长度序列法在测量效率以及抑制噪声方面有比较明显的优势，因此近来 得到比较广泛的应用。谐波失真是音频设备最常见的一种非线性失真，它直接影 响到音频设备的重放效果，谐波失真曲线图反映出设备在整个音频范围内的失真 分布情况，是衡量设备性能的重要参数。 论文综合应用智能控件化虚拟仪器思想、结构化设计思想、软件总线思想、 三层结构思想，介绍了智能控件化音频分析仪的系统构成，在v m i d s 开发系统内 完成了仪器的拼搭和实现。功能层提供了丰富的测量及分析功能，包括音频信号 频率测量、电压测量、失真测量、时域幅值分析、频域幅值分析和失真分析等： 拼搭场内实现了系统的表示层。通过实测典型的音频设备，即音箱的扬声器单元 来检测智能控件化音频分析仪的实用效果，得到扬声器单元的各种音频特性参数。 关键词：智能控件化虚拟仪器，智能虚拟控件，音频分析仪 英文摘要 a b s t r a c t a u d i oa n a l y s i si sw i d e l yu s e dt om e a s u r et i m ed o m a i n , f r e q u e n c yd o m a i na n d d i s t o r t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f v a r i o u sa u d i os y s t e m a na l l a r o u n da u d i ot e s ta n da n a l y s i s n e e d sa l lk i n d so fe x p e n s i v es p e c i a li n s t r u m e n t s ，w h i c hs h o u l db ew e l lo r g a n i z e d o b v i o u s l y , i ti s n o tap i e c eo fc a k ef o rc o m m o nu s e r a n dt h e i n t e l l i g e n t c o n t r o l s o r i e n t e dv k t u a li n s t r u m e n ti saf i r e - n e wm o d e li nd e v e l o p m e n to fm e a s u r e i n s t r u m e n t i tb r i n gaf i r e - n e wa p p e a r a n c et oa u d i oa n a l y z e rt h a tu s i n gt h et e c h n o l o g yo f i n t e l l i g e n tc o n t r o l s o r i e n t e dv i r t u a li n s t r u m e n ti nt h em a n u f a c t u r ed e s i g no f i t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e g e n e r a li d e a lo fi n t e l l i g e n tc o n t r o l s o r i e n t e dv i r t u a l i n s t r u m e n tw h a tt h ei d e a li st h a ti n t e l l i g e n tc e l l so fi n s t r u m e n te a nc o m p o s ev a r i o u s i n s t r u m e n t s ，a n dc a ns h o wt h e mt ou s e ro np c ，w h i c ha r ed e r i v e df r o mv i r t u a lc o n t r o l s b yc o m b i n ev i r t u a lc o n t r o la n df i m c t i o n so fi n s t r u m e n t st h r o u g hf u n c t i o n se n d o w i n g t h ei n t e l l i g e n tc e l l so fi n s t r u m e n tn a m e di n t e l l i g e n tv i r t u a lc o n t r o l si sak i n do f l i v i n g v i r t u a lp a r te n d o w e di n s t r u m e n tf u n c t i o n s ，w h i c hd e s c r i b et h ea p p e a r a n c ea n dt h e e s s e n t i a lo f i n t e l l i g e n tc o n t r o l s o r i e