第11讲 基于声卡的数据采集

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基于声卡的采集系统的硬件配置
声卡采集系统主要由声源、信号调理模块、 声卡采集系统主要由声源、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 卡以及安装于计算机机上的 软件等几部分组 系统原理框图如下图所示。 成,系统原理框图如下图所示。
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基本工作过程
输入时,测试信号首先经过信号调理电路,利用PC机声卡的 输入时,测试信号首先经过信号调理电路,利用 机声卡的 麦克风输入( 麦克风输入(mic in)或线路输入(line in)作为信号的输入端 )或线路输入( ) 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 口,将获取到的模拟音频信号经过左右两个通道和 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。 编写的采集程序进行各种处理和保存。 入计算机,通过 编写的采集程序进行各种处理和保存 输出时, 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 方式送到D/A转换器,编程模拟的音频信号由线路输出 转换器, 以PCM方式送到 方式送到 转换器 (line out)端口通过耳机或音响转换为音波播放出来。 )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, 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, 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。 卡正确的识别。 声卡的麦克风(mic in)输入端具有高增益放大器,会使得 声卡的麦克风( )输入端具有高增益放大器, 信号产生较大失真,所以选择线路( 信号产生较大失真,所以选择线路(line in)输入信号时,其输 )输入信号时, 入电压应为-1~ 入电压应为 ~+1V。 。
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基于声卡的采集系统的硬件要求
声卡一般有Line In和Mic In两个信号输入插孔,声音传 两个信号输入插孔, 声卡一般有 和 两个信号输入插孔 声音传 感器(若采用通用的麦克风)信号可通过这两个插孔 可通过这两个插孔连 感器(若采用通用的麦克风)信号可通过这两个插孔连 接到声卡。若由Mic In输入,由于有前置放大器,容易 输入, 接到声卡。若由 输入 由于有前置放大器, 引入噪声且会导致信号过负荷, 推荐使用Line In,其 引入噪声且会导致信号过负荷,故推荐使用 , 噪声干扰小且动态特性良好。 噪声干扰小且动态特性良好。 声卡测量信号的引入应采用音频电缆或屏蔽电缆以降低 噪声干扰。若输入信号电平高于声卡所规定的最大输入 噪声干扰。 电平, 电平,则应在声卡输入插孔和被测信号之间配置一个衰 减器,将被测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电平。 减器,将被测信号衰减至不大于声卡最大允许输入电平。 此外,将声卡的Line Out端口接到耳机上还可以实时的 此外,将声卡的 端口接到耳机上还可以实时的 监听声音信号。 监听声音信号。
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声卡的基本组成和工作原理
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一般声卡都由以下几部分组成:声音控制/处理芯片、 一般声卡都由以下几部分组成:声音控制/处理芯片、功放芯 声音输入/输出端口等。 片,声音输入/输出端口等。 声音控制/处理芯片是声卡的核心 集成了采样保持、 / 转换 是声卡的核心, 转换、 声音控制/处理芯片是声卡的核心,集成了采样保持、A/D转换、 D/A转换、音效处理等电路,它决定了声卡的性能和档次。其基本 转换、 / 转换 音效处理等电路,它决定了声卡的性能和档次。 功能包括对声波采样和回放的控制、处理MIDI指令等,有的厂家还 指令等, 功能包括对声波采样和回放的控制、处理 指令等 加进了混响、合声、音场调整等功能。 加进了混响、合声、音场调整等功能。 