基于声卡的音频信号采集与分析系统设计

基于声卡的音频信号分析仪的设计————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：2an基于声卡的音频信号分析仪的设计摘要本文主要介绍如何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.该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号，实现音频信号时域分析和频谱分析功能.关键词声卡数据采集信号分析LabVIEW- I -A general audio classifier based on human perception motivated modelAbstractThe audio channel conveys rich clues for content—based multimedia indexing。

Interesting audio analysis includes, besides widely known speech recognition and speaker identification problems，speech/music segmentation, speaker gender detection，special effect recognition such as gun shots or car pursuit, and so on。

All these problems can be considered as an audio classification problem which needs to generate a label from low audio signal analysis。

While most audio analysis techniques in the literature are problem specific，we propose in this paper a general framework for audio classification。

基于LabVIEW和声卡的音频信号采集、分析系统设计作者：卢泽宇亓夫军石娇来源：《科技与创新》2016年第04期摘要：利用LabVIEW软件，并结合计算机声卡设计了一款操作简单、通用性较强的音频信号采集、分析系统。

借助该系统完成了在音频范围内的信号采集工作，并在时域、频域内对频谱进行了具体分析。

该系统投入使用后，具备数据采集、在线分析和离线分析等功能，实用性较高。

关键词：LabVIEW；声卡；音频信号；信噪比中图分类号：TP391.42 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2016.04.058随着科学技术水平的提升，虚拟技术得到了广泛应用。

LabVIEW是当前开发虚拟仪器的平台之一，而声卡是一种特殊的数据卡，主要用于收集音频信号，将此二者结合运用，可创建音频信号的采集、分析系统。

1 音频信号采集、分析系统的具体设计1.1 硬件设计在硬件设计方面，主要运用了笔记本电脑的声卡。

声卡一般分为Mic In和Line In信号输入接口。

通过Mic In输入时，会受到前置放大器的影响，易引入噪声信号，导致整个信号进入过负荷状态；通过Line In输入时，具有噪声干扰较小的优势，且动态化特性良好。

对于声卡而言，采样频率最高能达到96 kHz，采样位数可达16位和32位，每路输入信号的最高频率通常被控制在22.05 kHz。

16位数字系统的信噪比能达到96 dB，与专业的数据采集设备相比，具备一定的优势。

1.2 软件设计在软件设计方面，将LabVIEW软件作为基础性平台，可以循环模式搭建总体框架。

循环模式作为生产数据的基本循环体系，可有效处理数据。

在数据音频信号的传播过程中，如果处理速度慢于生产数据的速度，则数据会存储在列队函数所创建的缓冲区中。

当数据处理能力无法满足处理要求时，则会调用缓冲区中的数据，最终将提供新的生产元素，确保生产与需求同步。

此外，在软件平台的设计中，音频信号的采集、分析系统具备同时处理多任务的能力。

构建基于声卡的数据采集与分析系统构建基于声卡的数据采集与分析系统本章详细介绍了基于声卡的数据采集与分析系统的设计与实现，包括声卡的硬件结构及特性、⽂件存储、数据回放等等。

通过本章的学习，读者可以根据⾃⼰的需要，对例程进⾏适当修改后，轻松搭建⼀套实⽤的数据采集与分析系统。

本章各节内容要点如下：【本章重点】声卡的硬件结构与特性基于声卡的数据采集软件常⽤的信号时、频分析⽅法与实现声⾳⽂件的存储与回放界⾯修饰与软件调试15.1 声卡的硬件结构与特性声卡作为语⾳信号与计算机的能⽤接⼝，其主要功能就是经过DSP（数字信号处理）⾳效芯⽚的处理，进⾏模拟信号与数字信号的转换，因此，从其功能上来看，声卡可以作为数据采集卡来使⽤。

⼀般的声卡价格⽐较低廉，⽽且LabVIEW中提供了专门⽤于声卡操作的基本函数，所以⽤声卡搭建数据采集系统⾮常⽅便。

15.1.1 声卡的基本参数作为⼀种数据采集设备，最主要的是采样位数和采样率两个参数。

⽬前市场上主流声卡是16位的，相对⼤多数采集卡12位的分辨率来讲，这⽅⾯声卡的性能⽐较⾼。

但是作为⼀种⾳频处理设备，声卡的采样率不是很⾼，普通声卡的采样率分为4档：44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz、8kHz。

