基于LabVIEW 的音频信号分析仪设计马骁，张广中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（221008）E-mail ：max05283091@摘要：本文基于“硬件的软件化”思想，在对信号分析、虚拟仪器技术和声卡的实用性进行理论分析的基础上，利用虚拟仪器专用语言LabVIEW 开发环境，设计了基于虚拟仪器技术的语音信号分析仪。

用普通的计算机声卡代替商用数据采集卡，利用声卡的DSP 技术和LabVIEW 的多线程技术实现音频信号的数据采集，开发基于PC 机声卡的虚拟音频信号分析仪。

该系统实现了数据采集，信号分析（时域分析和频域分析）等多种功能。

其中时域分析包括实时显示波形，测量信号电压、频率、周期等参数；频域分析包括幅值谱、相位谱、功率谱和FFT 变换等。

这类系统性价比高、通用性强、扩展性好、界面简单，在工程测量与实验室应用中具有广阔的前景。

关键词：声卡;LabVIEW;数据采集;信号分析中图分类号：TP3911.引言音频信号分析仪的发展是随着一般信号分析仪器的发展而不断改进的。

信号分析设备发展至今已经历了三个阶段，50年代发展的是以波的干涉、谐振和滤波原理制成的模拟式分析仪，它们功能少，分析速度慢，目前已经很少用了。

但是这类仪器分析时能量集中，分析精度高，其分析方法有特色。

因此，许多数字化仪器保留了模拟式分析仪的部分功能。

60年代，随着计算机技术的发展，信号处理由模拟式向数字式转化，发展的是以FFT 计算原理制成的数字式信号分析仪。

这类仪器功能多，分析速度快，是使用中的主流，第二代仪器的缺点是功能恒定，不能满足用户的特殊要求，同时分析功能无法更新换代。

近年来虚拟仪器的出现，为以通用计算机为主体的智能信号分析仪的产生和发展奠定了基础。

智能仪器分析功能由软件设定，可以不断的升级换代，用户也能自行修改，同时还能与人工智能技术和数据库技术等计算机技术相结合，使用起来十分方便[1]。

2.系统介绍2.1虚拟仪器概述虚拟仪器以PC 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中国科技论文在线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——虚拟仪器。

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，表1-1给出了传统仪器和虚拟仪器特点比较。

表1-1 传统仪器和虚拟仪器特点比较2.2虚拟仪器的系统框图图2-1是虚拟仪器最基本的系统结构框图,该图既反映了典型的虚拟仪器系统的基本构成,同时又指出了虚拟仪器的基本工作方式。

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、打印及存储等工作[2]。

传统仪器虚拟仪器功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义与其他仪器设备的连接十分限可方便的与网络外设及多种仪器连接图形界面小，人工读取数据，信息量小界面图形化，计算机直接读取数据并分析处理数据无法编辑数据可编辑、存储、打印硬件是关键部分软件是关键部分价格昂贵价格低廉系统封闭、功能固定、可扩展性差基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器技术更新慢技术更新快开发和维护费用高基于软件体系的结构可大大节省开发费用 中国科技论文在线图 2-1虚拟仪器系统结构框图2.3虚拟仪器的现状与发展作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在国内已经过了起步阶段。

从90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NI 公司、HP 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，21世纪初叶，虚拟仪器的生产厂家，将超过千家品种将达到数千种，市场占有率将占到电测控仪器的50%。

这一预测对整个仪器仪表领域可以说是一次强烈的震撼！使从事电测仪器、分析仪器科学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21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[3]。

3.音频信号分析仪的硬件设计3.1系统总框图设计 中国科技论文在线图3-1 音频信号分析仪系统总框图3.2拾音器及信号调理电路设计本语音信号分析仪采用计算机内部声卡作为数据采集卡，由于声卡上带有信号调理电路，所以拾音器可以直接采用普通的驻极体话筒。

如果想得到更好的效果，也可以加上一个调理电路，图3-2就是一个简单的信号调理电路。

图中1、2两个接线端接驻极体话筒的受话部分，它是由驻极体膜片构成的极头，极头后面接了一个场效应管，它起到了放大和阻抗变化的作用。

在工作时，话筒需要外部供电才能工作，接线时还应注意话筒的极性。

电阻R1部分为话筒提供一个工作电压，并起到了调节器灵敏度的作用。

三极管T 与R2、R3、R4、C1、C2构成了一个简单的阻容耦合音频放大电路用作信号调理。

图3-2信号调理电路 中国科技论文在线3.3声卡3.3.1声卡功能简介本设计采用普通计算机声卡作为数据采集卡。

话筒和喇叭所用的都是模拟信号，而电脑所能处理的都是数字信号，两者不能混用，声卡的作用就是实现两者的转换。

从结构上分，声卡可分为模数转换电路和数模转换电路两部分，模数转换电路负责将话筒等声音输入设备采到的模拟声音信号转换为电脑能处理的数字信号；而数模转换电路负责将电脑使用的数字声音信号转换为喇叭等设备能使用的模拟信号。