功放芯片完成信号的功率放大以推动喇叭发声工作 完成信号的功率放大以推动喇叭发声工作。 功放芯片完成信号的功率放大以推动喇叭发声工作。 声音输入/输出端口是音频信号的输入和输出 是音频信号的输入和输出, 声音输入/输出端口是音频信号的输入和输出,它主要有外接端口 和内接端口. 和内接端口. 外接端口: 喇叭输出端口, 外接端口:“Speaker Out”喇叭输出端口,“Line out”线性输出 喇叭输出端口 线性输出 端口, 线性输入端口, 麦克风输入端口, 端口,“Line in”线性输入端口,“MIC in”麦克风输入端口,还有 线性输入端口 麦克风输入端口 MIDI端口,连接电子乐器以及连接游戏控制器。 端口, 端口 连接电子乐器以及连接游戏控制器。 内接端口是内置的输入出端口 是内置的输入出端口, 音频接口, 内接端口是内置的输入出端口,是CD音频接口,通过 音频接口 通过3—4针的音频 针的音频 线直接和光驱连接。 线直接和光驱连接。
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声卡的驱动程序
声卡软件即驱动程序, 实现对采样位数、 声卡软件即驱动程序,是实现对采样位数、 采样频率、通道数等参数的设置及对数据缓冲区、 及对数据缓冲区 采样频率、通道数等参数的设置及对数据缓冲区、 音量的大小等进行控制, 音量的大小等进行控制,使声卡各组成部件协调 工作,从而实现对声音的采集、 工作,从而实现对声音的采集、存储和回放等功 能
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声卡的性能参数
衡量声卡的技术指标包括复音数量、采样频率、 衡量声卡的技术指标包括复音数量、采样频率、采样位数 复音数量 即量化精度:模拟量转换成数字量之后的数据位数) 声道数、 (即量化精度:模拟量转换成数字量之后的数据位数)、声道数、 信噪比(SNR)和总谐波失真(THD) (SNR)和总谐波失真(THD)等 信噪比(SNR)和总谐波失真(THD)等。 复音数量:代表声卡能够同时发出多少种声音。复音数越大, 复音数量:代表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。 音色就越好,播放声音时可以听到的声部越多、越细腻。 采样频率:每秒采集声音样本的数量。采样频率越高, 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, 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。采样频率决定了频率响应范围, 要求的存储空间也越多。采样频率决定了频率响应范围,对声 音进行采样的三种标准以及采样频率分别为: 音进行采样的三种标准以及采样频率分别为:语音效果 11KHz)、音乐效果(22KHz)、高保真效果(44.1KHz)。 )、音乐效果 )、高保真效果 (11KHz)、音乐效果(22KHz)、高保真效果(44.1KHz)。 采样位数: 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 (bit)。位数越高,在定域内能表示的声波振幅的数目越多,记 。位数越高,在定域内能表示的声波振幅的数目越多, 录的音质也就越高。 录的音质也就越高。
基于声卡的数据采集
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利用声卡组建数据采集与分析系统
计算机上都装有声卡,声卡具有对信号滤波、 计算机上都装有声卡,声卡具有对信号滤波、放大及采样 保持、 转换等功能,这些功能与数据采集卡相当。 保持、A/D和D/A转换等功能,这些功能与数据采集卡相当。 声卡用DMA(直接内存读取 方式传送数据,极大地降低 直接内存读取)方式传送数据 声卡用 直接内存读取 方式传送数据, 占用率。 16位 了CPU占用率。常用声卡可对音频信号实现双声道16位、高保 占用率 常用声卡可对音频信号实现双声道16 真的数据采集,最高采样率可达44.1kHz 44.1kHz, 真的数据采集,最高采样率可达44.1kHz,具有较高的采样频 率与精度。对于许多科学实验和工程测量来说, 率与精度。对于许多科学实验和工程测量来说,声卡对信号的 量化精度和采样率都足够高。 量化精度和采样率都足够高。甚至优于一些低档的数据采集卡 性能。 性能。 利用声卡进行A 转换、话筒输入插孔为信号输入端, 利用声卡进行A/D转换、话筒输入插孔为信号输入端,可 实现对信号的单通道、双通道采集。因此可用声卡配合相应软 实现对信号的单通道、双通道采集。 件构建信号采集系统。 件构建信号采集系统。 当然, 只适合采集音频域的信号, 当然,它只适合采集音频域的信号,即输入信号频率必须 处于20~20000Hz的音频范围内。 的音频范围内。 处于 的音频范围内
