基于LabVlEW的音頻信號采集實驗平臺設計

段金英

(西京學院，陜西西安，710123)

基于LabVlEW的音頻信號采集實驗平臺設計

段金英

(西京學院，陜西西安，710123)

運用虛擬儀器替代傳統實驗設備，不但能節省實驗器材資源、降低實驗室建設成本,而且可為學生提供一個更加方便的實驗平臺,提高老師的教學質量、實現設備資源的共享。在LabVIEW平臺上設計開發了以PC機普通聲卡作為數據采集設備進行音頻信號采集分析的虛擬實驗系統，具有信號采集、分析、波形顯示、存儲以及數據文件再調用分析等功能。與傳統儀器相比，打破了以往由教學儀器限定實驗的模式，具有一定的實用性和可靠性。

LabVIEW ；聲卡；音頻信號；實驗平臺

0 引言

隨著技術的不斷發展，虛擬儀器的概念不斷火熱起來，各種虛擬儀器開發軟件面世并得到越來越多的運用，其中最具有代表性的是美國National Instruments公司的LabVIEW。如今LabVIEW虛擬儀器開發軟件已經廣泛的運用于測試與測量、過程控制、工業自動化和實驗室研究等方面[1][2]。同時隨著技術的不斷發展，目前數據采集技術已經日趨成熟，專業的數據采集卡都已經具備完整的數據采集和處理電路，精確度也在不斷地提高，但是其市場價格都普遍偏高，而如今具有DSP（數字信號處理）技術的PC聲卡的性能已經很高，完全可以成為一個成熟的數據采集系統，可以很好地適應各種不同的場合，并且具有操作簡單、價格低廉、通用性強、穩定實用以及驅動程序升級方便等一系列優點[3]。將這些與LabVIEW的 Express技術相結合，極大地方便了對測試測量應用系統的開發，這樣對于設計一個集采集、分析、保存于一體的音頻數據采集分析系統已經十分快捷與方便[4][5]。與傳統儀器相比，打破了以往由教學儀器限定實驗的模式，具有一定的實用性和可靠性。

1 音頻采集的虛擬實驗平臺的功能設計

音頻采集的虛擬實驗平臺主要包括用戶登陸界面、數據采集存儲、波形回放及數據分析四個模塊。用戶通過啟動系統進入到用戶登錄界面中，通過輸入用戶名和密碼這一操作，系統會判斷是否進入到數據采集及存儲界面中，在該界面下可以實現實時的聲音采集和數據的保存工作。在波形回放中，實現對存儲數據的聲音和波形回放，并進行時域和頻域分析。

1.1 數據采集與存儲界面

選用聲卡作為數據采集卡進行音頻信號的采集。在采集之前，需要對利用采集聲音函數進行相關的參數設置。

每通道采樣數：也是緩沖區中每通道采集的數量，緩沖區大小。在這里設置為5000。

采樣模式：包括連續采樣和有限采樣。設置為連續采樣。

設備ID：是對聲音操作時用到的輸入和輸出設備。在通常情況下設置為0。

聲音格式：采集率、通道數量和每個采樣的位數進行參數設置。在采樣率中，通常為44100S/s、22050S/s、11025S/s。在此設置為22050S/s。在通道數中，1為單聲道，2為立體聲。每采樣比特數為每個采樣的質量，以比特為單位。分辨率通常是16比特和8比特。默認值為16。

1.2 波形回放

在波形回放界面中，主要是實現對保存過聲音信號的聲音回放和波形回放。在順序結構中，利用“簡易讀取聲音文件”子VI和“配置聲音輸出”子VI和“寫入聲音輸出”子VI來實現聲音的回放和波形的回放。具體的實現過程為：通過初始化，使得該界面的按鈕回復到初始狀態，在順序結構中，只有完成當前操作，才能執行下一幀的程序。點擊播放按鈕，在當前While循環中，停止循環，作為下一幀循環中條件結構的假語句，會出現選擇文件對話框，將數據保存在E盤中的Data文件，通過選擇該文件，找到在該文件下存儲的.wav格式的文件，結合“簡易讀取聲音文件”子VI和“配置聲音輸出”子VI以及“寫入聲音輸出”子VI來實現聲音的回放和波形的回放。

1.3 數據分析

在數據分析界面中，主要包括時域和頻域分析。在時域分析中，可以選擇相應的濾波器對采集的音頻信號進行濾波，同時還能利用“基本平均直流—均方根”子VI進行相應的計算。

在頻域分析中，利用FFT頻譜和FFT功率譜來分析信號的頻譜特性和信號功率在頻域上隨著頻率的分布變化，除此之外，還設計了時域和頻域分析結果的實時的保存功能。

2 音頻信號的采集與分析

以LabVIEW為平臺，最終搭建好音頻信號采集的前面板如圖7所示，并采集一段內容為“西京學院”的語音信號。對語音信號進行時域和頻域的分析。分析對象為采集內容為“西京學院”的一段語音信號。設定采樣頻率是22050S/s，采樣位數是16位的，釆樣方式是雙聲道。音頻信號分析的界面如圖1所示。在該實驗平臺上，可以自由設置窗函數的類型，學生可以分析比較不同窗函數的分析結果。

3 結論

利用LabVIEW 平臺開發了音頻信號采集實驗平臺。此方法充分利用了LabVIEW靈活的圖形編程，實現采集音頻樣本操作簡單，界面豐富友好，成本低，易學習，并且能不斷隨著虛擬儀器技術和計算機軟硬件技術的進步而升級，對自動化專業實踐教學改革有一定的促進作用，可以進一步提高課堂教學效果。

圖1 音頻信號分析結果

[1]陳錫輝.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].清華大學出版社，2007.07.

[2]王園園.基于LabVIEW電子測量虛擬實驗平臺設計[J].自動化與儀器儀表,2015,(10)：174-175.

[3]邵銘浩.基于MATLAB語言實現語音信號的采集與分析[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計探討[J].自動化與儀器儀表,2016,(08)：251+254.

[5]李雯.基于LabVIEW的電子電路模擬及仿真設計[J].自動化與儀器儀表,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

西京學院教學改革研究項目（項目編號：JGYB1719）。