电脑音频虚拟仪器的构建及其使用.docx
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1、电脑音频虚拟仪器的构建与使用原文出处:郑重声明:本文来自网络,使用本文及其涉及的技术请遵守相关法律规定前言近年来电脑虚拟仪器的发展很快。在飞速发展的计算机技术支持下,“软件即仪器”的理念得到了充分的发挥。计算机加软件配合合适的AD/DA界面和传感器/控制器,就可以完成形形色色的传统仪器的所有功能,应用领域遍及现代科技的各个方面,大有星火燎原之势。而且由于其成本较低,升级容易换代快,维护简单,特别是数据的采集、分析、管理做到了智能化,大大提高了工作效率,在科研、计量、工控、自控等应用上特别受青睐,发展势头已将传统仪器远远抛在了后面,并将持续下去。但是一般的虚拟仪器对于普通电子爱好者来说仍然是太昂
2、贵了,而且由于通用的虚拟仪器要考虑高速信号,往往采用高速低分辨率的AD/DA芯片,一般分辨率只能达到8至12位,这对于电子爱好者常用的音频领域恰恰不够精确。在现代多媒体电脑上,声卡已经成为一个必不可少的重要组成部分,它给我们提供了丰富多彩的视听娱乐和有声交流功能,使“多媒体”的名称名副其实。但是你是否知道,利用声卡高精度的AD/DA变换界面,加上合适的软件,就可以构成功能十分强大的音频(超音频)虚拟仪器呢?并且,如果使用足够好的声卡,配合比较简单的扩展设备和传声器/放大器,再选用本文介绍的软件,将是目前音频虚拟仪器的最强、最佳选择。限于篇幅和时间,本文主要介绍一些原则性的测试方法,期望起到抛砖
3、引玉的作用,给有兴趣的爱好者引个路。具体的应用还需要大家不断学习、探索,详细的软件应用方法将在2004年无线电杂志以及本站连续刊登介绍。1.声卡的选择 声卡担负着模拟信号进出大门的重任,其性能如何,对虚拟仪器的精度有着最直接的影响,因此选择合适的声卡是非常有必要的。从分辨率看,一般电脑多媒体声卡为16位,取样频率为44.1/48KHz,而现在的主流中高档声卡大多具备了96KHz/24bit的取样精度,好的专业声卡甚至能达到输入/输出兼备的192KHz/24bit取样精度。从音频处理的技术指标看,许多质量良好的廉价声卡已经超越了一般模拟仪器,而高档的专业声卡更是具有极其优异的指标。这也不奇怪,因
4、为专业声卡本身就是为专业的录音、监听、音频处理而设计的,是音频传播的门槛,理应具有良好的素质。例如,顶级的专业声卡频率响应可以从几Hz平坦地延伸到数十KHz至接近100 KHz,波动在正负0.1dB以下,噪声水平在-110dB以下,动态范围大于110dB,总谐波失真和互调失真远小于万分之一,通道分离度能达到 100dB这样的声卡已经超越了绝大多数模拟设备的指标,足以应付最苛刻的应用要求,也足以胜任高精度电脑音频虚拟仪器的要求,乃至于数十KHz的超声波研究。当然了,顶级的专业声卡价格昂贵,一般相当于一套主流电脑的价格,大多数业余爱好者不能或不愿承受,但比起模拟测试仪器来说还是便宜很多,而且软件升
5、级没有限制。不过近来电脑音频设备市场看好,许多专业声卡厂家推出了“准专业”声卡进军多媒体市场,素质良好,支持多声道,价格也便宜很多,用途广泛,很适合业余爱好者选用。如果再“抠门”一点,精选百元级优质声卡也是可以应付一般的声学测量的,因为我们知道声学测量的瓶颈一般在于传声器而不是电路。当然这时最好对声卡模拟电路进行“打摩”如更换运放和输出电容等,以得到更好的效果。介绍一些具体的声卡品牌。顶级声卡首选Lynx Two/Lynx 22,据笔者所知是目前世界上指标最优秀的声卡,价格一千美元左右。类似的其它专业声卡有RME,比Lynx还贵(主要因为支持的声道数多)。另外如果单为测试用,一些专业的测试用A
6、D/DA界面设备也可用(例如Sound Technology公司的产品),不过可能更昂贵,而且功能少,指标也未必更强,但好处是可以找到USB接口型的,可配合笔记本电脑使用。这类声卡可以进行精确的电路测试,如作为其它声卡、碟机、功放等设备的输入输出参考标准进行测量,声学测试更是不在话下。中高档声卡包括许多一般的专业声卡和高级多媒体声卡,价位在一两千元,其中有些是USB接口型的。较好的有Terratec DMX 6Fire 24/96、M-Audio Audiophile 2496、创新Audigy2等。特别说明,Terratec DMX 6Fire 24/96的性能指标比较好,而且该公司目前在中
