基于声卡的虚拟音频信号采集与处理 (1)

２．１ 硬件实现： 声卡的基本工作流程为：输入时， 麦克风获取的音频信号通 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 脉冲编码调制的方式送到 Ｄ／Ａ 转换器， 变成模拟的音频信 号， 进而通过功率放大器送到音箱等设备转换为声波。采集音 频信号的系统框图：
数采与监测
图 ２ 声卡输入函数 一个 ＬａｂＶＩＥＷ 程序包括两部分： 程序前面板和框 图 程 序 。 前面板是模仿真实仪器的面板， 用于设置用户输入和显示程序 输 出 ， 输 入 量 称 为 控 制 （ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ） ，输 出 量 称 为 显 示 （ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ） 。 本文设计的采集系统 的前面板分 ３ 个功能：声卡系统设置、示波 器和频谱分析仪， 如图 ３ 所示。每一个程序前面板都对应着一 段框图程序， 前面板中放置的对象在程序框图中有相应的对象， 框 图 程 序 如 图 ４ 所 示 。 框 图 程 序 用 ＬａｂＶＩＥＷ 图 形 编 程 语 言 编 写， 可以把它理解成 传 统 程 序 的 源 代 码 。 框 图 程 序 由 端 口 、节 点、图框和连线构 成 。 其 中 端 口 被 用 来 同 程 序 前 面 板 的 控 制 和 显示传递数据， 节点被用来实现函数和功能调用， 图框被用来 实现结构化程序控制命令， 而连线代表程序执行过程中的数据 流。根据 ＶＩ 结构化的特征， 把整个系统分为数据采集和信号分 析两个模块， 以友好的图形界面与用户进行交互。
出的新概念， 虚拟仪器的思想是利用计算机的强大资源使本来
需要硬件实现的技术软件化， 以便最大限度的降低系统成本，
增 强 系 统 功 能 和 灵 活 性 ＬａｂＶＩＥＷ 是 美 国 ＮＩ 公 司 于 １９８６ 年 推
出 的 一 种 图 形 化 编 程 语 言 ， 它 内 置 信 号 采 集 、测 量 分 析 与 数 据
（ １．西南科技大学；２． 宿迁学院） 郝 张 红 １ 刘 先 勇 １ 袁 长 迎 １ 吴 琼 １，２
ＨＡＯ ＺＨＡＮＧＨＯＮＧ ＬＩＵ ＸＩＡＮＹＯＮＧ ＹＵＡＮ ＣＨＡＮＧＹＩＮＧ ＷＵ ＱＩＯＮＧ
摘要：使 用 普 通 声 卡 代 替 商 用 数 据 采 集 卡 ， 以 ＬａｂＶＩＥＷ 软 件 为 开 发 平 台 ， 实 现 音 频 信 号 的 数 据 采 集 与 处 理 ， 该 系 统 能 够 采 集
技 据 的 多 通 道 采 集 。 在 声 卡 性 能 越 来 越 好 、成 本 越 来 越 低 、普 及 率
越来越高的情况下， 使用这种方法可以在实验室内很方便的采
集语音信号， 并对其进行分析和处理来实现语音识别。 参考文献
术
创 ［１］ 王晓峰．基于虚拟仪器结构的虚拟式音频分析仪设计［Ｄ］．重
庆大学，２００２
３ 结束语
本文作者创新点： 采用普通声卡代替商用数据采集卡， 以
ＬａｂＶＥＷ 软件为开发平台， 设计了一种 音频信号采集系 统 ， 整
个系统性价比高， 界面友好， 数据存储方便， 其个别性能指标甚
至优于市售数据采集卡， 而价格却比后者便宜的多。如果在 ＰＣ
机上配置多块声卡并行工作， 对软件稍加修改， 就可以实现对数
郝张红： 硕士研究生 基金资助：国防基础预研项目（ 编号不公开）
Ｉｎｐｕｔ 模块如图 ２ 所示。声卡的参数设置由 Ｓｏｕｎｄ Ｉｎｐｕｔ 模 块 中 的 ＳＩ ＣＯＮＦＩＧ 函数完成。
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《现场总线技术应用 ２００ 例》