n t e dv i m m li n s t r u m e n t t h ec o n t e n t s ，p u r p o s e sa n dm e t h o d so fa u d i oa n a l y s i sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r i n a m p l i t u d ea n a l y s i si nt i m ed o m a i n , t h es t e pi m p u l s er e s p o n s ea c t sa sa ni m p o r t a n t p a r a m e t e rt oe v a l u a t e t h ep e r f o r m a n c eo fa u d i od e v i c e i tr e f l e c t st h er e s p o n s e s e n s i t i v i t yo fa u d i os y s t e mt os u d d e nc h a n g e ds i g n a l s a u d i od e v i c e s p e r f o r m a n c e si n p l a y b a c ka r ee v a l u a t e db ym e i rf r e q u e n c yr e s p o n s ei nt h ew h o l ea u d i of r e q u e n c yr a n g e t h e r ea r es e v e r a lw i d e l yu s e dm e t h o d st oa c q u i r et h e f i e q u e n c yr e s p o n s eg r a p h , i n c l u d i n gs i n g l et o n em e t h o d ，m u l t i p l et o n em e t h o d ，n o i s ei m p u l s em e t h o da n d m a x i m u ml e n g t hs e q u e n c es i g n a l i m p u l s em e t h o d t h el a s tm e t h o d ，m l ss i g n a l i m p u l s e ，h a ss oo b v i o u sp r e d o m i n a n c ei nt h ea s p e c to fd e c r e a s i n gn o i s ea st oo b t a i n i n c r e a s i n g l yw i d eu s e h a r m o n i cd i s t o r t i o ni so n eo ft h em o s tc o m m o nn o n l i n e a r d i s t o r t i o n s ，a n di ta f f e c t st h ep l a y b a c kp e r f o r m a n c eo fa u d i od e v i c e sd i r e c t l y h a r m o n i c d i s t o r t i o ng r a p hr e f l e c t st h ed i s t o r t i o nd i s t r i b u t i o ni nt h ew h o l ea u d i of r e q u e n c y r a n g e a d o p t i n gi n t e l l i g e n t c o n t r o l s o r i e n t e dv i r t u a l i n s t r u m e n t ，s t r u c t u r e dd e s i g n t h o u g h ta n ds o f t w a r eb u st h o u g h ts y n t h e t i c a l l y , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h ec o n s t i t u t i o no f i n t e l l i g e n tc o n t r o l s o r i e n t e da u d i oa n a l y z e r , b u i l tt h ea p p a r a t u s ，a n di m p l e m e n t e dt h e f u n c t i o n si nt h ed e v e l o p i n gs y s t e mo fv m i d s t h el a y e ro ff u n c t i o np r o v i d e sv e r s a t i l e m e a s u r ea