对于少数专业的声卡，采样率能达到96kHz或者更⾼的192kHz等。

另外，声卡对20Hz~20kHz的⾳频信号有⽐较好的响应，⽽对这个频率范围之外的信号有很强的衰减，对于测试来讲，信号的频率最好在50Hz~10kHz范围之内。

15.1.2 声卡的硬件接⼝对于不同的声卡，其硬件接⼝有所不同，⼀般声卡有4~5个对外接⼝，Wave Out(Line Out)和SPK Out是输出接⼝，Wave Out输出的是没有经过放⼤的信号，SPK Out输出的是经过功率放⼤器放⼤后的信号，可直接接到扬声器上。

Mic In和Line In是输⼊接⼝，两者的区别在于，后者只能接⼊较弱的信号，幅值⼤约为0.02V~0.2V，这个信号较易受⼲扰，在作数据采集时常⽤Line In，它可接⼊幅值约不超过1.5V的信号。

摘要声卡是个人电脑中不可缺少的一部分，同时也是一个很好的A／D、D／A卡。

Matlab是一个数据分析和处理功能非常强大的工程实用软件。

将二者相结合构造了一个虚拟动态数据分析仪，可实现双通道实时波形显示、信号谱分析和传递函数分析等功能。

在Matlab环境下，为了方便对采集信号的常规动态分析，利用Matlab中的图形用户接口工具箱，构造了一个类似Windows的图形操作界面。

通过该图形窗口即可实现一个虚拟的动态数据分析仪。

本文利用MATLAB实现了对数据的采集以及信号的分析，得到了相应的频谱图。

在MTALAB的窗口以傅里叶变换为基础，进行了相关分析，并用此构建的虚拟动态数据分析仪实现了对模拟转子的动平衡的分析。

关键词：声卡；数据采集； Matlab；信号分析；动平衡。

AbstractSound card is an indispensable part of the pc, It is also a good A / D, D / A cards. Matlab is a data analysis and processing functions very powerful utility software engineering. Combining the two will cons('All Acquired Data truct a virtual dynamic data analysis instrument, can achieve real-time dual-channel waveform display, signal spectral analysis and transf('All Acquired Data sis, and other functions. In M('All Acquired Data atlab environment, in order to facilitate the acquisition of conventional dynamic signal analysis, the use of Matlab in the graphical user interface toolkit, can easily co('All Acquired Data pectrum. MTALAB in the window under the rotor balancing analysis.Key words:Sound card; Data Acquisition; matlab; Signal Analysis；Balancing目录第一章序言 (4)1.课题的背景 (4)2.本课题主要设计内容 (5)第二章基于声卡和MATLAB的数据采集 (6)1.声卡的介绍 (6)2.MATLAB概述 (7)3.MATLAB数据采集的实现 (8)第三章基于MATLAB的数据分析 (14)1.信号的频域分析 (14)2.离散傅立叶变换…………………………………………………………….16.3.DFT的实现与FFT的算法 (17)4.用MATLAB对采集的数据实现FFT (20)第四章信号的相关分析的实现及应用 (23)1.相关分析 (23)2.相关分析的计算与实现 (25)3..应用MTALAB实现信号相关分析 (25)4.相关分析在刚性转子动平衡中的应用 (26)结论 (31)谢辞 (32)参考文献 (33)附录1 (34)附录2 (35)附录3 (39)附录4 (42)附录5 (43)附录6 (44)第一章序言1. 课题的背景数据采集系统是将特定的物理信号真实地进行记录，以供人们进一步分析研究的电子系统。