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向为光声法气体检测。
Ｂｉｏｇｒ ａｐｈｙ：Ｈａｏ Ｚｈａｎｇｈｏｎｇ（１９８１ － ）， ｆｅｍａｌｅ， ｐｏｓｔｇｒａｄｕａｔｅ ｍａｊｏｒ－
ｉｎｇ ｉｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ： ｓｉｇｎａｌ
ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． Ｌｉｕ， Ｘｉａｎｙｏｎｇ（１９６５－ ）， ｍａｌｅ， ｐｒｏｆｅｓ－
技
术
１ 引言
音频是多媒体中的一种重要媒体， 目前， 用于音频分析的硬
创 件仪器有图形显示功能 较 差 、可 扩 展 性 差 等 缺 点 ， 因 此 ， 需 要 寻 求一种新的仪器设计技术， 虚拟仪器的思想， 就是在仪器设计
新 领域引入全新的设计理念， 采用全新的设计方法， 使得传统的 硬件仪器的固 有 局 限 得 到 完 全 的 克 服 。 虚 拟 仪 器 是 ８０ 年 代 提
新 ［２］ 温红艳，高静涛．基于 ＰＣ 声卡的虚拟示波器的开发实现［Ｊ］．武
汉工业学院学报，２４（１），２００５，３３－ ３５
［３］ 周爱军，马海瑞．基于声卡的 ＬａｂＶＩＥＷ 数据采集与分析系统
设计［Ｊ］．微计算机信息，２１（９－ １），２００５，１０８－ １１０
［４］ 魏晨阳，朱健强．基于 ＬａｂＶＩＥＷ 和声卡的数据采集系统［Ｊ］．微
图 ３ 信号采集系统的程序前面板
图 ４ 信号采集系统的部分框图程序 ⑴数据采集 数据采集模块根据用户自己设置的声音格式从声卡获得数 据。采集到的数据及其频谱特性以直观的图形方式呈现于用户 面前。数据采集过程分为三步：初始化配置声卡； 采样； 释放声 卡 ， 由 图 ２ 中 ＬａｂＶＩＥＷ 提 供 的 ＳＩ ＣＯＮＦＩＧ 函 数 、ＳＩ ＳＴＡＲＴ 函 数、ＳＩ ＲＥＡＤ 函数、ＳＩ ＳＴＯＰ 函数和 ＳＩ ＣＬＥＡＲ 函数完成。图 ３ 中 的波形是通过麦克风采集的某女歌手歌曲中的一段， 可以通过 ＬａｂＶＩＥＷ 波形显示器自带的功能对波形进行观察和测量。该模 块还提供保存所有或部分数据以及转到信号分析模块的功能。 利 用 ＬａｂＶＩＥＷ 的 自 动 错 误 处 理 功 能 ， 将 主 要 函 数 节 点 的
数采与监测 文章编号：１００８－ ０５７０（２００７）１２－ １－ ００９８－ ０２
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（ 测 控 自 动 化 ）２００７ 年 第 ２３ 卷 第 １２－１ 期
基于声卡的虚拟音频信号采集与处理
Ｖｉｒｔｕ ａ ｌ Ｖｏ ｌｕ ｍ ｅ Ｓ ｉｇ ｎ ａ ｌ Ａｃｑ ｕ ｉｓ ｉｔｉｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ａｎ ａ ｌｙｓ ｉｓ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｓ ｏ ｕ ｎ ｄ ｃａ ｒｄ