n da n a l y s i sf i m c t i o n st om e e tt h er e q u i r e m e n to fa u d i od e v i c e s ，i n c l u d i n g m e a s u r eo fa u d i os i g n a l sv 0 1 t ，f r e q u e n c ya n dd i s t o r t i o n ，a m p l i t u d ea n a l y s i si nl i m e i i i 重庆大学硕士学位论文 d o m a i n ，a m p l i t u d ea n a l y s i si nf r e q u e n c yd o m a i n ，a n a l y s i so fd i s t o r t i o n ，e t c t h el a y e r o fd e n o t a t i o nw a si m p l e m e n t e db yt h eb u i l d i n gf i e l d t h el o u d s p e a k e r so fs o u n db o x a r et e s t e du s i n gv i r t u a la u d i oa n a l y z e r , a n ds o n a ea u d i oc h a r a c t e r i s t i c sa r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tc o n t r o l s o r i e n t e dv i r t u a li n s t r u m e n t ，i n t e l l i g e n tv u t u a lc o n t r o l ， a u d i oa n a l y z e r i v 1 绪论 l 绪论 1 1 课题来源 本课题是国家自然基金重点资助项目“面向机械测试的智能控件化虚拟仪器系统 的研究”的子项目，项目批准号：5 0 1 3 5 0 5 0 1 2 音频分析及音频分析仪器 1 2 1 音频分析 音频是多媒体中的一种重要媒体。我们能够听见的音频信号的频率范围大约 是6 0 h z 2 0 k h z ，其中语音大约分布在3 0 0 h z 4 k h z 之内，而音乐和其他自然声 响是全范围分布的。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。这里所说的音频分析就是以数字音频信号为分析对象，以数字信 号处理为分析手段，提取信号在时域、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各自不同的应用领域。例如对于3 0 0 4 k h z 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2 0 2 0 k h z 之间的全范围的语音信号分析则可以用来衡量各类 音频设备的性能。所谓音频设备就是将实际的声音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。 1 2 2 音频分析仪器的用途 这里所说的音频分析仪器是指既能够测量话筒、音频功放、扬声器等各类单 一音频设备的各种电声参数，也能测试组合音响、调音台等组合音频设备的整体 性能的分析类仪器。目前市场上已经出现了可用于测量音频设备的各类分析仪器， 例如失真度分析器、频谱分析仪、频率计数器、交流电压表、直流电压表、音频 示波器等。这些基于各种功能电路的机架式硬件仪器使用简便、测量精度较高， 目前已经获得了广泛的应用。音频设备生产厂家可以利用音频分析仪器检查设备 的性能，发现存在的缺陷，从而对设各的设计制造进行改进；消费者也可以利用 音频分析仪器对设备进行评估，选择合适的产品。 以组合音响为例，在评价其性能时常常用到术语“音色”，所谓音色就是指音 响囡高次谐波不同而引起的声音差异。而音响的所谓“平衡感”则是指音响在全 频段重放的量感听起来自然的程度。音频分析仪器的作用就是将评价设备各种行 业术语以各种量化的特征参数形式表示出来，“音色”所对应的特征参数就是谐波 失真的测量，而“平衡感”则涉及到设备在整个音频范围内的频率响应的分布情 重庆大学硕士学位论文 况。 一般说来，一台功能较为齐全的音频分析仪器应能测量信号交直流电压、信 号频率、谐波失真、信噪比等参数。功能强大的音频分析仪器提供频谱分析、1 3 倍频程分析、倍频程分析、声压级测量等功能。如果要组建音频分析系统，还需 要一台标准音频信号发生器作为激励信号源。 1 2 3 音频分析仪器的现状 早期专业的音频分析仪种类很少，在作音频测量时一般是利用万用电表、频 率计、示波器及频谱仪等组合成一套音频测试系统。这种测试系统中间环节多， 各环节之间接口匹配较为困难，使用起来比较麻烦，测量结果往往也不精确。 