數(shù)據(jù)采集實驗報告

CHINAUNIVERSETVOFPETROLEUM中國石油大學（北京）實驗報告實驗名稱： 基于聲卡的數(shù)據(jù)采集 班級：過程io-4班學號：生姓名： 夏亞康成績： 實驗日期：2013實驗日期：2013年1月4日一、實驗目的1、 掌握Labview軟件的基本使用方法；2、 掌握利用Labview功能模板進行虛擬儀器設(shè)計；3、 了解聲卡的工作原理4、 學習用Labview進行數(shù)據(jù)采集的基本過程。5、 利用軟件設(shè)計并實現(xiàn)一臺虛擬數(shù)字錄音機，完成音頻數(shù)據(jù)采集、顯示、保存、處理、回放的功能。通過練習使用Labview設(shè)計數(shù)字錄音機。二、實驗儀器和設(shè)備1.計算機1臺、MIC1只、耳機1只2．編程環(huán)境WindowsXP操作系統(tǒng)3.Labview實驗軟件1套二、實驗說明：1、 聲卡的工作特點本設(shè)計采取的方法是在LabVIEW虛擬儀器環(huán)境中利用Windows自帶聲卡采集語音信號。從數(shù)據(jù)采集的角度來看,PC聲卡本身就成為一個優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它同時具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，不僅價格低廉，而且兼容性好、性能穩(wěn)定、靈活通用，軟件特別是驅(qū)動程序升級方便。如果測量對象的頻率在音頻范圍(20Hz-20kHz)內(nèi)，而且對采樣頻率等指標又沒有太高要求，就可以考慮使用聲卡。而語音音頻范圍一般在5kHz以內(nèi)，滿足聲卡采集的要求。在采集語音信號前，要檢查聲卡的設(shè)置，保證已配置的輸入功能(錄音功能)不處于靜音狀態(tài)。主機通過總線將數(shù)字化的聲音信號送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A),將數(shù)字信號變成模擬的音頻信號同時，又可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)將麥克風或CD的輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送到計算機進行各種處理。衡量聲卡的技術(shù)指標包括復音數(shù)量、采樣頻率、采樣位數(shù)(即量化精度)、聲道數(shù)、信噪比(SNR)和總諧波失真(THD)等。復音數(shù)量代表聲卡能夠同時發(fā)出多少種聲音，復音數(shù)越大，音色就越好，播放聲音時可以聽到的聲部越多、越細膩;采樣頻率是每秒采集聲音樣本的數(shù)量，采樣頻率越高，記錄的聲音波形越準確，保真度就越高，但采樣數(shù)據(jù)量相應(yīng)變大，要求的存儲空間也越多。采樣位數(shù)是指將聲音從模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的二進制位數(shù)(bit),位數(shù)越高，在定域內(nèi)能表示的聲波振幅的數(shù)目越多，記錄的音質(zhì)也就越高，例如16位聲卡把音頻信寫的大小分為216=65536個量化等級來實施上述轉(zhuǎn)換。