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声卡的性能参数
采样位数(量化精度)决定了音乐的动态范围, 采样位数(量化精度)决定了音乐的动态范围,采 样位数有8位和16位两种。 16位两种 样位数有8位和16位两种。8位声卡的声音从最低音道最 高音只有256个级别,16位声卡有65536个高低音级别 256个级别 位声卡有65536个高低音级别。 高音只有256个级别,16位声卡有65536个高低音级别。 但即使采样率很高,也会导致声音质量的某种降低。 但即使采样率很高,也会导致声音质量的某种降低。 声音在导线中传递的物理过程也会导致失真。 声音在导线中传递的物理过程也会导致失真。制造商使 用两项指标来说明声音质量的这种降低 声音质量的这种降低: 用两项指标来说明声音质量的这种降低: 总谐波失真(THD),以百分比的形式表示。 ),以百分比的形式表示 1. 总谐波失真(THD),以百分比的形式表示。 2. 信噪比(SNR),以分贝为单位 信噪比(SNR),以分贝为单位 ), THD和SNR都是值越小,表示声音质量越好。 THD和SNR都是值越小,表示声音质量越好。 都是值越小
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声卡的主要作用
1. 它可录制数字声音文件。通过声卡及相应的驱动程序的控制,采集来 它可录制数字声音文件 通过声卡及相应的驱动程序的控制, 录制数字声音文件。 自话筒、收录机等音源的信号,压缩后被存放 存放在计算机系统的内存或 自话筒、收录机等音源的信号,压缩后被存放在计算机系统的内存或 硬盘中; 硬盘中; 2. 将硬盘或激光盘压缩的数字化声音文件还原成高质量的声音信号,放 将硬盘或激光盘压缩的数字化声音文件还原成高质量的声音信号, 还原成高质量的声音信号 大后通过扬声器放出; 大后通过扬声器放出; 放出 3. 对数字化的声音文件进行加工,以达到某一特定的音频效果; 对数字化的声音文件进行加工 以达到某一特定的音频效果 声音文件进行加工, 特定的音频效果; 4. 控制音源的音量,对各种音源进行组合,实现混响器的功能; 控制音源的音量,对各种音源进行组合,实现混响器的功能; 5. 利用语言合成技术,通过声卡朗读文本信息。如读英语单词和句子, 利用语言合成技术 通过声卡朗读文本信息。如读英语单词和句子, 语言合成技术, 奏音乐等; 奏音乐等; 6. 具有初步的音频识别功能,让操作者用口令指挥计算机工作; 具有初步的音频识别功能,让操作者用口令指挥计算机工作; 初步的音频识别功能 提供 功能,使计算机可以控制多台具有 接口的电子乐器。 7. 提供MIDI功能,使计算机可以控制多台具有MIDI接口的电子乐器。 功能 接口的电子乐器 另外,在驱动程序的作用下,声卡可以将MIDI格式存放的文件输出 另外,在驱动程序的作用下,声卡可以将 格式存放的文件输出 到相应的电子乐器中,发出相应的声音。使电子乐器受声卡的指挥。 到相应的电子乐器中,发出相应的声音。使电子乐器受声卡的指挥。
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Fra Baidu bibliotek
声卡的工作流程
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声卡的工作流程
模拟声音信号经过声卡前置处理及A 模拟声音信号经过声卡前置处理及A/D转换后变成 数字信号,送人输入缓冲区, 数字信号,送人输入缓冲区,然后通过各种数字信号处 理的方法对波形输入缓冲区的数据进行处理, 理的方法对波形输入缓冲区的数据进行处理,完成声音 消噪、音效处理、声音合成等功能, 消噪、音效处理、声音合成等功能,最后把处理好的数 据把保存到存储设备,这就是声音信号的录制过程. 据把保存到存储设备,这就是声音信号的录制过程. 相应的声音信号回放过程为: 相应的声音信号回放过程为:把处理好的数据送到 输出缓冲区,再由声卡的D/A转换,将数字音频转换为 输出缓冲区,再由声卡的D 转换, 模拟信号,经过功率放大,送到喇叭。 模拟信号,经过功率放大,送到喇叭。 如果将工程中所需采集的信号仿照声音信号输入, 如果将工程中所需采集的信号仿照声音信号输入, 即可实现对信号的采集和存储。 即可实现对信号的采集和存储。
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