日本松下生产的y p 7 7 2 3 型音频分析仪是较早出现的专业音频分析仪，该仪 器集成了交直流电压测量、频率测量、信噪比测量、失真度测量、单音信号发生 等多项功能，且测量范围宽，精度较高。然而，该仪器不具备频率响应分析等图 形界面的分析功能，数据的存储打印功能也比较弱。 近年来出现的音频分析仪器也与仪器的主流发展趋势一致，朝着高度集成化、 智能化的方向发展，这些仪器集成了复杂音频信号发生装置、功率放大装置等， 具备了一些初步的图形化分析功能，使用户很容易组建音频测量系统。n t i a g 公 司的“a 系列”音频分析仪就是这类仪器的典型代表，如图1 1 所示。该仪器除具 备一般的音频参数测量外，还能够监视时域波形、进行倍频程分析及l 3 倍频程分 析。 图1 1 n t i a g 的a 1 型音频分析仪 f i g1 1 a 1t y p e o f a u d i oa n a l y z e r p r o d u c e d b y n t i a g 1 3 测试仪器发展的三种模式 1 3 1 传统硬件化仪器 传统硬件化电测仪器由决定仪器功能、性能和技术指标的电子板卡，带有插 槽的底盘，装有各类控件的面板、机箱和显示器等五部分组成。这是一类无参与 性、无集成性的封闭系统。这类硬件化仪器有许多自身难以克服的固有缺陷，以 用于音频分析的硬件仪器为例，缺陷主要表现如下： 2 i 绪论 1 ) 功能较为单一。每种仪器都只有少数几种功能，要进行一次完整的测量必须 人工整合数种不同的仪器，这显然给使用者带来了一定的困难。 2 ) 图形显示功能较差。在对音频设备进行音频测量分析时，需要用到大量的曲 线、图表，传统的硬件仪器虽然能够提供一定的时域波形显示及频谱显示功 能，但读数困难，图形的可操作性差，难以满足用户的要求。 3 ) 存储打印功能不强。音频测量中会产生大量测量数据和分析结果，对于这些 有价值的数据，传统的硬件仪器难以提供方便的存储功能。 4 ) 可扩展性差，仪器功能不能灵活增减。用户购置的硬件仪器一旦过时，难以 升级，只能购置新的仪器。 5 ) 价格昂贵，用户难以承受。进行一次完整的音频测量及分析至少需要用到低 失真音频信号源、交直流电压表、频率计、示波器、失真度测量仪、频谱分 析仪等多种硬件仪器，购买整套的测试系统花费极大。 1 _ 3 2 虚拟仪器川8 h 1 0 现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，引起了测量仪器和测试技术的巨大 变革。传统的测量仪器已经不能满足人们日益增长的需要，测量仪器出现了从模 拟化到数字化再到智能化的一系列转变。虚拟仪器的思想是一种以硬件功能软件 化为基础，倡导“软件就是仪器”的思想。按照虚拟仪器的设计方法，一套完整 的虚拟仪器被抽象为各个功能模块，然后将软件技术中的模块化概念运用到功能 模块的实现中来，极大地提高各功能模块乃至整个系统的开发效率，由于具备了 功能软件模块化的特征，因此也保证了系统高度的灵活性和开放性。不仅如此， 软件设计的灵活性同时也保证了虚拟仪器参数标定与修改实时化的；r i 赠j 实现，而 虚拟仪器所依托的个人电脑通用平台更是硬件平台通用化的直接体现。由此可见， 虚拟仪器的出现顺应了硬件功能软件化的发展趋势。 1 ) 虚拟仪器的概念 虚拟仪器以p c 机为仪器统一的硬件平台，将测试仪器的功能和形象逼真的仪 器面板控件均形成相应的软件并以文件形式存放于机内的软件库中，同时在计算 机的总线槽内插入对应的、可实现数据交换的模块化硬件接口卡，若使库内仪器 测试功能、仪器控件的软件和由接口卡输入至机内的数据，在计算机系统管理器 的统一指挥和协调下运行，便构成了一类全新概念的仪器一虚拟仪器i l l 。由于虚 拟仪器的测试功能、面板控件都实现了软件化，故虚拟仪器被认为是“软件即仪器”! 这是对仪器概念的延伸，是仪器领域中的一次革命。 由于虚拟仪器建立在个人电脑的运算、存储、显示、打印、管理等各种智能 化功能的基础上，因此虚拟式仪器成为先进的智能化仪器。 2 ) 虚拟仪器的基本结构 重庆大学硕士学位论文 典型的虚拟仪器系统的基本组成为：被测对象、传感器、信号调理、数据采 集卡、虚拟仪器软件和计算机系统平台。被测信号首先经传感器转化为电信号，然 后由信号调理器进行去噪、滤波及前级放大等各种预处理，经过预处理后的信号由 数据采集卡进行a d 转换，成为计算机系统能够直接处理的数字信号，随后由计算 机系统内置的虚拟仪器软件完成分析、显示、存储及打印等工作。图1 2 表式虚拟 仪器的系统结构框图。 图1 2 虚拟仪器系统结构框图 f i 9 1 2s t r u c t u r ed i a g r a mo f v u - t u a li n s m m a e n t 3 ) 虚拟仪器的形成 如果将p c 机作为一套带有智能化功能的仪器通用的机箱和底盘；将硬件化仪 器中的电子卡组成的硬功能库( 包括性能和精度指标) 和面板控件组成的硬控件 库实行软件化，从而形成“软功能库”和“软控件库”，然后将它们送入计算机， 在计算机内的一个称为“框架协议”的专家系统内进行软装配、软连接、软组合、 图1 3 一台完整的虚拟仪器 f i g1 3a s e to f v l r m a li n s t r u m e n t 软修改、软增删等一系列软性操作，最后便形成一台从外观到功能、性能、精度 到操作方法都与同类硬件仪器完全一样的虚拟仪器，此时若在计算机的总线槽内 插入一块相应的模块卡，并在测试对象与模块卡之间接入传感器，这样虚拟仪器 4 1 绪论 便可和外界的被测对象进行数据交换，从而实现其测试与分析任务了【1 。