常用聲卡可對音頻信號實現(xiàn)雙聲道16位、高保真的數(shù)據(jù)采集，最高采樣率可達HZ,具有較高的采樣頻率與精度。對于許多科學實驗和工程測量:來說，聲卡對信號的量化精度和采樣率都是足夠高的，甚至優(yōu)于一些低檔的數(shù)據(jù)采集卡性能。2、 LabVIEW采集語音信號LabVIEW中提供了一系列使用Windows底層函數(shù)編寫的與聲卡有關(guān)的函數(shù).由于使用Windows底層函數(shù)直接與聲卡驅(qū)動程序打交道，因而封裝層次低，速度快，而且可以訪問、采集緩沖區(qū)中任意位置的數(shù)抓，具有很大的靈活性，能夠滿足實時不間斷采集的需要。在LabVIEW中，利用Windows聲卡對語音信寫進行采樣，SIConfig設(shè)置聲卡中與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的硬件參數(shù)，將device設(shè)置為0，采樣位數(shù)為單聲道16位，采樣頻率11025Hz，緩沖區(qū)長度為默認值8192字節(jié);SIStart通知聲卡開始采集外部數(shù)據(jù);SIRead將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的內(nèi)容讀取到用戶程序的數(shù)組中，一次可讀取緩沖區(qū)長度的一半（（4096字節(jié)）；SIStop通知聲卡停止采集外部數(shù)據(jù);SIClear完成最終的清理工作，釋放請求的一系列系統(tǒng)資源,Soundwave顯示語音波形、WhileLoop有兩個語句，第一個語句"WaitforRecordButton"是在程序運行后通知開始錄入語音數(shù)據(jù)，第二個語句主要是為了能夠連續(xù)的讀入語音數(shù)據(jù)，在此語句中，“Casestructure"在True情況下執(zhí)行停止錄音（False為默認值），移位寄存器是為了讀出數(shù)據(jù)的連續(xù)性，循環(huán)利用120ms延時以降低循環(huán)的頻度，減少CPU負擔。3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及程序流程是3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及程序流程是選擇存儲文件開始采集并F存儲一」圖1系統(tǒng)流程圖四、實驗步驟及設(shè)計內(nèi)容（一）、實現(xiàn)聲卡聲音信號的采集并保存利用【聲音】函數(shù)選板的【輸入】和【文件】子選板可以編程實現(xiàn)對聲音信號的采集并保存。操作步驟：1、 進入LabVIEW的啟動界面后，執(zhí)行【文件】/【新建VI】菜單命令，創(chuàng)建一個新的VI。2、 切換到前面板設(shè)計窗口下，放置一個“波形圖”控件，用于顯示采集到的聲音，并設(shè)置波形圖控件的標簽為“聲音信號波形”，再放置一個“確定按鈕”和一個“停止按鈕”，并分別更名為“聲音采集”和“停止采集”，用于啟動和停止聲音采集。3、 切換到程序框圖設(shè)計窗口下，在設(shè)計區(qū)放置一個“打開聲音文件”函數(shù)節(jié)點，并將其下拉選項的值設(shè)為“寫入”。4、 在設(shè)計區(qū)放置一個“配置聲音輸入”節(jié)點、一個“讀取聲音輸入”節(jié)點、一個“寫入聲音文件”節(jié)點、一個“聲音輸入清零”節(jié)點，一個“關(guān)閉聲音文件”節(jié)點，兩個“While循環(huán)”方框節(jié)點和一個“條件結(jié)構(gòu)”節(jié)點，并按錯誤!未找到引用源。連線。5、 切換到前面板設(shè)計窗口下，調(diào)整各個控件的位置。6、 設(shè)置“路徑”輸入框為“e:\”。單擊工具欄上程序運行按鈕，點擊【聲音采集】按鈕，對著麥克風放一段音樂，即可將聲音數(shù)據(jù)寫入到指定的文件“e:\”中去。7、 在波形圖控件中可以查看聲音信號的波形，如錯誤!未找到引用源。所示。8、 單擊【停止采集】按鈕，結(jié)束程序運行，可在E盤根目錄下看到聲音文件“”。