7、国市场的推广力度大,价格相对合理,服务有保障;而创新则是多媒体市场的龙头,游戏和DVD功能出色。这类声卡可以进行一般的电路测试和比较精确的声学测量。中低档声卡的型号很多,Terratec、M-Audio、创新等公司都有许多型号,还有许多其他二线公司的产品,一般售价数百元。有些指标相当不错,例如Terratec DMX XFire1024,价格不到200元,44.1/48KHz下的表现甚至可以与不少中高档多媒体声卡叫板,只不过不支持24bit/96KHz取样,声道数也少,因而便宜。大家可以从电脑类报刊杂志、网站找到很多有关的参考资料。低档声卡数不胜数,这里推荐两款。其一是创新的VB128或PCI
8、128,核心是一样的,售价百余元。这款声卡的特点是音质相当不错,可以与中档声卡媲美。由于是符号AC97标准的声卡,采用与核心分离的CODEC(AD/DA芯片),再加一级运放输出模拟信号,“打摩”的余地不小,可以获得更好的音质。另一款声卡是CMI8738,售价仅四五十元。这个声卡很有特点,其音质不算很好,但是频率响应特别好,可以与专业声卡相比,特别是其能够处理直流信号的能力更是鹤立鸡群,无人可比,具体内容见第六节。另外说明,这两款“平民”声卡面世日久,产量极大,在二手市场很容易找到,只用1/3原价即可买到,性能是一样的,更是非常超值!2.硬件构筑 首先提醒大家,要测量可能输出大于5V信号的设备(
9、例如功放),一定要对声卡的输入端口进行保护,否则一旦输入过载,极易损坏声卡。特别是价格昂贵的中高档声卡,更应该小心保护,以免带来大的损失。笔者在试验过程中未加保护时烧坏了好几块声卡,请大家引以为戒!合适的保护措施包括衰减网络和过压抑制,如图1所示。如果测量电网交流电信号,必须另加隔离电路!图1 图中的电位器可以用带刻度的精密电位器,但最好不要用多圈线绕式的,因其电感量大,易使高频信号衰减严重。最好是用多段开关配合固定电阻来构成,例如用优质的多段音量电位器。保护二极管最好用2-4V的瞬态抑制二极管,或稳压管,不推荐普通二极管串联的方法,因其高频特性差。由于工作于交流状态,需要两只反向串联。最基本
10、的硬件只要声卡和输入输出信号线就够了,可以进行一般的线路信号测试。但由于其输出电平和功率有限,也不能进行声学测试,因此一般还需要增加功放电路和传声器。如果用专业的电容传声器,就需要特殊的供电电路提供极化电压,并且需要专门的前置放大电路。图2给出了基本的电脑音频测试系统的原理框图,大家可以参考有关资料具体设计其中的每一部分。图2 后面我们会看到,笔者介绍的系统是可以进行脉冲信号测试分析的,因此有合适的脉冲发生器是需要的,这也是一些价格昂贵的专业测试系统所必备的功能,很有实用价值。当然用软件产生脉冲信号是可能的,问题是一般的声卡根本不能正确输出需要的脉冲,除非你拥有顶级的专业声卡,可以输出近100
11、KHz信号,否则一般的20KHz带宽根本不够。我们希望脉冲信号仍然受控于电脑软件,如图3所示,用简单的555定时器电路加过零触发电路,将软件产生的正弦波形作为触发输入即可。脉冲宽度约5uS,即带宽200KHz。图3 另外需要说明,用于音频测试的计算机是有要求的,应该是配置简单、性能稳定、电磁干扰小的系统,否则难以达到应有的性能指标。一般来讲音频测试并不需要很高速的计算机,因此可以用“过期”的低速系统(主频四五百兆以上,内存尽可能大)来构建测试平台,并辅以合理的降噪、隔离、屏蔽措施。这样的硬件系统可以说是非常简单的,但它已足以胜任绝大多数常见的专业测试系统所能进行的测试项目,其它的工作我们要依赖
12、软件的强大处理能力。3.软件“三剑客”简介 目前适合配合声卡作为音频虚拟仪器使用的软件有好多种,其中包括专门为声卡音频虚拟仪器设计的软件。但笔者只推荐三种软件:Spectra,Adobe Audition(原CoolEdit),和RMAA。这三种软件的共同优点是功能强,精度高,数值特别精确,图示非常精细,可以放大到很高倍率,展示出分毫毕现的图示化分析结果,完全可以满足专业化测量测试的要求,对于业余应用更是绰绰有余。另外,三种软件中RMAA是免费软件,另两种的试用版都可以使用全部功能,而有些功能不咋地的软件试用版却设置种种障碍而无法实用。要知道Adobe Audition 1.0的售价为299美