本设计使用的是全双工声卡，这种声卡兼有A/D 转换和D/A 转换的双重功能，其具体功能如下：1.声卡是专用的音频信号处理卡，中高档声卡除A/D 转换和D/A 转换功能外，还内置了抗混滤波等基本的信号调理电路，再加上16位的采样精度，因此采用声卡测量时不需要专门的信号调理就能够满足测量的精度要求。

2.测量放音设备时需要用到话筒采集声信号，而声卡上的线形输入端是话筒的良好接口；3.有些测量工作需要激励信号的发生和采集保持同步，如果利用全双工声卡在发生激励信号的同时采集信号，那么这种同步就很容易保证。

声卡采样和A/D 卡采样都是查询到信号样本转化完毕的消息后再来处理数据。

二者不同之处在于，声卡采样是基于“成批”查询的方式，也就是事先设定本次采样需要采集的样本点数，并将存储样本点数据的缓冲区准备好，然后不断查询所有的样本点是否已经采集完毕，若是，则从事先准备好的缓冲区中读取样本数据进行处理，声卡的采样控制是由Windows 操作系统提供的一系列API 函数实现的。

主要包括waveInOpen ，waveInStart ，waveInStop 和waveInClose 等。

WaveInOpen 主要用来打开一个指定的音频设备，准备采集信号；waveInOpen 在一个已经打开的设备上发出信号采集指令；waveInStop 指示中途停止采集信号；waveInClose 用来关闭打开的音频设备[4]。

3.3.2声卡数据采集流程和参数设置1.图3-3是声卡采集的数据流程图：中国科技论文在线图3-3 声卡数据采集流程2.声卡参数设置：①采样频率：目前，普通声卡的最高采样频率为44.1kHz,一般采样频率分为4档，分别为44.1kHz，22.05kHz，11.02kHz，8kHz。

根据采样定理，采样频率应为被测信号频率的2倍以上。

②采样位数：将声音从模拟信号转化为数字信号的二进制位数。

按位数分，声卡有8位声卡、16位声卡。

位数越高，在定域内能表示的声波振幅的数目越多，记录的音质也就越高。

例如，16位声卡把音频信号的大小分为= 65536个量化等级来实施上述转换。

所以162一般设定为16位。

③缓冲区：一般声卡使用的缓冲区为8KB（8192字节），这是由于对x86系列处理器而言，在保护模式下，内存以8KB 为单位被分成了很多页，对内存的任何访问都是按页进行的。

CPU 保证在读写8KB 长度的缓冲区时，速度足够快，并且不会被其他外来事件打断。

设置8192字节或其整数倍大小的缓冲区，可以较好的保证声卡与CPU 的协调工作。

3.4A/D 与D/A 转换原理3.4.1A/D 转换器1.转换原理A/D 转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量，即能够把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。

模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。

但在A/D 转换前，输入到A/D 转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。

A/D 转换器的种类很多，但是从原理上来说通常可以分为以下四种：计数器式A/D 转化器，双击分式A/D 转换器，逐次逼近中国科技论文在线式A/D 转换器和并行式A/D 转换器。

计算机中广泛使用逐次逼近式A/D 转换器做为接口电路，它的结构并不复杂，转换速度也高，故本文仅对逐次逼近式A/D 转换器作一介绍。

逐次逼近式A/D 转换器也称为连续比较式A/D 转换器。

这是一种采用对分搜索原理来实现A/D 转换的方法，逻辑框图如下图所示。

图3-4 逐次逼近式A/D 转换器示意框图图3-4中，V1为A/D 转换器被转换的模拟输入电压；V2是“N 位D/A 转换网络”的输出电压，其值由“N 位寄存器”中的内容决定，受控制的电路控制；比较器对V1和V2电压进行比较，并把比较结果送给“控制电路”。

整个A/D 转换是在逐次比较过程中形成，形成的数字量存放在N 位寄存器中，先形成最高位，然后是次高位，一位位地最后形成最低位。

工作过程分析如下：控制电路”从“启动”输入端收到CPU 送来的“启动”脉冲，然后开始工作。

“控制电路”工作后便使“N 位寄存器”中的最高位置“1”，其余位清零，“N 位D /A 转换网络”根据“N 位寄存器”中的内容产生V2电压，其值为V1满量程的一半，并送入比较器进行比较。