一種多通道低時延同步音頻信號采集分析系統(tǒng)

吳禮福，呂長明，陳晶晶，吳佳偉

（1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京210044；2.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210044）

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展，各種噪聲問題日益突出。要解決噪聲問題，必須對噪聲進行準確的測量與監(jiān)控[1]，因此近年來汽車鳴笛抓拍、城市環(huán)境噪聲監(jiān)控等系統(tǒng)的需求量逐漸增加，這些系統(tǒng)中都需要多通道同步音頻信號采集功能。以汽車鳴笛抓拍系統(tǒng)為例[2]，它通過多通道信號采集與處理實現(xiàn)對鳴笛聲的聲源定位，其重要部件是32通道甚至更多通道的聲學探頭，而低時延和高同步的硬件采集系統(tǒng)是聲學探頭的核心。因此，研發(fā)低時延、多通道同步音頻信號采集分析系統(tǒng)具有明確的現(xiàn)實需求和廣泛的應用前景。

目前，國內外音頻信號分析系統(tǒng)在功能、性能與成本上無法同時兼顧，成本有限的分析系統(tǒng)在時延、同步性及通道數(shù)上常常無法滿足需求，而低時延、高同步的多通道分析系統(tǒng)成本高、價格昂貴[3-5]。針對音頻信號的頻帶和采樣精度需求，本文選用合適的硬件架構，借助計算機的強大運算處理能力，結合LabVIEW與虛擬儀器[6]的設計思想，以降低系統(tǒng)開發(fā)周期與成本，提升系統(tǒng)的可擴展性和靈活度。以8通道系統(tǒng)為例，本文開發(fā)了一種低時延、高同步性的音頻信號采集分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持8通道信號同步采集、頻譜分析、聲壓級計算以及錄音和保存功能[7]。需要說明的是，本文的硬件結構易于將系統(tǒng)擴展到更多的通道數(shù)，軟件架構便于增加和擴展系統(tǒng)的分析功能。

1 系統(tǒng)功能與設計

1.1 功 能

本文設計的8通道同步音頻信號分析系統(tǒng)的主要功能有：8通道信號同步采集；音頻信號的9種常用參數(shù)分析，包括頻率計權聲壓級（Sound Pressure Level，SPL）、時間計權聲壓級、等效連續(xù)A聲級（Equivalent Continuous A Sound Level，LAeq）、聲暴露級（Sound Exposure Level，SEL）、累計百分聲壓級、峰值聲壓級（Peak Sound Level，PSL）、總聲壓級、有效聲壓級、倍頻程；錄音、數(shù)據(jù)保存等。其中音頻信號的常用參數(shù)分析與計算完全依據(jù)國家標準，主要有：

1）頻率計權聲壓級

為了使聲音的客觀參量與人耳的主觀感受更接近，定義頻率計權聲壓級（或簡稱聲級），包括A，B，C，Z計權[8]。例如，

A計權計算公式為：

C計權計算公式為：

式中：f為頻率；A1000=-2.000 dB；C1000=-0.062 dB；f1，f2，f3，f4參數(shù)取值依據(jù)國標GB/T 3785.1-2010聲級計第一部分：規(guī)范[9]。

實現(xiàn)頻率計權的方法有兩種，分別為無限沖激響應數(shù)字濾波器法和快速傅里葉變換法（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）[10]，本系統(tǒng)采用FFT法。FFT算法過程中會產生頻譜泄露，因此需要加窗來減少頻譜泄露，系統(tǒng)支持漢寧窗、漢明窗等7種常見窗函數(shù)。

2）時間計權聲壓級LAτ

時間計權聲壓級LAτ數(shù)學表達式為[11]：

式中：τ為時間常數(shù)，分為I檔、F檔、S檔，其值分別為0.035 s，0.125 s，1 s；ξ是從過去某個時刻到觀測時刻時間積分的虛擬變量；PA(ξ)為A計權瞬時聲壓；P0=20 μPa為基準聲壓。