图1 _ 3 表 示一台软硬件完整，可供使用的虚拟仪器系统。 4 ) 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的发展代表着测试测量仪器技术发展的主流，而虚拟仪器以其鲜明 的特点得到了越来越广泛的应用。相对于硬件化仪器来说，虚拟仪器具有如下鲜 明特点： 高度集成 更新快 扩展性好 用户参与性强 操作简便 经济实用 适用面广 5 ) 虚拟仪器的发展与现状【1 0 】 2 0 1 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的研究与开发在国内已经过了起步阶 段。从9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安 电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发虚拟仪 器产品和虚拟仪器设计平台以及引进消化n i 公司、h p 公司的产品等方面做了一系 列有益工作，取得了一批瞩目的成果。相信在不久的将来，国内将会推出种类更多、 性能更优、功能更强的并具有自主版权的虚拟仪器产品。 虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人们 的仪器观! 据“世界仪表与自动化”杂志报导，2 1 世纪初叶，虚拟仪器的生产厂 家将超过于家，品种将达到数干种，市场占有率将占到电测控仪器的5 0 01 这一 预测对整个仪器仪表领域不啻是一次强烈的震撼! 使从事电测仪器、分析仪器等 技术研究与开发的科学家和工程师们都看清了虚拟仪器对传统仪器的巨大挑战， 认识到在2 1 世纪虚拟仪器不仅无容争议的将成为仪器的发展方向，而且必将逐步 一一取代传统硬件化仪器，使成千上万种传统的硬件化的电测与分析仪器都演变 成计算机软件，成为一系列文件融入计算机中1 1 3 3 智能控件化虚拟仪器【l 】叶1 0 l 这是一种被仪器功能“激活”了的，有“生命”的虚拟部件。通过“测试融 合”使测试仪器的功能与这些虚拟部件相应的结构( 例如虚拟选择开关各个挡位 的“触点”) 融为一体，这样在这些部件的相应结构上便自带仪器的测试功能。使 控件变成了具有多种仪器功能的“组合仪器单元”，用户只需将这些显示在屏幕的 仪器单元按自己的要求进行积木式的拼搭，便能“制造”出各种用途的测试仪器。 重庆大学硕士学位论文 显然，用户定义和设计在这里只是对控件的选择，组建仪器不是编程而是对控件 进行拼搭，仪器在这里变成了零部件( 虚拟控件) ，而p c 机则成了生产仪器的加 工工厂。实现控件化，标志着测试仪器的发展进入了第3 阶段。 智能控件化虚拟仪器作为一种全新的仪器系统，具有如下鲜明的特点： 1 ) 具有鲜明的个性 对于不同类型的产品具有不同的个性应该是自然而然的事，即使是同类型产品不 同的个别，也应有不同的个性。例如目前全世界生产的f f t 动态信号分析仪，无例外 的都具有时域、幅值域、频域( 频谱) 、传递相干、互谱、相关等分析功能。将这些大 功能模块细化后可以多达上百个功能。但是用户真正需要用的功能往往不要这么多， 而且不同的用户还要根据自己不同的用途，在这上百种功能中选择自己需要的那几种。 显然传统硬件仪器无法满足用户的这一要求，它们对所有的用户都是一样，上百个功 能随仪器产品一下子卖给你，不管你对这众多的功能是否都用得着! 而目前流行于世 虚拟式仪器由于其系统是开放的，可以满足用户提出的功能增删的要求，但它毕竟是 一个仪器系统，每次功能的增删都将会改动一次仪器的布局设计，工作量也不小，过 程也比较复杂，个性不是很鲜明。 智能控件化虚拟仪器能满足用户对仪器功能多寡、类型、性质等提出的任何要求， 用户可以选择一个功能到上百个功能之间的任意类型的智能虚拟控件，实际上，用户 只需要在产品目录中进行相应的选择，而不需要编程。因此，智能控件化虚拟仪器是 一类具有鲜明个性的仪器产品。 2 ) 具有很强的参与性 这里所说的参与性主要是指用户可参与仪器产品的设计、制造、维修等全过程。 对于传统硬件化仪器产品，其设计、制造是专家和制造厂的事，用户虽然可以提出某 些意见和要求，但不可能立即实现。而且用户也不可能参与产品的设计与制造。用户 能做的事就是使用好己买回去的( 绝不可能随意改动的) 仪器产品。智能虚拟控件使 得用户可以参与仪器设计制造的全过程，对控件进行组合拼搭，所以，智能控件化虚 拟仪器具有很强的参与性。 3 ) 具有快的响应速度 响应速度是相对于技术进步和市场需求而言的。毫无疑问，智能虚拟控件作为一 种以软件为主体的产品，在跟踪技术进步和市场需要方面、在更新换代和预测维修方 面，具有很快的响应速度( 包括产品生产周期和产品更新换代周期) 。 