基于声卡的音频信号分析仪的设计

哈尔滨理工大学学士学位论文-I-an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哈尔滨理工大学学士学位论文-II-AgeneralaudioclassifierbasedonhumanperceptionmotivatedmodelAbstractTheaudiochannelconveysrichcluesforcontent-basedmultimediaindexing.Interestingaudioanalysisincludes,besideswidelyknownspeechrecognitionandspeakeridentificationproblems,speech/musicsegmentation,speakergenderdetection,specialeffectrecognitionsuchasgunshotsorcarpursuit,andsoon.Alltheseproblemscanbeconsideredasanaudioclassificationproblemwhichneedstogeneratealabelfromlowaudiosignalanalysis.Whilemostaudioanalysistechniquesintheliteratureareproblemspecific,weproposeinthispaperageneralframeworkforaudioclassification.Theproposedtechniqueusesaperceptuallymotivatedmodelofthehumanperceptionofaudioclassesinthesensethatitmakesajudicioususeofcertainpsychophysicalresultsandreliesonaneuralnetworkforclassification.Inordertoassesstheeffectivenessoftheproposedapproach,largeexperimentsonseveralaudioclassificationproblemshavebeencarriedout,includingspeech/musicdiscriminationinRadio/TVprograms,genderrecognitiononasubsetoftheswitchboarddatabase,highlightsdetectioninsportsvideos,andmusicalgenrerecognition.Theclassificationaccuraciesoftheproposedtechniquearecomparabletothoseobtainedbyproblemspecifictechniqueswhileofferingthebasisofageneralapproachforaudioclassification.KeywordsAudioclassification.Genderidentification.Musicgenrerecognition.Highlightsdetection.Perceptuallymotivatedfeatures.Content-basedaudioindexing.PiecewiseGaussianModelling哈尔滨理工大学学士学位论文-III-目录摘要......................................................................................................................IAbstract...............................................................................................................II第1章绪论........................................................................................................51.1课题背景...................................................................................................51.1.1音频信号分析仪的原理.....................................................................61.1.2声卡的工作原理1.2总体要求与仪器工作原理第2章软件设计与实现......................................................错误!未定义书签。2.1程序流程图...............................................................错误!未定义书签。2.2声卡的性能参数及数据采集2.2.1采样频率2.2.2采样位数2.2.3缓冲区2.3软件设计2.3.1前面板的设计2.3.2图形代码结构设计2.3.2.1数据采集2.3.2.2数据处理2.4虚拟音频信号分析仪软件可执行文件的制作第3章系统硬件电路设计..................................................错误!未定义书签。3.1系统硬件基本组成部分...........................................错误!未定义书签。3.2声卡的要求3.3单元电路设计3.3.1信号调理和幅度检测单元设计3.3.2信号采集系统设计3.3.3信号分析处理系统设计3.3.4程序主要流程3.4系统分析计算3.4.1功率谱测量方法3.4.2周期性判断方法3.4.3失真计算方法第4章系统测试与结果分析4.1测试仪器4.2指标测试哈尔滨理工大学学士学位论文-IV-4.3系统误差分析结论....................................................................................................................13致谢....................................................................................................................14参考文献............................................................................................................15附录....................................................................................................................15哈尔滨理工大学学士学位论文-5-第1章绪论1.1课题背景音频信号分析仪是一种用来对被测信号进行频率、频谱及波形分析的重要测量工具。它主要利用频谱分析原理,频谱分析是把信号的能量用频率的函数显示出来,该仪器广泛应用于电声测量、音频制作、信号分析乃至振动测试等领域。其基本工作原理是对所测量的音频信号进行DFT(离散傅立叶变换)或FFT(快速傅立叶变换)变换，把时域信号转变为频域信号,在此基础上可以进行各种分析。LabVIEW是一种基于图形程序的虚拟仪器编程语言,在测试与测量、数据采集、仪器控制、数字信号分析、工厂自动化等领域获得了广泛的应用。LabVIEW程序采用方框图编程,具有友好的人机界面,在前面板中有用于模拟真实仪器面板的控件可供调用,可用于设置输入数值、观察输出值以及实现图表、文本等显示。实现LabVIEW对数据的采集和处理,传统的是采用数据采集卡,但是这些数据采集设备存在安装不便、价格昂贵、受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制,可扩展性差,同时在一些电磁干扰性强的测试现场,可能无法专门对其做电磁屏蔽,从而导致采集的数据失真。在LabVIEW下使用USB总线,可以同样实现数据采集,并且弥补了采集卡的不足。传统的用LabVIEW读写USB设备的方法是:先用VC++或Delphi编写动态链接库DLL文件,在DLL中通过调用WINAPI函数读写USB设备的数据,并存在缓冲区中,在LabVIEW中通过对DLL文件的调用提取缓冲区中的数据。介绍了在LabVIEW下,通过调用NI2VISA子程序控件,实现与USB设备的直接通信,避免了二次编程的麻烦和数据的中转。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。在虚拟仪器系统中,硬件解决信号的输人和输出,软件可以方便地修改仪器系统的功能,以适应不同使用者的需要〕。其中硬件的核心是数据采集卡。目前市售的数据采集卡价格与性能基本成正比,一般比较昂贵。随着DSP(数字信号处理技术)走向成熟,PC机声卡可以成为一个优秀的数据采集系统,它同时具有A/D和D/A转换功能,不仅价格低廉,而且兼容性好、性能稳定、灵活通用,驱动程序升级方便。同时一般声卡16位的A/D转换精度,比通常12位A/D卡的精度高,对于许多工程测量和科学实验来说都是足够高的,其价格却比普通数据采集卡便宜得多。本文就是利用普通声卡作数据采集卡,以LabVIEW软件为开发平台,设计了一种低成本高性能音频信号分析仪,该分析仪具有波形显示功能和频谱分析功能,即具有示波器和频谱分析仪的基本功能。哈尔滨理工大学学士学位论文-6-1.1.1音频信号分析仪的原理音频信号分析仪是一种用来对被测信号进行频率、频谱及波形分析的重要测量工具。它主要利用频谱分析原理,频谱分析是把信号的能量用频率的函数显示出来,该仪器广泛应用于电声测量、音频制作、信号分析乃至振动测试等领域。其基本工作原理是对所测量的音频信号进行DFT(离散傅立叶变换)或FFT(快速傅立叶变换)变换,把时域信号转变为频域信号,在此基础上可以进行各种分析。一起工作流程图如图1所示:图1信号调理与幅度检测单元当被测信号输入后,幅度检波器检测到幅度信息。系统据此调节程控衰减器,使调理后信号适宜A/D变换,同时也设定了模拟通道整体增益。A/D变换后信号与通道增益相乘后可得数字化的原信号,进行FFT运算及后续分析计算后,即可得被测信号各频率分量功率值大小。1.1.2声卡的工作原理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,麦克风或线路输人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送到音箱等设备转换为声波字化的声音信号以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送到音箱等设备转换为声波。1.2总体要求与仪器工作原理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