段金英

(西京學(xué)院，陜西西安，710123)

基于LabVlEW的音頻信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

段金英

(西京學(xué)院，陜西西安，710123)

運(yùn)用虛擬儀器替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不但能節(jié)省實(shí)驗(yàn)器材資源、降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本,而且可為學(xué)生提供一個(gè)更加方便的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),提高老師的教學(xué)質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源的共享。在LabVIEW平臺(tái)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了以PC機(jī)普通聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行音頻信號(hào)采集分析的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有信號(hào)采集、分析、波形顯示、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)文件再調(diào)用分析等功能。與傳統(tǒng)儀器相比，打破了以往由教學(xué)儀器限定實(shí)驗(yàn)的模式，具有一定的實(shí)用性和可靠性。

LabVIEW ；聲卡；音頻信號(hào)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

0 引言

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器的概念不斷火熱起來(lái)，各種虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件面世并得到越來(lái)越多的運(yùn)用，其中最具有代表性的是美國(guó)National Instruments公司的LabVIEW。如今LabVIEW虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件已經(jīng)廣泛的運(yùn)用于測(cè)試與測(cè)量、過(guò)程控制、工業(yè)自動(dòng)化和實(shí)驗(yàn)室研究等方面[1][2]。同時(shí)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)采集卡都已經(jīng)具備完整的數(shù)據(jù)采集和處理電路，精確度也在不斷地提高，但是其市場(chǎng)價(jià)格都普遍偏高，而如今具有DSP（數(shù)字信號(hào)處理）技術(shù)的PC聲卡的性能已經(jīng)很高，完全可以成為一個(gè)成熟的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以很好地適應(yīng)各種不同的場(chǎng)合，并且具有操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、通用性強(qiáng)、穩(wěn)定實(shí)用以及驅(qū)動(dòng)程序升級(jí)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)[3]。將這些與LabVIEW的 Express技術(shù)相結(jié)合，極大地方便了對(duì)測(cè)試測(cè)量應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，這樣對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)集采集、分析、保存于一體的音頻數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)已經(jīng)十分快捷與方便[4][5]。與傳統(tǒng)儀器相比，打破了以往由教學(xué)儀器限定實(shí)驗(yàn)的模式，具有一定的實(shí)用性和可靠性。

1 音頻采集的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)

音頻采集的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括用戶(hù)登陸界面、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、波形回放及數(shù)據(jù)分析四個(gè)模塊。用戶(hù)通過(guò)啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入到用戶(hù)登錄界面中，通過(guò)輸入用戶(hù)名和密碼這一操作，系統(tǒng)會(huì)判斷是否進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)界面中，在該界面下可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的聲音采集和數(shù)據(jù)的保存工作。在波形回放中，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的聲音和波形回放，并進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。

1.1 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)界面

選用聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行音頻信號(hào)的采集。在采集之前，需要對(duì)利用采集聲音函數(shù)進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置。

每通道采樣數(shù)：也是緩沖區(qū)中每通道采集的數(shù)量，緩沖區(qū)大小。在這里設(shè)置為5000。

采樣模式：包括連續(xù)采樣和有限采樣。設(shè)置為連續(xù)采樣。

設(shè)備ID：是對(duì)聲音操作時(shí)用到的輸入和輸出設(shè)備。在通常情況下設(shè)置為0。

聲音格式：采集率、通道數(shù)量和每個(gè)采樣的位數(shù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在采樣率中，通常為44100S/s、22050S/s、11025S/s。在此設(shè)置為22050S/s。在通道數(shù)中，1為單聲道，2為立體聲。每采樣比特?cái)?shù)為每個(gè)采樣的質(zhì)量，以比特為單位。分辨率通常是16比特和8比特。默認(rèn)值為16。