图 １ 音频信号采集的系统框图 声 卡 一 般 有 Ｌｉｎｅ Ｉｎ 和 Ｍｉｃ Ｉｎ 两 个 信 号 输 入 插 孔 ， 声 音 传 感器（ 本文使用普通的麦克风） 信号可通过这两个插孔连接到声 卡。推荐使用 Ｌｉｎｅ Ｉｎ 输 入 端 ， 若 由 Ｍｉｃ Ｉｎ 输 入 ， 因 为 有 前 置 放 大器， 容易引入噪声且导致信号过负荷。 ２．２ 软件实现： 采 集 软 件 使 用 ＬａｂＶＩＥＷ， 它 提 供 了 声 卡 的 操 作 函 数 工 具 箱 Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ＞＞Ｇｒａｐｈｉｃｓ＆Ｓｏｕｎｄ＞＞Ｓｏｕｎｄ。 首 先 要 对 声 卡 参 数 进 行设置： ⑴采样频率 目前， 普通 声 卡 的 最 高 频 率 是 ４４．１ｋＨｚ， 一 般 采 样 频 率 分 为 ４ 档 ， 分 别 为 ４４．１ｋＨｚ， ２２．０５ｋＨｚ， １１．０２５ｋＨｚ， ８ｋＨｚ， 用 户 可 根 据 需要进行选择。根据采样定理， 采样频率应为被测信号频率的 ２ 倍以上。 ⑵采样位数 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， 记录的音质就越高， 一般设定为 １６ 位。 ⑶缓冲区 一 般 声 卡 使 用 的 缓 冲 区 是 ８ＫＢ（ ８１９２ 字 节 ） ， 设 置 缓 冲 区 ， 可以较好地保证声卡与 ＣＰＵ 的协调工作。 设定好声卡的主 要 参 数 后 ， 在 利 用 声 卡 的 ＤＭＡ 方 式 进 行 数 据 采 集 。 在 ＬａｂＶＩＥＷ 环 境 中 ， ＬａｂＶＩＥＷ 提 供 了 一 系 列 使 用 Ｗｉｎｄｏｗｓ 底层函数编写的与声卡有关的函数， 这些函数集中在 Ｓｏｕｎｄ ＶＩ 下， 有两大模 块 Ｓｏｕｎｄ Ｉｎｐｕｔ 和 Ｓｏｕｎｄ Ｏｕｔｐｕｔ。Ｓｏｕｎｄ
声卡设计频率范围内的信号， 实现对音频信号时域分析和频谱分析功能。
关键词：声卡； ＬａｂＶＩＥＷ； 数据采集； 信号分析
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｎ９１１．６
文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ＤＡＱ ｃａｒｄ ｗｉｔｈ ｓｏｕｎｄ ｃａｒｄ， ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｖｏｌｕｍｅ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｃｏｌｌｅｃｔ ｖｏｌｕｍｅ ｓｉｇｎａｌ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｎｇｅ ｃｏｒｒｅｃｔｌｙ， ｓｏ ｔｈａｔ ｖｏｌｕｍｅ ｓｉｇｎａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｃａｎ ｂｅ ｍａｄｅ ｉｎ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｓｏｕｎｄ ｃａｒ ｄ，ＬａｂＶＩＥＷ，ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｓｉｇｎａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ
ｓｏｒ， Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ： ｇａｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ．
（ ６２１０１０ 四 川 绵 阳 西 南 科 技 大 学 信 息 工 程 学 院 ） 郝 张 红
刘先勇 袁长迎 吴琼
（ ２２３８００ 江苏宿迁 宿迁学院 计算机科学与技术系） 吴琼 通讯地址：（ ６２１０１０ 四川绵阳西南科技大学东 ８Ａ６１５） 郝张红
计算机信息，２１（１），２００５
作 者 简 介： 郝 张 红 （ １９８１－ ） ， 女 ， 汉 族 ， 河 北 邢 台 人 ， 西 南 科 技 大
学通信与信息系统专业， 硕士研究生， 研究方向为信号采集与