基于PC声卡和LabVIEW的音频分析仪设计【自动化毕业论文】.doc

1、摘 要I本科毕业论文（20 届）基于 PC 声卡和 LabVIEW 的音频分析仪设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II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

2、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

3、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

4、 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

5、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AbstractIIAbstractThe traditional audio analyzer equipment is not only expensive, the technology is updated slowly, but also has not the function of the analysis

6、 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

7、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

8、, 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

9、 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

10、, 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 acquis

11、ition, 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; t

12、ime-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; AbstractIIIdistortion analysis is included analysis of the signal to noise ratio and total h

13、armonic 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 e

14、xtensibility, 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IV目 录摘 要 .IAbstr

15、act .II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 LabVIEW.93.1 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 La

16、bVIEW.103.2.1 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 .13目 录V4.2 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- 1 -第一章 音频分析仪1.1 音频信号及音频

17、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 300Hz 4KHz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

18、音 内 容 或 判 断说 话 者 的 身 份 ； 而 对 于 20Hz 20kHz 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

19、 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

20、， 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 。第一章 音频分析仪- 2 -（ 1-dtexffj2-)t(XFT）（：1）周 期 信 号 （ ， 基 频 ） （ 1-ttTfjk2/2)(1)f（： fkT/12）非 周 期 信 号 （ ， 采 样 间 隔 ）nftjetx2)(fXF）（： t

21、ntsf/（ 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

22、， 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 。（ 1-10102)(kXDFTNnkNnkjWex）（：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

23、 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）

24、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 较第一章 音频分析仪- 3 -强 的 干 扰 噪 声 ， 则 应 选 用 旁 瓣 幅 度 小 的

25、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

26、 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

27、 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

28、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

29、 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。第一章 音频分析仪- 4 -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

30、 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）nsVNSlg20/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

31、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。