基于LabVIEW的声卡信号采集分析系统设计.doc

基于LabVIEW的声卡信号采集分析系统设计

0704115班02号
摘要：要在LABVIEW环境中进行对声卡编程，就是运用常用周期信号及测试领域特殊信号的双通道模拟输出。由于专用数据采集卡成本比较昂贵、而且和计算机兼容性比较差等缺点，这个论文就是应用性能良好、价格低廉的计算机声卡设计一套基于LabVIEW的信号采集分析系统。该系统具有双通道、高保真、22K甚至44KHz的采样率，实现了音频信号的实时采集、实时存储、回放、信号分析（时域分析和频域分析）等多种功能。实验结果表明：该设计方案具有设计简便、成本低、通用性高、扩展性好、界面大方简洁等优点，可广泛应用于工程测量和科学实验室等环境。
关键词：声卡；数据采集；虚拟仪器；LabVIEW；

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。但是，专用数据采集卡的价格一般比较昂贵，而我们PC机的声卡就是一个很好的双通道数据采集卡。实际测量中，在满足测量要求的前提下，可以充分利用计算机自身资源，完成数据采集任务，从而节省成本。
虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台。虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统,且功能灵活,很容易构建,所以应用面极为广泛。目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境是美国国家仪器公司的创新软件产品[1]。它是将仪器装入计算机中,以通用的计算机硬件及操作系统为依托,可以实现各种仪器的功能。
LabVIEW是一种图形化编程语言，广泛应用于工业界、学术界和研究实验室,主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域,适用于多种不同的操作系统平台。与传统C、C++等编程语言不同，LabView采用强大的图形化语言编程,面向测试工程师而非专业程序员，编程方便,人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点[2]。
1声卡信号采集系统总体设计方案
声卡采集系统原理框图如下图1所示。它主要由声源、信号调理模块、计算机声卡以及安装于计算机机上的LabVIEW软件等几部分组成。

图1声卡采集系统原理框图
工作过程为：输入时，测试信号首先经过信号调理电路，利用PC机声卡的麦克风输入（micin）或线路输入（linein）作为信号的输入端口，将获取到的模拟音频信号经过左右两个通道和A/D转换后送入计算机，通过LabVIEW编写的采集程序进行各种处理和保存；输出时，经过采集系统处理的数据通过总线将数字化的信号以PCM方式送到D/A转换器，编程模拟的音频信号由线路输出（lineout）端口通过耳机或音响转换为音波播放出来。
信号调理电路：在信号进入声卡之前必须经过信号调理，主要包括信号的放大、滤波、隔离和线性化处理，以使其能够被声卡正确的识别。声卡的麦克风（micin）输入端具有高增益放大器，会使得信号产生较大失真，所以选择线路（linein）输入信号时，其输入电压应为-1～+1V。
声卡：计算机的声卡作为数据采集卡，其A/D转换功能已经成熟，而且计算机无需添加额外配件便能完成所有音频信号的采集功能，具有价格低廉、采样精度高，与LabView结合编程简单等优点，因此，利用声卡可以构成一个较高采样精度、中等采样频率、灵活性好的信号采集系统。
声卡主要技术指标有采样位数、采样频率、频率范围和频率响应、基准电压等。
（1）采样位数：采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度。这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音就越真实。如今市面上所有的主流产品都是16位的声卡，而一般的数据采集卡大多也才有12位，因此，声卡相较于常用的数据采集卡毫不逊色[3]。
（2）采样频率：采样频率是指录音设备在一秒钟内对声音信号的采样次数，采样频率越高声音的还原就越真实越自然。在当今的主流民用声卡上，采样频率一般共分为8KHz、11.025KHz、22.05KHz和44.1KHz四个等级，少数可以达到48KHz。对于20Hz～20KHz范围内的音频信号，如果采用48KHz采样频率，虽然理论上是可行的，但是效果已经不是最好。因而使用声卡的局限性就是不允许用户在最高采样率下随意设定采样频率。对于高于48KHz的采样频率人耳已无法辨别出来了，因此没有实用价值。
（3）频率范围和频率响应：前者是指音响系统能够回放的最低有效回放频率与最高有效回放频率之间的范围；后者是指将一个以恒电压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率的变化而发生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象。以声卡作为虚拟测试仪器的硬件设备必须对其频率特性有所了解。本系统所用计算机主板集成声卡是Reaktek的ALC880Codec，根据其性能指标，设置采样率为44.1KHz，采样位数为双通道，采样比特数