基于声卡的数据采集系统设计1 引言数据采集是信号分析与处理的一个重要环节，在许多工业控制与生产状态监控中，都需要对各种物理量进行数据采集与分析。

一般的计算机数据采集系统包括传感器、信号调理器、数据采集卡和控制软件等。

其中数据采集卡的主要技术指标包括位数(即采样分辨率)、转换速度等。

在实际测量中，需要根据被测量的精度、信号频率范围等具体要求，选购数据采集卡。

然而，在满足一定条件下，人们并不一定需要通过购买数据采集卡完成数据采集，而可以利用计算机上的声卡实现数据采集任务。

该文主要研究了利用声卡实现数据采集的方法，通过实验研究了数据采集的精度及频率响应问题，为确定这种方法的应用范围提供了依据，文中叙述了利用LabVIEW软件实现数据采集的编程方法。

2 声卡工作原理声音的本质是一种波，表现为振幅、频率、相位等物理量的连续性变化。

声卡作为语音信号与计算机的通用接口，其主要功能就是将所获取的模拟音频信号转换为数字信号，经过DSP音效芯片的处理，将该数字信号转换为模拟信号输出。

声卡的基本工作流程为：输入时，麦克风或线路输入(Line In)获取的音频信号通过A/D转换器转换成数字信号，送到计算机进行播放、录音等各种处理；输出时，计算机通过总线将数字化的声音信号以PCM(脉冲编码调制)方式送到D/A转换器，变成模拟的音频信号，进而通过功率放大器或线路输出(Line Out)送到音箱等设备转换为声波，人耳侦测到环境空气压力的改变，大脑将其解释为声音。

衡量声卡的技术指标包括复音数量、采样频率、采样位数(即量化精度)、声道数、信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)等，主要介绍如下：(1) 复音数量代表了声卡能够同时发出多少种声音。

复音数越大，音色就越好，播放声音时可以听到的声部越多、越细腻。

(2) 采样频率每秒采集声音样本的数量。

采样频率越高，记录的声音波形就越准确，保真度就越高，但采样数据量相应变大，要求的存储空间也越多。

构建基于声卡的数据采集与分析系统本章详细介绍了基于声卡的数据采集与分析系统的设计与实现，包括声卡的硬件结构及特性、文件存储、数据回放等等。

通过本章的学习，读者可以根据自己的需要，对例程进行适当修改后，轻松搭建一套实用的数据采集与分析系统。

本章各节内容要点如下：【本章重点】∙声卡的硬件结构与特性∙基于声卡的数据采集软件∙常用的信号时、频分析方法与实现∙声音文件的存储与回放∙界面修饰与软件调试15.1 声卡的硬件结构与特性声卡作为语音信号与计算机的能用接口，其主要功能就是经过DSP（数字信号处理）音效芯片的处理，进行模拟信号与数字信号的转换，因此，从其功能上来看，声卡可以作为数据采集卡来使用。

一般的声卡价格比较低廉，而且LabVIEW中提供了专门用于声卡操作的基本函数，所以用声卡搭建数据采集系统非常方便。

15.1.1 声卡的基本参数作为一种数据采集设备，最主要的是采样位数和采样率两个参数。

目前市场上主流声卡是16位的，相对大多数采集卡12位的分辨率来讲，这方面声卡的性能比较高。

但是作为一种音频处理设备，声卡的采样率不是很高，普通声卡的采样率分为4档：44.1kHz、22.05kHz、11.025kHz、8kHz。

对于少数专业的声卡，采样率能达到96kHz或者更高的192kHz等。

另外，声卡对20Hz~20kHz的音频信号有比较好的响应，而对这个频率范围之外的信号有很强的衰减，对于测试来讲，信号的频率最好在50Hz~10kHz范围之内。

15.1.2 声卡的硬件接口对于不同的声卡，其硬件接口有所不同，一般声卡有4~5个对外接口，Wave Out(Line Out)和SPK Out是输出接口，Wave Out输出的是没有经过放大的信号，SPK Out输出的是经过功率放大器放大后的信号，可直接接到扬声器上。

Mic In和Line In是输入接口，两者的区别在于，后者只能接入较弱的信号，幅值大约为0.02V~0.2V，这个信号较易受干扰，在作数据采集时常用Line In，它可接入幅值约不超过1.5V的信号。