目前市售的數(shù)據(jù)采集卡都包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和與計算機的接口電路，但其價格與性能基本成正比，一般比較昂貴。隨著DSP(數(shù)字信號處理)技術(shù)走向成熟，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。ISA總線向PCI總線的過渡，解決了以往聲卡與系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的瓶頸題目，同時也充分發(fā)揮了DSP芯片的性能。而且聲卡用DMA(直接內(nèi)存讀取)方式傳送數(shù)據(jù)，極大地降低了CPU占用率。一般聲卡16位的A/D轉(zhuǎn)換精度，比通常12位A/D卡的精度高，對于很多工程丈量和科學(xué)實驗來說都是足夠高的，其價格卻比后者便宜得多。

虛擬儀器（Virtua linstrument）是計算機結(jié)合高效靈活的軟硬件測試平臺來完成各種信號的采集、測試、測量和自動化控制的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)是由用戶自己定義的專用儀器測試系統(tǒng)，因此，具有功能靈活，構(gòu)建簡單，應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢。目前虛擬儀器領(lǐng)域發(fā)展最快、應(yīng)用最廣，且功能強大的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境是由美國國家儀器公司開發(fā)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品。此款軟件產(chǎn)品可將儀器虛擬后裝入到計算機軟件中，依托計算機的軟件操作系統(tǒng)和外圍硬件，從而實現(xiàn)各種儀器的功能。

LABVIEW是由美國NI公司開發(fā)的一款軟件，它具有革命性的圖形化開發(fā)環(huán)境，是虛擬儀器領(lǐng)域領(lǐng)先的軟件開發(fā)工具。LABVIEW是一種圖形化的語言編程工具，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、學(xué)術(shù)研究和實驗室中，它集開發(fā)、調(diào)試和運行為一體，極大的簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)進度。主要應(yīng)用于儀器儀表的控制、數(shù)據(jù)信號的采集、分析和顯示等，此款軟件可適用于多種操作系統(tǒng)。與傳統(tǒng)C語言、VB等編程語言十分不同，LabView采用圖形化的語言編程，主要是面向工程師開發(fā)的編程環(huán)境無需專業(yè)的程序員，因此，具有編程方便，人機交互界面友好，控制能力強和數(shù)據(jù)可視化等特點。

數(shù)據(jù)采集卡是數(shù)據(jù)信號采集、分析和處理的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它包含了完整的數(shù)據(jù)采集電路和接口電路，并且具有模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能。目前在工業(yè)生產(chǎn)和控制以及生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)控中，都離不開對各種數(shù)據(jù)的采集和分析。但由于專用的音頻數(shù)據(jù)采集卡價格昂貴，而計算機上的聲卡又可作為一個很好的音頻數(shù)據(jù)采集卡。在實際的數(shù)據(jù)測量中，在滿足技術(shù)要求的前提下，應(yīng)充分利用PC機自身功能，從而完成對數(shù)據(jù)的采集，以節(jié)省應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)成本。

1 聲卡工作原理

聲音的實質(zhì)上是一種波，可通過波的振幅、頻率和相位等物理量的連續(xù)性變化表現(xiàn)出來。聲卡作為PC機與聲音的接口橋梁，將接收到的音頻信號轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別的數(shù)字信號，然后經(jīng)過音頻芯片的處理，再將該數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號進行輸出。圖1所示為聲卡的工作流程圖。

圖 1 聲卡的工作流程圖

2 聲卡信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計方案

聲卡采集系統(tǒng)主要包括發(fā)聲源、信號調(diào)理模塊、聲卡和LabVIEW軟件等幾大部分組成。如圖2所示聲卡采集系統(tǒng)原理框圖。

圖 2 聲卡采集系統(tǒng)原理框圖

當(dāng)聲源輸入時，信號經(jīng)過信號采集電路，利用計算機的聲卡輸入作為信號的輸入端，將獲取的音頻信號經(jīng)過模擬/數(shù)字量模塊轉(zhuǎn)換后送入PC機，然后通過LabVIEW軟件編寫的音頻信號采集程序進行處理和保存；當(dāng)音頻輸出時，聲音經(jīng)過信號采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號經(jīng)數(shù)據(jù)總線以PCM方式送入到數(shù)字/模擬量模塊轉(zhuǎn)換，音頻信號由輸出端口通過揚聲器播放出來。

信號調(diào)理模塊：信號需經(jīng)過信號調(diào)理模塊才能進入聲卡，信號采集卡主要包含了信號放大、濾波、隔離和線性化處理等功能。聲卡的輸入端因具有放大器，會使得采集的信號產(chǎn)生失真，因此輸入端電壓應(yīng)保持為-1～+1V之間。

聲卡：聲卡是音頻的數(shù)據(jù)采集卡，目前模擬/數(shù)字量轉(zhuǎn)換模塊已經(jīng)很成熟，因此，無需在計算機端添加額外的配件，所以，此采集系統(tǒng)具有價格低廉、精度高，編程簡單等優(yōu)點。利用計算機上的聲卡和Labview軟件就可構(gòu)成一個中等采樣頻率、高精度、靈活性強的音頻采集系統(tǒng)。

衡量聲卡性能的主要性能指標包括采樣頻率、采樣位數(shù)、頻率特性和基準電壓等幾部分。

（1）采樣頻率：采樣頻率是指音頻設(shè)備對聲音信號在1S內(nèi)的采樣次數(shù)，采樣頻率越高音頻的真實性就越自然。在目前通用的聲卡上，采樣頻率主要分四個等級8KHz、11.025KHz、22.05KHz和44.1KHz，極少數(shù)可達48KHz。雖然理論上可以采用48KHz采樣頻率采集20Hz～20KHz范圍內(nèi)的音頻信號，但是效果不好。因此，聲卡具有不允許在高采樣率下設(shè)定低采樣頻率的局限性。