4 ) 最大限度绿色化 保护环境和节省能源是2 1 世纪人类共同的战略任务，制造业必须承担起消除污染、 保护环境、节约能源和资源的责任。当仪器设备的制造从硬加工转变为软：j n i 后，其 在硬加工中消耗的大量能源和大量原材料( 资源) ，以及在制造、包装、运输、使用过 1 绪论 程中产生的一切污染( 废物、废气、废水和噪声) 都将被消除，从而使智能控件化虚 拟仪器成为一类典型的绿色化产品【3 l 。 1 4 本课题研究的意义 本课题是将智能控件化虚拟仪器这一全新的概念，引入音频分析仪的设计制 造过程中，并开发出一种智能控件化虚拟式音频分析仪。课题根据智能控件化虚 拟仪器的思想，首先将音频分析仪拆分为一个个单独的零部件，然后将这些零部 件全部控件化，形成控件库和功能库，从而用户可以非常灵活、方便的在拼搭厂 中任意选取满足各自实际需要的功能和控件，组装出能够达到测量要求和精度要 求的拼搭式音频分析仪。智能控件化拼搭式仪器的出现，是仪器制造的一次飞跃。 2 智能控件化虚拟仪器 2 智能控件化虚拟仪器 智能虚拟控件是虚拟仪器发展过程中的一项极富创造性的成果，按照这种模型 的思想建立的智能控件化虚拟仪器是一种新的仪器模式。本章从智能控件化虚拟仪 器的基本概念、智能虚拟控件的形成原理和智能控件化虚拟仪器的形成原理等三个 方面对这一模型进行讨论。 2 1 智能控件化虚拟仪器的基本概念1 2 1 【4 1 7 叩o 】 智能控件化虚拟仪器是一种新的仪器模式，也是一个全新的仪器概念。这一概 念的基本思想是：将一些虚拟控件经“功能赋予”后与仪器功能进行“测试融合” 从而形成“智能仪器单元”，通过“积木式拼搭”，可直接在p c 机内形成各种类型 的虚拟仪器并显示在屏幕上供用户使用。这些“智能仪器单元”称为智能虚拟控件， 它是一种被仪器功能“激活”了的，有“生命”的虚拟部件，它既描述了智能控件 化虚拟仪器的形象，也描述了它的本质，也即是说智能控件化虚拟仪器是通过智能 虚拟控件来体现的。在这一仪器模式中，“功能赋予”、“测试融合”和虚拟仪器的 “积木式拼搭”是三个重要而基本的概念。 2 1 1 功能赋予 对非智能虚拟控件的相应部位或结构赋予己被软件化的测试功能称为“功能赋 予”，如图2 1 所示。显然功能赋予的对象是非智能虚拟控件，而非智能虚拟控件是 一些仅有控件的形状、动作而无仪器功能的控件，如构成虚拟仪器面板上的各种部 件( 开关、旋钮、按钮、数显块和显示器等) ，非智能虚拟控件是“制造”智能虚 拟控件的原材料。功能赋予是一种信息传递，正是由于这种信息传递才使得非智能 虚拟控件有可能实现智能化。 图2 1 功能赋予的示意图 f i 9 2 1s k e t c hm a p o f f u n c t i o ne n d o w i n g 重庆大学硕士学位论文 2 1 2 测试融合 非智能虚拟控件的相应部位或结构经过功能赋予后，功能模块与控件模块再进 行融合的过程称为“测试融合”，如图2 2 所示。 蚓2 2 测试融合示意图 f i 9 2 2s k e t c hm a p o f t e s tf u s m g 为了检验融合过程是否完成，需检查在非智能虚拟控件相应部位或结构上是否 自带仪器功能且满足性能和精度要求。经测试检验合格的非智能虚拟控件称为智能 虚拟控件。智能虚拟控件是基于秦氏模型的智能控件化虚拟仪器系统的核心组成部 分，它的最大特点是通过测试融合把仪器的功能、性能、控件关系等等有机地融合 于一个或几个部件之中，使仪器从整机演化为部件t l i 2 1 。 2 1 3 虚拟仪器的积木式拼搭 仪器拼搭场是智能控件化虚 拟仪器的柔性装配工厂，其中不仅 包括智能虚拟控件成品库，还设计 了帮助模块，如操作手册、库资源 咨询等。“积木式拼搭”是用户通 过选用控件成品库中的一些智能 虚拟控件，在仪器拼搭场中按自己 的要求进行随机置位，便能组装拼 搭出自己所需的测试仪器。整个拼 搭过程既不需要编程，也不需要在 控件问进行连线，只需对控件进行 图2 3 积木式拼搭示意图 f i 9 2 3s k e t c hm a p o f b u i l db l o c k s 一些简单的属性设置即可。积木式拼搭示意图如图2 - 3 所示。 2 2 智能虚拟控件的形成原理 2 l 4 1 “i u o i 在智能虚拟控件形成之前，应根据系统功能的复杂程度来选择非智能虚拟控 件。例如功能简单的仪器系统，只需选择结构参数( 选择开关和旋钮的层数、档位 2 智能控件化虚拟仪器 数和刻度值等等) 简单的非智能虚拟控件，反之如系统具有复杂的功能，则需选择 结构参数复杂的非智能虚拟控件。 为了描述智能虚拟控件的形成原理，首先设定仪器各功能的数学模型的一般形 式如下： 功能1 的数学模型e = z 瓴，f ：， 功能2 的数学模型f 2 = 五“，f ：，l j ； ； ； 功能n 的数学模型c = 瓴，f ：，f ， 为了将这些功能的数学模型编制为程序以形成相应的功能软件，必须找到每个 数学模型的算法。然后利用这些算法将各功能数学模型编制成相应的程序，这样的 功能程序使功能数学模型的物理功能得以实现。