圖2聲卡聲音信息采集及保存實驗原理圖路徑聲咅格式采樣率tS/s）詰謂喩出狀態(tài)代瑪聲音信號険形旳間圖2聲卡聲音信息采集及保存實驗原理圖路徑聲咅格式采樣率tS/s）詰謂喩出狀態(tài)代瑪聲音信號険形旳間圖3聲卡聲音信息采集及保存程序運行圖（二）實現(xiàn)對保存的聲音信號進行讀取、播放并進行頻譜分析利用【聲音】函數(shù)選板的【輸出】和【文件】子選板，加上【信號分析】選板的“頻譜測量”節(jié)點可以實現(xiàn)對保存的聲音信號進行讀取、播放并進行頻譜分析。操作步驟：1、進入LabVIEW的啟動界面后，執(zhí)行【文件】/【新建VI】菜單命令，創(chuàng)建一個新的VI。2、 切換到前面板設(shè)計窗口下，放置一個“確定按鈕”，并更名為“分析播放”。3、 切換到程序框圖設(shè)計窗口下，在設(shè)計區(qū)放置一個“打開聲音文件”函數(shù)節(jié)點，并將其下拉選項的值設(shè)為“讀取”。4、 在設(shè)計區(qū)放置一個“讀取聲音文件”節(jié)點、一個“關(guān)閉聲音文件”節(jié)點一個“播放波形”節(jié)點、一個“While循環(huán)”節(jié)點、一個“條件結(jié)構(gòu)”節(jié)點和兩個“頻譜測量”節(jié)點，并配置兩個“頻譜測量”節(jié)點使其分別測量“幅度（峰值）”和“功率譜”。5、按錯誤!未找到引用源。連線。6、 切換到前面板設(shè)計窗口下，調(diào)整各個控件的位置。7、設(shè)置“路徑”輸入框為“e:\”。單擊工具欄上程序運行按鈕，點擊【分析播放】按鈕，系統(tǒng)會讀取聲音文件“e:\”,可以聽到來自電腦揚聲器的聲音。8、 在波形圖控件中可以查看聲音信號的頻譜波形和功率譜波形，如錯誤!未找到引用源。所示。00畫0K功率諳FFT-（鰹值）頻若測星卜 00畫0K功率諳FFT-（鰹值）頻若測星卜 信WFFT-（峰值）相位頻著測量2倍號功率普| 撰放注形I 卜 設(shè)備I 休 數(shù)據(jù)■吃崇理E或理磁理■:英:垃理W圖4聲音信號讀取、播放、頻譜分析實驗原理圖圖5聲音信號讀取、播放、頻譜分析程序運行圖（三）、實現(xiàn)對保存的聲音信息進行濾波處理后再播放和進行頻譜分析要實現(xiàn)對保存的聲音信息進行濾波處理后再播放和進行頻譜分析，只要在（二）的基礎(chǔ)上添加【信號分析】選板的“濾波器”節(jié)點就可以完成，另外為了加強系統(tǒng)的功能，本錄音機實現(xiàn)了既可以對原信號進行頻譜分析，也可以對處理后的信號進行頻譜分析。操作步驟：1、 打開步驟（二）的VI文件，切換到前面板設(shè)計窗口下，添加一個“垂直搖桿開關(guān)”，并更名為“播放前是否濾波”。2、 切換到程序框圖設(shè)計窗口下，在設(shè)計區(qū)放置一個“濾波器”節(jié)點，并設(shè)置其濾波器類型為“帶通”，再放置一個“條件結(jié)構(gòu)”節(jié)點，并按照錯誤!未找到引用源。連線。3、 切換到前面板設(shè)計窗口下，調(diào)整各個控件的位置。4、 設(shè)置“路徑”輸入框為“E：\”。單擊工具欄上程序運行按鈕，將【播放前是否濾波】開關(guān)打開，點擊【分析播放】按鈕，系統(tǒng)會讀取聲音文件“E：\”，可以聽到來自電腦揚聲器的聲音，這聲音是經(jīng)過了濾波后的聲音。5、 在波形圖控件中可以查看進行濾波處理后的聲音信號的頻譜波形和功率譜波形，如錯誤!未找到引用源。所示。