13、元,而Spectra LAB432的全功能版价值3995美元!对于囊中羞涩的电子爱好者,这种天价软件的全功能试用版何等可爱!因此它们都非常值得推荐。三种软件的侧重点不同,各有长处,互为补充,即便是免费的RMAA也具有特有的非常实用的功能,决不可小觑!根据不同的测试项目选用不同的软件,将使你拥有一套音频测试的倚天利剑!根据笔者的实验,三种软件结合可以完成几乎所有的常见专业音频测试项目,并且自由度更大,可以设计非常复杂的测试信号和自由设计测试过程。不过有些项目的测试操作和计算分析可能比某些专业的软硬件系统复杂些,这当然也是可以理解的。先来看Spectra,最高版本Spectra LAB432。这可
14、是身出名门,由著名的惠普公司分离出的Sound Technology公司推出的音频分析软件。Spectra LAB即“频谱分析实验室”的意思,其主要功能也正是图示化的频谱分析,也可以产生常用的测试信号,最大的特色是可以进行三维频谱分析,为我们进行脉冲响应测试分析提供了可能性。再看Adobe Audition,最新版本1.0,2003年8月才发布。是由Syntrillium公司开发的CoolEdit Pro2.1变化而来,因为2003年中Syntrillium公司被Adobe公司收购了。CoolEdit的意思是“(音乐)酷编辑”,本来是为录音和多轨音频编辑处理而设计的,但是由于其波形发生和处理的
15、强大功能,使其可以产生和编辑几乎任意的波形,因此作为音频虚拟仪器软件很合适。最后说说RMAA,即“Right Mark Audio Analyzer”,意即“客观音频分析软件”,是由俄罗斯硬件资讯网站IXBT.com开发的音频硬件测试软件,最新版本5.2,2003年12月8日才发布。可别小看它是免费软件,功能可一点不弱,不但可以快速测试频响、噪声、动态范围、谐波失真、互调失真、通道分离度等全部项目,更为可贵的是提供了频响校正、全频带谐波失真测试等独有的功能,使用很方便,十分值得推荐!4. 音频测试项目简介 4.1. FFT首先介绍一个最重要的概念:FFT,即快速傅立叶变换,上述软件的许多测试项
16、目都是基于快速傅立叶变换分析的结果。这是现代电子学频谱分析的常规手段,特别是引入计算机技术后,更是方便快捷而且直观精确的不二选择。简单讲,一般信号波形的记录都是以时间-幅度相关的形式直观表现出来的,称为时域分析;而快速傅立叶变换就是分析计算信号波形中的频谱成分强度,将其能量从时间积分,从而得出频率-能量相关的形式,称为频域分析。注意这里讲的是频率-能量相关,而非一般认为的频率-幅度相关,因为傅立叶变换实际上已经无法确认信号不同频率间的幅度关系,而只能计算出其能量关系。理解这一点对理解快速傅立叶变换分析的结果很重要,据笔者所知大部分教科书或工具辞书都没有讲明这一点,软件的帮助文件也常常做出频率-
17、幅度相关的错误解释,所以提请读者注意。对于完全随机分布的信号,例如白噪声、粉红噪声,其每一频段能量平均分布在所有时段,因此与振幅是完全成正比的,故而FFT分析的结果称为频率-幅度关系也是可以的;但对于那些各频段能量分布随时间变化的信号,例如对数扫频信号、一般的语音、音乐,就不能这样理解了,事实上它们的高频部分振幅与低频相同或甚至更高,但FFT分析的结果却是低于低频的,因为它们占的时间比例小,这时必须用能量的观点去理解,否则会令人困惑,这是笔者长时间学习和分析思考得出的结论。在用Spectra和Adobe Audition进行扫频测试时,上述思路会对我们分析和做结论有所帮助。例如对数扫频的振幅实
18、际是恒定的,但FFT分析的结果为-3dB/oct衰减(oct:octave,八度音,倍频程)。4.2. 频率响应测试 频率响应的平直与否直接关系到重放频带的范围以及重放信号的保真度。对于所有电声设备,频率响应无疑是最基本的指标,因而成为所有测试项目中最基本的一项。传统的频率响应测量大多采用扫频/点频信号或白噪声/粉红噪声信号,电路测试比较简单,只需将待测设备接入回路并调节好回路电平即可,声学测量大多在专业消声室进行。由于消声室构造复杂投资大而难以普及,近几十年开发了许多适用于普通房间环境的测试方法和测试系统,其基本原理一般都是用一个合适的时间窗口来接受信号,其它时间关闭以舍去反射的影响。近年来