1.2 波形回放

在波形回放界面中，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)保存過(guò)聲音信號(hào)的聲音回放和波形回放。在順序結(jié)構(gòu)中，利用“簡(jiǎn)易讀取聲音文件”子VI和“配置聲音輸出”子VI和“寫(xiě)入聲音輸出”子VI來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音的回放和波形的回放。具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：通過(guò)初始化，使得該界面的按鈕回復(fù)到初始狀態(tài)，在順序結(jié)構(gòu)中，只有完成當(dāng)前操作，才能執(zhí)行下一幀的程序。點(diǎn)擊播放按鈕，在當(dāng)前While循環(huán)中，停止循環(huán)，作為下一幀循環(huán)中條件結(jié)構(gòu)的假語(yǔ)句，會(huì)出現(xiàn)選擇文件對(duì)話框，將數(shù)據(jù)保存在E盤(pán)中的Data文件，通過(guò)選擇該文件，找到在該文件下存儲(chǔ)的.wav格式的文件，結(jié)合“簡(jiǎn)易讀取聲音文件”子VI和“配置聲音輸出”子VI以及“寫(xiě)入聲音輸出”子VI來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音的回放和波形的回放。

1.3 數(shù)據(jù)分析

在數(shù)據(jù)分析界面中，主要包括時(shí)域和頻域分析。在時(shí)域分析中，可以選擇相應(yīng)的濾波器對(duì)采集的音頻信號(hào)進(jìn)行濾波，同時(shí)還能利用“基本平均直流—均方根”子VI進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

在頻域分析中，利用FFT頻譜和FFT功率譜來(lái)分析信號(hào)的頻譜特性和信號(hào)功率在頻域上隨著頻率的分布變化，除此之外，還設(shè)計(jì)了時(shí)域和頻域分析結(jié)果的實(shí)時(shí)的保存功能。

2 音頻信號(hào)的采集與分析

以LabVIEW為平臺(tái)，最終搭建好音頻信號(hào)采集的前面板如圖7所示，并采集一段內(nèi)容為“西京學(xué)院”的語(yǔ)音信號(hào)。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析。分析對(duì)象為采集內(nèi)容為“西京學(xué)院”的一段語(yǔ)音信號(hào)。設(shè)定采樣頻率是22050S/s，采樣位數(shù)是16位的，釆樣方式是雙聲道。音頻信號(hào)分析的界面如圖1所示。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，可以自由設(shè)置窗函數(shù)的類(lèi)型，學(xué)生可以分析比較不同窗函數(shù)的分析結(jié)果。

3 結(jié)論

利用LabVIEW 平臺(tái)開(kāi)發(fā)了音頻信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。此方法充分利用了LabVIEW靈活的圖形編程，實(shí)現(xiàn)采集音頻樣本操作簡(jiǎn)單，界面豐富友好，成本低，易學(xué)習(xí)，并且能不斷隨著虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步而升級(jí)，對(duì)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革有一定的促進(jìn)作用，可以進(jìn)一步提高課堂教學(xué)效果。

圖1 音頻信號(hào)分析結(jié)果

[1]陳錫輝.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通[M].清華大學(xué)出版社，2007.07.

[2]王園園.基于LabVIEW電子測(cè)量虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2015,(10)：174-175.

[3]邵銘浩.基于MATLAB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的采集與分析[J].電子制作,2012,(10)：8.

[4]趙兆.基于LabVIEW的電子電路模擬及仿真設(shè)計(jì)探討[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2016,(08)：251+254.

[5]李雯.基于LabVIEW的電子電路模擬及仿真設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2016,(10)：22-23.

Design of audio signal acquisition experiment platform based on LabVIEW

Duan Jinying
(XiJing University, Xi’an Shaanxi,710123)

Instead of traditional experimental equipment, virtual instrument not only can save experimental equipment resources, reduce the cost of laboratory construction, but also provides a more convenient platform for students, improve teaching quality and realize the sharing of resources and teachers of the equipment. A virtual experiment system for audio signal acquisition and analysis is designed and developed based on LabVIEW platform, which uses PC ordinary sound card as data acquisition equipment, with signal acquisition, analysis, waveform display, storage and transfer of data files to function. Compared with the traditional instrument, it breaks the mode that the teaching instrument limited the experiment in the past, and has certain practicability and reliability.

Lab VIEW; sound card; audio signal; experiment platform

西京學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JGYB1719）。