3）等效連續(xù)A聲級LAT

等效連續(xù)A聲級LAT的數(shù)學表達式為：

式中：T為測量時間，單位為s；PA為瞬時A計權聲壓，單位為Pa。在實際測量中，將式（4）離散化為：

式中：PA(n)為瞬時A聲級，單位為dB，n為采樣序列編號；N為t1～t2這段時間內的采樣點總數(shù)。

4）聲暴露級LAE

聲暴露級是單次噪聲事件的評價量，其數(shù)學表達式為[12-13]：

式中：LAT為等效連續(xù)A聲級，單位為dB；T1為時間平均聲級測量時間間隔，單位為s；T0為參考時間間隔，單位為s。

5）累計百分聲級

累計百分聲級包括L10，L50，L90，表示在規(guī)定時間內有相應百分比的時間（或采樣數(shù)）超過該聲級。如L10=60 dB，表示在規(guī)定時間內有10%的時間（或采樣數(shù)）聲級超過60 dB。

6）峰值聲壓級、總聲壓級、有效聲壓級

峰值聲壓級是在一定時間間隔中最大的瞬時聲壓值，用PSL表示。總聲壓級是同一個聲源在不同點的聲壓級之和或者多個聲源在某一點的總聲壓級之和。有效聲壓級是在一定時間間隔內，某點的瞬時聲壓對時間的均方根值。

7）倍頻程

為了分析各個頻帶范圍內聲能量的分布，對頻率范圍進行頻帶劃分，通常采用相對恒定帶寬比方法劃分頻帶，稱為倍頻程頻帶。每個頻帶內都有上限頻率f1、下限頻率f2和中心頻率f0。上限頻率f1和下限頻率f2的數(shù)學關系式為：

式 中，當N為1時 稱1倍 倍 頻 程，N為1 3時 稱1 3倍頻程[14]。

將聲信號的全頻帶劃分為多個相連的倍頻程子頻帶，那么任意子頻帶的上限頻率和其相鄰子頻帶的下限頻率相同，某一頻帶的位置可用中心頻率f0表示，其滿足以下的數(shù)學關系：

本文依據(jù)國標GB/T3241-2010規(guī)定的中心頻率以及上下限的截止頻率[15]，采用FFT實現(xiàn)倍頻程分析。

1.2 硬件模塊

硬件模塊的核心是基于USB總線的高性能多通道數(shù)據(jù)采集單元，每個單元可進行8路單端16位高速同步模擬信號采集，其信號處理部分和電源設計部分電路如圖1所示。圖1a）為一路輸入一路輸出的信號處理電路圖，主要功能如下：

圖1 基于USB總線的高性能多通道數(shù)據(jù)采集單元

1）模擬輸入的采樣：系統(tǒng)單次同步采集8個模擬通道的電壓，返回8個浮點數(shù)的數(shù)組。配置通道并設置采樣參數(shù)，啟動模數(shù)轉換（Analog to Digital Converter，ADC）進行采樣。系統(tǒng)獲取當前ADC緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)個數(shù)并讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)個數(shù)小于等于當前緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)個數(shù)，停止ADC采樣并返回數(shù)組，采樣結束。每個時鐘沿觸發(fā)采樣時，8通道完全同步。其中ADC為16 bit，速度為100 kHz，通道輸入阻抗大于1 MΩ，滿量程下精度可達±0.05%FSR。

2）采樣觸發(fā)：采樣的觸發(fā)控制有軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)兩種。前者通過軟件主動查詢硬件或信號狀態(tài)，符合條件則系統(tǒng)開始采樣，其觸發(fā)速度和測量精度低于硬件觸發(fā)；硬件觸發(fā)采用脈沖觸發(fā)信號方式，觸發(fā)速度快，時延低。本系統(tǒng)采用硬件觸發(fā)方式，保證了系統(tǒng)的低時延特性。

3）過采樣：硬件系統(tǒng)內置1個可選的一階數(shù)字sinc濾波器，在采樣速率較低的情況下，如果需要有效衰減信號中的高頻噪聲，提升采樣信號的信噪比，可以選擇一定倍率的過采樣。本系統(tǒng)最高采樣率是100 kHz，過采樣率越高，則采樣信號的上限頻率越低，過采樣技術適用于中低頻信號的采集與分析，可以有效提高信噪比。

4）高同步性：在多通道同步音頻信號采集分析系統(tǒng)中，采樣與觸發(fā)達到同步是準確采集到信號點的關鍵，外部基準時鐘和采樣觸發(fā)時鐘能保持高同步尤為重要。系統(tǒng)選用1：8時鐘分配芯片，同一個時鐘信號經過該芯片后被分成8路穩(wěn)定且驅動能力足夠強的時鐘信號，其相互間的時延誤差不超過100 ps，保證8通道采樣的高同步性。