然后将功能程序向非智能虚拟控件 的相应结构实行“功能赋予”，使非智能虚拟控件的相应结构( 如选择开关的档位) 被功能激活，再经过“测试融合”这时非智能虚拟控件便成为一个带有仪器功能的 仪器单元。智能虚拟控件形成原理如图2 4 所示。 图2 4 智能虚拟控件的形成原理 f i 9 2 4p r i n c i p l eo f v i c 2 3 智能控件化虚拟仪器的形成原理【2 】1 4 1 7 l 【l 0 1 2 3 1 框架协议集成开发系统 框架协议集成开发系统是一个生产智能控件化虚拟仪器的软性工厂，它具有软 性设计、装配、调试、修改和咨询等功能，是智能控件化虚拟仪器成为现实的关键 设备。图2 5 表示了框架协议集成开发系统的结构原理图。 1 ) 功能软件模块库 将一批测试计量仪器( 如超低频示波器、多线记忆示波器、函数信号发生器、 频率时间测量仪、相位计、测温仪、记录仪、流量计、噪声振动测试仪、扭矩仪、 转速仪、f f t 分析仪、实时倍频程分析仪等等数十上百种电量、非电量测量仪及静 重庆大学硕士学位论文 态、动态测试测量仪) 的功能、技术参数和精度指标以软件模式的形式有序地、保 真地存放在一起形成的一个功能软件库。 2 ) 控件软件模块库 存放着一大批以软件形成的形象逼真的仪器、仪表控制零件和元件，例如量程 开关、波段选择开关、按钮、旋钮、电位器、滑块、信号灯等，供智能虚拟控件设 计时调用。 图2 5 框架协议集成开发系统的结构原理 f j 9 2 5 s t m c t u r ep r i n c i p l eo f f r a m ea g r e e m e n ti n t e g r a t e dd e v e l o p i n gs y s t e m 3 ) 框架协议 功能模块库和控件库是构成智能虚拟控件的基本构件。“框架协议”则象一个 设计所和实验室，它为形成控件产品提供技术咨询。利用框架协议中的“功能赋予” 和“测试融合”功能，调用功能模块库中的功能模块和控件库中的控件，按照仪器 成品技术设计的要求和各种控制关系对产品进行软装配、软连接、软调试，直至形 成智能虚拟控件的成品并输送至可复用控件成品库。 4 ) 仪器拼搭场 在框架协议中产生的智能虚拟控件成品，全部存放于可复用控件成品库中，用 户可根据需要通过仪器拼搭场进行仪器拼搭。用户将智能虚拟控件按自己的要求在 拼搭场中进行积木式的组装，不需编程，只须通过简单设置控件的静、动态属性就 1 2 2 智能控件化虚拟仪器 可以完成仪器的拼搭并立即可实现在线测试应用。零编程拼搭的机理是依据数据流 结构体系确定零编程拼搭的目标函数，根据目标值、设计权值和功能要求构成优化 准则，根据控件的内容和耦合来设计隐式语法。为了便于用户拼搭仪器，还设计了 帮助模块，如操作手册、库资源咨询、专业知识咨询等。 5 ) 框架协议集成开发系统既具开放性又具可逆性系统 由于开发系统中的框架协议功能，使除去可以利用功能模块库和控件库中已有 的功能模块和控件进行设计、装配、调试从而形成控件成品进入可复用控件成品库 外，还可直接面向用户，根据用户的要求，为设计构造新的仪器提供咨询和相应的 信息。例如用户要求的新的仪器需要哪些功能模块和控件模块? 哪些功能模块和面 板控件是系统中已有的，哪些是需要新丌发的? 以及新的仪器中功能模块和面板控 件间应建立何种控制关系，两者的软连接接口应如何设计等等都可通过框架协议来 加以实现，从而可产生新的智能虚拟控件。框架协议这一功能，使得按本文构造出 的智能控件化虚拟仪器是一个既具开放性又具可逆性的测试仪器系统。开放性是指 任何时候仪器系统的功能和成品可随意增减、删除、修改；可逆性是指仪器的成品 既可按已有的功能模块加上已有的控件形成，又可面向用户按用户要求增加的新的 功能模块加上新的控件形成。 2 3 2 智能控件化虚拟仪器的形成过程 在计算机中实现智能控件化虚拟仪器的设计与制造，需经以下三个阶段：首先 是仪器功能建模和编程，其次是通过“功能赋予”和“测试融合”形成智能虚拟控 件库，最后在拼搭场中进行仪器拼搭。图2 6 表示智能控件化虚拟仪器的形成过程。 在建模与编程阶段，如图2 7 所示首先需要建立描述仪器功能和控件的数学模 型，其次需设计为实现模型编程的算法，最后利用相应的算法，对仪器的功能和控 件一一进行程序编制，从而建立起“软功能组库”和“软控件库”。 图2 6 智能控件化虚拟仪器形成过程 f i 9 2 6 p r o c e s so f i v cb a s e dv i 重庆大学硕士学位论文 在“功能赋予”和“测试融合”阶段，如图2 8 所示，首先要调用“软功能组 库”和“软控件库”中的相应资源，在计算机内的开发系统中对非智能虚拟控件相 应的位置或结构进行功能赋予；其次紧接着在功能赋予的结构处进行测试融合，并 按常规仪器的规范进行测试检验以保证其质量：最后，使检验合格的智能虚拟控件 进入“控件成品库”以构成控件的电子分类档案供用户选用。在仪器拼搭阶段，用 户无需编程，只须从成品库中调用相应的智能虚拟控件在拼搭场内拼搭所需的测试 仪器。 