基于LabVIEW的音频信号频谱测试系统的研究与实现

摘要

虚拟仪器的出现是仪器发展史上的重大变革，对科学技术的发展和工业生产产生了重要的影响。虚拟仪器是仪器发展的最新方向之一，已成为信息技术的一个重要领域。因此，引入到音频信号检测和分析系统的虚拟仪器技术研究具有切实可行的实际意义。 随着计算机和软件技术的发展，虚拟仪器正在逐渐成为测试领域的方向。为此，本文讲述了以美国国家仪器公司的虚拟仪器平台LabVIEW软件为开发平台，配以必要的麦克风传感器、信号调理器BNC-2120和PCI6221数据采集卡等硬件组成的便携式测试系统，同时采用虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW构建的音频信号频谱测试系统，减少了测试过程中的硬件设备，节约了仪器成本，解决了传统仪器的频繁使用，损坏现象较为严重的问题，同样实现了对音频信号的实时采集、处理、分析和显示的目的。 首先，本文论述了虚拟仪器的发展、虚拟仪器的特点及其研究现状和发展趋势，并指出了基于虚拟仪器的音频信号频谱测试系统研究的重要性。同时详细介绍了虚拟仪器及其代表性软件LabVIEW和虚拟仪器的构建方法。 其次，讨论了音频信号的时域处理、分析，相关函数及其处理方法。利用LabVIEW软件仿真时域信号和频域信号，进行波形分析。同时，在时-频域里，利用傅立叶变换的原理及方法，频谱分析技术，加窗技术和滤波技术对音频信号进行采集和控制，处理和分析，显示和存储，从而频谱分析和图形显示。频谱分析在生产实践与科学研究中得到了日益广泛的应用。 最后，应用基于LabVIEW的虚拟仪器的构建方法，搭建和开发了音频信号频谱测试系统，并与传统音频频谱仪所测得的频谱进行比较。系统的研发成功，能极大地提高了频谱测试的效率，保证了测试系统的准确性、稳定性及安全性，且具有成本低廉和开发周期较短的特点，对设计和研发类似测试系统具有一定的推广价值。同时，本文给出了系统软硬件的设计方案，做出了可行的解决方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的背景

1.2虚拟仪器概述

1.2.1虚拟仪器的概念和优势

1.2.2虚拟仪器的组成

1.3虚拟仪器国内外的研究现状和发展趋势

1.3.1国外的虚拟仪器现状

1.3.2国内的虚拟仪器现状

1.3.3虚拟仪器的发展趋势

1.4课题研究的目的和意义

1.5课题研究的主要内容

第二章虚拟仪器基础

2.1虚拟仪器的系统结构

2.2虚拟仪器的硬件结构

2.2.1数据采集插入卡(DAQ)虚拟仪器

2.2.2 VXI总线结构虚拟仪器

2.2.3 PXI总线结构虚拟仪器

2.3虚拟仪器的软件结构

2.4虚拟仪器系统的构建方法

2.4.1需求分析

2.4.2指定需要的I/O硬件类型

2.4.3用户界面原型的设计

2.4.4程序设计

2.5本章小结

第三章音频信号的时域特性分析

3.1音频信号的抽样及其数字化

3.2音频信号的时间依赖处理

3.3自相关函数

3.3.1自相关函数的定义和性质

3.3.2短时自相关函数

3.3.3变形短时自相关函数

3.4短时平均幅度差函数

3.5基音周期估计方法

3.5.1基音检测预处理

3.5.2自相关法基音检测算法

3.5.3基音检测的后处理

3.6 LabVIEW仿真时域信号

3.7本章小结

第四章音频信号的频谱分析

4.1频谱分析原理与方法

4.1.1频谱分析原理

4.1.2频谱分析方法

4.2傅立叶变换的原理及算法

4.2.1傅立叶变换的定义

4.2.2离散傅立叶变换

4.2.3快速傅立叶变换

4.3短时傅立叶变换

4.4基于短时傅立叶变换的频谱图

4.5基音同步分析方法

4.5.1短时频谱用于基音检测

4.5.2基音同步频谱分析

4.5 LabVIEW仿真时域和频域信号

4.6音频信号的LabVIEW仿真效果

4.7本章小结

第五章 音频信号频谱测试系统的总体设计与实现

5.1系统的硬件设计

5.1.1 NI PCI6221数据采集卡

5.1.2 BNC-2120信号调理板卡

5.2系统的软件设计

5.2.1系统软件设计的过程

5.2.2系统软件的模块

5.2.3处理模块的数字滤波器设计与选择

5.2.4测试系统的各功能模块设计分析

5.3系统的人机交互界面设计

5.3.1人机界面功能面板

5.3.2频谱测试系统的技术特点

5.4调试与分析

5.4.1信号的产生

5.4.2时域分析和谐波分析

5.4.3频域分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