迥倍iDLU車仝迥倍iDLU車仝I?31圖6對聲音進行濾波、頻譜分析實驗原理圖謔獨CFFT- （臨值＞：） ^^9?5=1=工古*倍 浦鴻謔獨CFFT- （臨值＞：） ^^9?5=1=工古*倍 浦鴻Bb率譜：| ^^9圖7聲音信號濾波、頻譜分析程序運行圖（四）、將聲音信號采集、濾波處理、播放和頻譜分析功能整合到一起前面已經(jīng)完成了（一）實現(xiàn)聲卡聲音信號的采集并保存、（二）實現(xiàn)對保存的聲音信息進行濾波處理后再播放和進行頻譜分析，在（一）和（二）的基礎(chǔ)上就可以輕松地將聲音信號采集、播放和頻譜分析功能整合到一起。只要將（二）前面板的控件直接復制到（一）的前面板上，再將（二）中的程序框圖設(shè)計窗口的除最外的層的“While循環(huán)”的其他節(jié)點直接移植到（一）的最外層“While循環(huán)”里，然后將（二）中的路徑控件刪除，將其留下的線頭連接到（一）的路徑控件上就完成了。里信號臓后佶號拔頁團呈信號FFT-t厚值\斗相位—F771圖8綜合程序?qū)嶒炘韴D里信號臓后佶號拔頁團呈信號FFT-t厚值\斗相位—F771圖8綜合程序?qū)嶒炘韴D圖9美化后的程序運行圖表（五）實驗分析1、改變采樣模式：連續(xù)有限分別在這2種模式下錄音觀察對錄音質(zhì)量有何影響并記錄在實驗報告里，并分析為什么答：連續(xù)模式會不斷地對聲音信號進行采樣，只能通過按采集停止的按鈕才能停止聲音的采集。在連續(xù)采樣的模式下，可以無限的采集聲音信息，無論聲音信息有多大，都可以被采集下來，而有限采樣就不能，他只能保證一次采樣的時間在3s左右，而其他的聲音信息都會丟失。這是由于采樣方式的變化，使得采樣的結(jié)果變化。實驗結(jié)果圖像如圖10、11所示：圖10連續(xù)采樣增大每通道采樣數(shù)錄音播放波形圖11有限采樣減小每通道采樣數(shù)錄音播放波形2、（1）增加每通道采樣數(shù)5倍任選一個倍數(shù)觀察對錄音質(zhì)量有何影響并記錄在實驗報告里，并分析為什么答：在連續(xù)采樣模式下，改變每通道采樣數(shù)，對錄音的結(jié)果沒有太大的影響，因為連續(xù)采樣的時間太長，使得每通道采樣數(shù)對數(shù)據(jù)采集的影響基本沒有。在有限采樣模式下，當把每通道采樣數(shù)增大5倍的時候，錄音上網(wǎng)質(zhì)量比之前好很多，更加接近原始聲音了，這是由于增加了通道采樣數(shù)，增加了采樣頻率和采樣時間，使得采集到的數(shù)據(jù)更加多，所以錄音質(zhì)量比之前要好。（2）減小每通道采樣數(shù)5倍任選一個倍數(shù)觀察對錄音質(zhì)量有何影響并記錄在實驗報告里，并分析為什么答：錄音時間會變短原理同上，采樣時間會隨采樣數(shù)減小而變小，而過小的采樣時間很可能導致錄音的失敗，甚至于聲音的失真。3、對聲音格式項的實驗：改變采樣率觀察對錄音質(zhì)量有何影響并記錄在實驗報告里，并分析為什么答：采樣率增大，會使聲音變得更平更慢更粗，采樣率減小，會使聲音變得更快更尖更細。因為采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采樣次數(shù)，如果采樣率變大，采樣的次數(shù)很多，而播放時的速率始終是一定的，從而每秒播放的聲音信號頻率降低，聲音就會變得又平又粗又慢。同理，當采樣率變小時，聲音信號頻率升高，聲音就變得又快又見又細。實驗過程波形圖如圖12所示：

采樣率6/s)/V■'毎采樣比特數(shù)r采樣率6/s)/V■'毎采樣比特數(shù)r,162050'通道數(shù)聲音信號波形圖12改變采樣率對錄音質(zhì)量的影響波形圖4、觀察濾波前和濾波后的聲音的變化并改變?yōu)V波的上下截止頻率，觀察聲音隨濾波截止頻率變化的情況，并說明為什么會這樣變化。答：濾波前，聲音會有一定的低頻和高頻的雜音，通過濾波可以去除這些雜音，改變上下截止頻率，可以去除不同頻率的雜音。改變低截止頻率，可以去除不同的低頻信號，同理改變高截止頻率，可以去除不同的高頻信號。這樣的變化時因為濾波器能夠讓指定的高低頻率范圍之外對應(yīng)的信號強度為零，從而可以去除雜音信號。圖13圖13濾波前錄音的波形圖圖14濾波后錄音的波形圖五）總結(jié)（一）優(yōu)點：能在錄音前對錄音設(shè)備的各項參數(shù)進行調(diào)整，并能夠在錄音后，完成播放、頻譜分析、濾波去除噪聲這些一系列的工作。（二）缺點