基于LabVIEW音频信号采集与分析系统设计
◇长江大学机械工程学院 董 斌 齐列锋 贺 恒 晏希亮 【期刊名称】内江科技 【年(卷),期】2015(036)009 【总页数】2
本文首先介绍音频信号采集与分析系统总体设计原理，然后介绍基于笔记本计算机麦克风和声卡的硬件设计，以及以虚拟仪器软件LabVIEW为开发环境的音频信号采集、存储和时域频域分析的软件开发，最后用实例证明系统的可行性。系统拓展性强，可推广至语音识别、噪声监测等多种工程测量及实验室应用。
LabVIEW是一款广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受的虚拟仪器制作软件，被广泛应用于数据采集、测试和数据处理等领域。LabVIEW由美国国家仪器公司（NI）研制开发，采用图形化编辑语言G编写程序的功能强大的虚拟仪器开发环境[1]。为了节约系统成本，硬件部分采用计算机的多媒体麦克风和声卡代替价格昂贵的数据采集卡。软件部分由两子系统构成，在LabVIEW开发环境中制作，一是实现音频信号采集与存储，另一部分是实现历史音频信号读取和时域频域分析与显示。
1 系统总体设计原理
设计的音频信号采集与分析系统以LabVIEW虚拟仪器软件为开发环境，由硬件电路和LabVIEW软件程序两部分构成[2]。硬件部分由作为音频信号传感器的麦克风和音频信号采集输入电脑的声卡；软件部分主要对输入数据进行采集存储和读取存储文件分析与显示两个子系统组成。麦克风感知音频信号，采集
存储软件子系统控制声卡对音频信号采集同时存储。分析与显示软件子系统主要是读取存储文件，然后进行时域和频域分析和结果显示。信号采集要用到采样定律，要求采样频率至少大于两倍信号最大频率。信号分析中频域分析是采用傅里叶级数或傅里叶变换将时域信号转化成频域信号的分析方法。
2 系统硬件设计
系统硬件由计算机的麦克风和声卡组成，麦克风作为音频信号传感器，声卡主要功能就是实现模拟信号和数字信号之间的转换（A/D转换），两者是音频信号与LabVIEW软件连接桥梁。声卡有Mic In和Line In两种信号输入插孔，Mic In模式因为前置放大器原因易引起噪音且导致信号过负载，Line In模式噪声干扰小且动态特性良好，因此本系统采用Line In插孔输入。电脑声卡一般最高采样频率为44.1 kHz，输入音频信号的幅值不超过1 V，对于超过 1 V 的信号可衰减后输入[3]。采样位数为16位，具有较高的分辨率，计算机的 CPU 采样缓冲区为8 kB。
3 系统软件设计
系统软件程序开发工具为LabVIEW8.6，系统软件程序由两个程序构成，即音频信号采集存储与读取存储音频文件进行时域频率分析显示。 3.1 音频信号采集存储软件设计
要实现音频信号的采集和存储，首先必须通过硬件实现声音信号转化为电信号输入计算机[4]，然后通过LabVIEW一系列自带函数来实现，其过称为初始化配置声卡、设置音频文件保存路径、采样和释放声卡。音频信号采集和存储时首先调用Sound Input configure.vi配置声卡并采集送至缓存，参数设置如下：每通道采样总数设置为5000；采样模式有有限采样和连续采样两种，设置为连
续采样；采样数通通常有11025S/s、22050S/s和44100S/s三种，设为默认22050S/s；通道数有1和2两个值，1代表单声道，2代表立体声，设为2；每采样比特数由8和16两个数，设置为16。同时调用Sound File Write Open.vi时创建打开一个.wac文件并定义了其存储路径，然后调用Sound Input Read.vi从缓存读取数据并写入文件中，最后调用Sound File Write close.vi关闭.wac文件，同时调用Sound Input Clear.vi使设备停止采集并清空缓存数据[5]。为了实现连续采样存储，将Sound Input Read.vi放在while循环里面，同时在while循环中添加一个显示控件，时时显示输入音频信号的幅值与时间关系。程序框图如图1所示。 3.2 音频信号分析软件设计
对以存储的.wac格式的音频信号分析，其过程为打开音频文件、配置声卡输出、读取音频文件、处理时域频域分析显示和关闭文件。打开.wac格式音频文件调用Sound File Write Open.vi函数，同时制定文件路径为d:1.wac，配置音频文件输出参数。Sound File Read.vi函数读取的信息经过处理后给显示控件显示，最后就是关闭文件。为了一直不停读取音频文件和时时显示，将Sound File Read.vi和相关处理与显示控件放在while循环里面。信号分析用时域分析和频域分析，时域分析中除了读取时域信号直接显示外，还有调用Amplitude and Level Measureaeds.vi函数均方根、正峰值、负峰值和峰峰值测量，频域分析调用Amplitude and Phase Specturam.vi函数和Power Specture.vi函数完成幅频谱、相频谱和功率谱的绘制。该子系统程序框图如图2所示。
4 系统应用与结果分析
为了测试该系统性能，将该系统应用于某一段音乐信号采集与分析，很好的实
基于LabVIEW音频信号采集与分析系统设计