图2 7 建模与编程示意图 f i 9 2 7 s k e t c hm a po f m o d l i n ga n dp r o g r a m m i n g 图2 8 功能赋予和测试融合示意图 f i 9 2 8s k e t c hm a po f f u n c t i o ne n d o w i n ga n d l e s tf u s i n g 1 4 3 音频分析原理 3 音频分析原理 本章主要介绍数字信号处理的基本理论、音频分析的基本方法以及音频参数 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。 3 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，下面分别 加以简要介绍。 3 1 1 傅立叶变换1 2 卅1 2 2 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、相位，按频率 分布规律，建立以频率为横轴的各种“谱”。傅立叶变换是进行频谱分析的基础。 1 ) 周期信号与离散频谱 周期信号可以利用周期函数谁) 表示，任何一个周期为丁的周期函数谁) ，如 果在【_ t 1 2 ，t 1 2 上满足d i r i c h l e t 条件则可以展开为；h t 傅利叶级数，即： 谁) ：要+ 妻以s i nn o ) t + 纯) ”。1 f 3 ：了c l o + 宝o 。c 。s o f ) + “s i n ( h o o t ) ) 其中 为直流分量，a o = ；：工。切 n 。为余弦分量的幅值，a n = 吾j ：! ：谁) c o sn c o t x n = 1 ，2 ，) 吃为正弦分量的幅值，b n = 吾j ：z x ( f ) s i n o o j t ) ( n = 1 ，2 ，) a 。为各频率分量的幅值，以= n ：+ 6 ： 纯为各频率分量的相位，纯= a c t g ( a 。i b o ) 国为角频率，国= 冬 傅立叶级数还可以表示为复指数形式： x o ) = 岛p 加 ( 3 2 ) 重庆大学硕士学位论文 2 ) 非周期信号与连续谱线 频谱密度函数x ) 对于非周期信号，可以看作周期r 为无穷大的周期信号。当周期趋近无穷大时， 则基波谱线及谱线间隔( = 2 万t ) 趋近无穷小，从而离散的频谱就变为连续频谱。 所以，非周期信号的频谱是连续的。 重写傅立叶级数的复指数函数展开式为：m ) = c 。e 且“， 其中傅立叶系数：c 。= 喜口+ r 如p 一扣“d t 当周期r 一。时，谱线间隔= 2 ；r 7 趋近无穷小f o 一如一0 。离散量翮 ( n = 0 ，1 ，2 ) 变为连续变量甜，册一国。傅立叶系数c 。的模lc 。i 趋于无 穷小，故l 巳| _ 一7 9 c 0 幅频图也趋于无穷小，但各条谱线值比例保持不变。将它放大 t 倍，则上式变为： 熙q 罢= 熙e 打x o 啊“出 由于时间t 是积分变量，故上式积分后，仅是埘的函数，并记作x ) 或， 工o ) 】 x 0 ) = ， x ( f ) = j 二工o p - 肿t d t = 。l k - + n 。巳j 2 i 7 9 或 x 叫删= j 二x o - ) 2 n “d t = 川l j m c 。 ( 3 3 ) z 白) 或x 驴) 表示单位频带上的频率分量，是复数，称为工( f ) 的频率密度函数，简 称频谱密度。 非周期信号的傅立叶积分表示 作为周期，为无穷大的非周期信号，当周期丁一。时，频谱谱线间隔 一d ，= 2 x i d 6 0 ，离散变量刀缈一变为连续变量，求和运算就变为求积分 运算。于是式( 3 2 ) 变为： 荆) = 寺( 咖皿d o ) ( 3 4 ) 这就是傅立叶积分。记为x ( t ) = f - 1 z ) 。于是就有： ) = ix ( t ) e - j 。 d t( 3 5 ) 3 1 2 信号的采样【2 2 1 在以计算机为中心的测试系统中，模拟信号工0 ) 进入数字计算机前先经过数采 卡d a q 中的采样器，将连续时间信号变为离散时间信号，成为采样信号x ，( f ) 。然 1 6 3 音频分析原理 后再经a d 转换器在幅值上量化变为离散的数字信号。这样，将会出现一系列新 的问题，现在从频域分析其频谱的变化 1 ) 采样信号及其频谱 若连续时间信号x ( f ) 被数据采集卡中的采样器以等时间间隔r 采样，则采样时 刻0 、t 、2t 所取得信号x ( f ) 的瞬时值，构成了连续信号x ( f ) 的离散时间序列 x 。( f ) ，i = o 、1 、2 如图3 1 所示。 x o ) 连续时间信廿j t离散时间信号n 图3 1 模拟信号的数字化 f i g3 it r a n s l a t i n ga n a l o gs i g n a l st od i g i t a ls i g n a l s 当x ( f ) 的频谱为) 时，则x ，( f ) 的频谱， ) ，如图3 2 所示。 o 图3 2 连续信号的频谱 f i