（2）采樣位數(shù)：采樣位數(shù)其實是聲卡處理音頻的解析度。數(shù)值越大，對音頻的解析度就越高，在進行音頻的播放和錄制時就越真實。目前普通產(chǎn)品大多都是16位的聲卡，而普通的音頻數(shù)據(jù)采集卡大多也采用12位，因此，計算機上的聲卡相較于普通的音頻數(shù)據(jù)采集卡一點不差。

（3）頻率特性：頻率特性主要包含兩個方面頻率范圍和頻率波動。頻率范圍指聲音系統(tǒng)可回放的最低頻率與最高頻率之間的變化范圍；頻率波動指一恒電壓輸出的音頻與操作系統(tǒng)相連接時，產(chǎn)生的聲壓和相位隨頻率變化的現(xiàn)象。本系統(tǒng)采用計算機聲卡ALC880Codec，設(shè)置音頻采樣位數(shù)為雙通道，采樣頻率為44.1KHz，采樣比特數(shù)為16位，從而保證波形穩(wěn)定、干擾較小。

（4）基準電壓：因為音頻沒有標準的電壓，因此在進行數(shù)/?；蚰?數(shù)轉(zhuǎn)換時，需參照基準電壓進行標定。

3 音頻信號采集系統(tǒng)設(shè)計

LabVIEW軟件與VB，C等編程語言相比，其模塊庫豐富、編程直觀、方便調(diào)試，是一種簡單的圖形化語言編程軟件開發(fā)平臺，具有開發(fā)簡單的優(yōu)勢。LabVIEW軟件是使用圖形化編程語言在流程圖中創(chuàng)建源程序，而非產(chǎn)生源程序代碼。LabVIEW軟化包含了USB、RS-485、GPIB、RS-232、VXI和信號數(shù)據(jù)采集卡等諸多硬件通訊的功能。軟件內(nèi)置了標準的庫函數(shù)如：TCP/IP、ActiveX等。雖然LabVIEW軟件通用的編程系統(tǒng)，但它含有儀器控制和信號數(shù)據(jù)采集設(shè)計的開發(fā)工具和函數(shù)庫。由于LabVIEW采用的是圖形化編程語言所以被技術(shù)人員和工程師所熟悉的，無需太多編程經(jīng)驗，就可利用LabVIEW進行應(yīng)用程序開發(fā)。

以LabVIEW軟件為基礎(chǔ)的音頻信號采集系統(tǒng)主要具有信號采集和存儲、頻域分析和回放的功能。本文設(shè)計的信號采集系統(tǒng)采用分模塊顯示設(shè)置，簡化了主程序前面板，且功能齊全，操作方便。

3.1 虛擬示波器的設(shè)計

虛擬示波器的前面板根據(jù)儀器面板和功能進行的程序設(shè)計和操作界面設(shè)計，示波器界面可實時顯示聲卡采集到音頻的實時信號。同時，實時顯示曲線界面的示波器X軸和Y軸標尺為自動調(diào)整，可保證無論采集的音頻信號幅值如何變化，總可在示波器中完整、清晰的顯示出來，方便用戶的操作和觀察。根據(jù)選用PC機聲卡的性能特性，將聲卡的采用位數(shù)設(shè)置為雙通道、采樣頻率位44.1kHz、采樣比特數(shù)16位、采樣方式連續(xù)等。

Labview軟件的虛擬示波器用于對聲卡采集到的音頻信號時域進行實時的顯示，采集數(shù)據(jù)信號的實時顯示和存儲是靠程序中的while循環(huán)函數(shù)實現(xiàn)的。

3.2 音頻信號分析儀設(shè)計

音頻信號分析儀包含音頻信號回放、幅度相位、信號的參量和功率譜的記錄和測量。音頻信號回放主要是方便將存儲的信號重新調(diào)用出來進行分析；幅度相位和功率譜是從頻域上對回放的音頻信號幅度、相位和功率進行測量；信號的參量是對采樣的音頻信號測量其峰值、周期平均值、均值、周期均方值等參數(shù)。

對于已保存的音頻采樣信號，可通過回放歷史音頻的功能，重新將存儲的音頻信號由軟件顯示出來和處理；通過此功能可反復(fù)實驗過程、檢驗采集信號的功能和驗證用戶的設(shè)置；在Labview軟件模塊中，用戶可對采集到的音頻信號進行進一步處理和分析；音頻信號的數(shù)據(jù)回放功能可減少實驗成本、重現(xiàn)關(guān)鍵性的實驗數(shù)據(jù)。

音頻的頻域分析主要是分析信號的頻譜成分和強度，通過傅里葉變換將音頻的時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號。本文所設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了對音頻信號的相位譜、幅度譜和功率譜分析和測量功能。其中，通過軟件中信號的加窗功能，可使用矩形窗將信號截斷。為防止在頻域上有限化帶來的采集信號泄露問題，本文設(shè)計的采用系統(tǒng)對所采集的信號進行加窗處理。

4 結(jié)論

由于高精度的音頻信號數(shù)據(jù)采集價格昂貴，因此本文PC機上的聲卡代替了音頻數(shù)據(jù)采集卡，虛擬儀器LabVIEW軟件作為開發(fā)工具，充分發(fā)揮PC機的信息處理能力，實現(xiàn)了對音頻信號的采集、存儲、顯示、回放和分析等功能。本文所設(shè)計的系統(tǒng)充分利用了計算機資源，節(jié)約了開發(fā)成本，且用戶界面友好，操作簡單，易實現(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。