19、计算机技术的进步使得复杂的程序和计算得以快速完成,FFT分析普遍使用。现在几乎所有的专业测试系统都是基于计算机的,大多具有时间窗口功能,可以在普通环境进行声学测试,比较好的系统具有脉冲响应FFT分析和前/后沿累积频谱三维显示功能,能够对电声器材的特性进行更全面和深刻的反映。这些系统当然都是相当昂贵的,不过本文介绍的软件可以完成所有类似的测试项目。先说噪声测试,即用白噪声、粉红噪声作测试信号。Spectra和Adobe Audition都可以产生精确的噪声,而RMAA的普通测试模式为一段类白噪声,频带范围为5Hz至1/2取样频率,其实质是一系列点频的混合,在 1KHz至10KHz间最密集,而且其
20、高低频都有衰减,其目的是与实际的音乐频谱尽量接近,并不是严格的白噪声。再看扫频测试。Spectra和Adobe Audition都可以自己定义扫频特性,特别是Adobe Audition,可以非常自由地产生想要的信号。RMAA的声学测量模式为20至20000Hz的对数扫频,但与Spectra和Adobe Audition的分析方法有所不同,正常的结果是完全平直的。脉冲响应测试和FFT分析需要Spectra和Adobe Audition配合,也可以称为“瞬态响应”,放到5.4节讨论。4.3.信噪比信噪比是反映器材质量的又一重要指标,由器材产生的与输入信号无关的信号都是噪声。信噪比指的是设备能够处
21、理的最大信号与噪声的比值,一般以最大信号为0dB,噪声用负分贝值表示,即在最大不失真信号的若干分贝以下,取正值就是信噪比。噪声大的设备会将小信号淹没,丢失许多信号细节,因此噪声应该越小越好。噪声也是有频带的,有时可能频带很宽,但我们计量时一般只取音频范围,而且要用人耳的敏感曲线(A计权)去均衡,可以得到实用的,也是更好看的噪声指标。例如-120dB的噪声表示噪声有效值是最大不失真信号的百万分之一,差不多是现代声卡、放大器所能达到的最好水平。而-80dB 的噪声表示噪声有效值是最大不失真信号的一万分之一,只能算一般水平。噪声的测量是比较简单的,只需测量无输入信号时的输出电平即可,不过要注意应该将
22、设备的增益调节到最大不失真状态,否则会给出虚假的高指标。这在任何测试系统里都是一样的。在用FFT分析时可以引入“分段噪声”的概念,与我们听音的要求是不一样的。例如某系统的噪声是-85dBA,那么一般认为-85dB以下的信号就无法还原了。但事情并没有那么简单,-85dBA的噪声到底是由哪些频段产生的呢?图4 让我们看一看噪声频谱分析的情况。如图4,这是一个典型的主板集成声卡的噪声频谱,由Adobe Audition分析出的结果。RMAA测试的结果为噪声水平-53.0dBA,可以说是相当差的结果,而且二者是吻合的。由图中我们可以看出,其噪声能量大部分分布在300Hz以下,而且主要是由50Hz和75
23、Hz的谐波产生的,可以推断是交流电源和显卡的干扰造成的,而其余频段则能量小得多,到 1KHz以上都在-86dB以下。这就是“分段噪声”的体现。怎么理解上述的分析结果呢?简单的办法就是将上述曲线看作“掩蔽曲线”(峰谷多的地方取峰值顶点连线),凡是频谱在此曲线以下的信号都是不可能正确还原的,而不是简单的所有低于-53.0dB的信号。比如在1KHz以上-80dB的信号就可以还原(当然质量不高),由FFT分析检测出来,实际上人耳也有类似的检测能力,只不过由于掩蔽效应,灵敏度比计算机的精确FFT分析要低很多。4.4.动态范围动态范围是指设备能够处理的最大信号与最小信号的比值。这个概念容易与“信噪比”的概
24、念混淆,那么二者有什么区别呢?可以理解,小于噪声幅度的信号是无法正确还原的,但是有的设备能够在无信号或信号特别低时从某些环节将噪声连同小信号切除,从而得出更好的信噪比指标(这就是“动态降噪”的基本原理)。这时实质上还是无法正确处理小信号的,而动态范围的测量就可以避免这样的人为优化。动态范围的测量是用一个小信号(一般用-60dB/1000Hz 的正弦波)输给设备,然后滤除信号,测量其余频率的噪声和谐波水平,再用最大信号与之相比,结果就是动态范围。可以预见动态范围一般要低于信噪比,但在没有特殊电路或软件处理噪声的情况下,一般二者差距不大,可以互相参考。图5给出了动态范围测试的结果。这里基本没有产生
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