1.3 軟件模塊

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，采用動態(tài)加載子程序減少了內存占用量，提高了程序的加載速度。整個軟件模塊結構如圖2所示，主要包括測量模塊、采集模塊、分析模塊、瀏覽模塊、保存與錄音模塊。

圖2 軟件模塊結構圖

系統(tǒng)主要測量參量的模塊包括頻率計權、時間計權、倍頻程分析、常用噪聲測量評價量等。

1）計權聲壓級

頻率A計權的LabVIEW程序框圖依據(jù)式（1）編寫，如圖3所示；時間計權的LabVIEW程序框圖依據(jù)式（3）編寫，如圖4所示。

圖3 A計權程序框圖

圖4 時間計權程序框圖

2）倍頻程分析

1倍倍頻程LabVIEW程序框圖如圖5所示。

圖5 1倍倍頻程程序框圖

3）常用噪聲測量評價參量

常用的噪聲測量評價量包括等效連續(xù)聲壓級、聲暴露級、峰值聲壓級、累計百分聲壓級等，其LabVIEW程序框圖如圖6所示。

圖6 常用噪聲測量評價量程序框圖

4）錄音模塊

多通道同步錄音功能便于用戶保存噪聲樣本，支持后續(xù)離線仿真與分析，例如目前的麥克風陣列信號處理，可以利用多通道同步錄音功能錄入多個麥克風信號以進行分析。本系統(tǒng)支持8通道同步錄音功能，據(jù)此可以驗證整個系統(tǒng)的低時延和高同步性，其程序框圖如圖7所示。

圖7 錄音模塊程序框圖

2 性能測試

2.1 時延與同步性

時延測量如圖8所示。圖8a），圖8b）分別為現(xiàn)場圖和實驗結構圖，用上位機電腦的音頻輸出口發(fā)出激勵信號，同時將本系統(tǒng)的8通道音頻信號輸入接口連接到上位機的音頻輸出口，8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成信號采集后通過USB接口連接到上位機，上位機通過前述錄音功能完成8通道信號的保存。為了準確測量系統(tǒng)的時延，必須保證上位機發(fā)出激勵信號的同時，觸發(fā)8通道信號的采集錄音功能。因此測試時開發(fā)了內置音頻播放模塊，作為8通道數(shù)據(jù)采集的輸入，激勵信號選取正弦波，通過錄入的8通道信號和原始信號對比分析時延數(shù)據(jù)。

圖8 實驗現(xiàn)場圖

測試時進行多次時延測量，得到大量樣本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析后得到其均值為7.09 ms，方差為8.261 5e-06 s。因此，系統(tǒng)時延為毫秒級且在微秒范圍內波動。此外，在上位機開啟大量進程的條件下，再次進行時延的測量，發(fā)現(xiàn)數(shù)值變化幅度較大，因此上位機進程多少對時延測量數(shù)據(jù)有較大誤差，在實際測量時可使上位機運行進程數(shù)盡量少，以提高測量準確性。

同步性的測量使用8通道錄音數(shù)據(jù)間的時延分析進行計算，理論上，如果8通道數(shù)據(jù)完全同步，則8通道數(shù)據(jù)間的時延應當為0，多次實驗測量結果表明，8通道之間的時延小于0.05 ms。圖9給出了一次測量的結果，采用脈沖信號作為激勵信號，實驗表明系統(tǒng)具有極高的同步性。

圖9 同步性測試

2.2 信號參量的誤差分析

采用標準信號發(fā)生器產生1 000 Hz，110 dB的音頻信號，利用本系統(tǒng)采集信號后分析，其1倍倍頻程頻譜分析如圖10所示。

圖10 1倍倍頻程頻譜分析

由圖10可知，除第一頻帶8個通道倍頻程沒有完全重合，有誤差存在，其他頻帶8通道倍頻程基本重合，1 000 Hz頻段內的倍頻程數(shù)據(jù)符合輸入信號的參量，可見系統(tǒng)的測量精確度高，誤差小。

3 結語

本文設計了一種低時延多通道同步音頻信號分析系統(tǒng)，涵蓋了目前音頻分析中的主要測量參量，實際測試表明，它能夠多通道快速穩(wěn)定測量，時延低、同步性高、精度較好，同時具有多通道錄音保存功能。該系統(tǒng)兼顧性能、成本與擴展性，既可以嵌入實際音頻處理系統(tǒng)，如作為鳴笛抓拍系統(tǒng)的前端采集，也可以用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集分析，便于高校等科研機構的仿真研究。