一种多通道低时延同步音频信号采集分析系统

吴礼福，吕长明，陈晶晶，吴佳伟

（1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京210044；2.江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京210044）

0 引言

随着社会的快速发展，各种噪声问题日益突出。要解决噪声问题，必须对噪声进行准确的测量与监控[1]，因此近年来汽车鸣笛抓拍、城市环境噪声监控等系统的需求量逐渐增加，这些系统中都需要多通道同步音频信号采集功能。以汽车鸣笛抓拍系统为例[2]，它通过多通道信号采集与处理实现对鸣笛声的声源定位，其重要部件是32通道甚至更多通道的声学探头，而低时延和高同步的硬件采集系统是声学探头的核心。因此，研发低时延、多通道同步音频信号采集分析系统具有明确的现实需求和广泛的应用前景。

目前，国内外音频信号分析系统在功能、性能与成本上无法同时兼顾，成本有限的分析系统在时延、同步性及通道数上常常无法满足需求，而低时延、高同步的多通道分析系统成本高、价格昂贵[3-5]。针对音频信号的频带和采样精度需求，本文选用合适的硬件架构，借助计算机的强大运算处理能力，结合LabVIEW与虚拟仪器[6]的设计思想，以降低系统开发周期与成本，提升系统的可扩展性和灵活度。以8通道系统为例，本文开发了一种低时延、高同步性的音频信号采集分析系统，该系统支持8通道信号同步采集、频谱分析、声压级计算以及录音和保存功能[7]。需要说明的是，本文的硬件结构易于将系统扩展到更多的通道数，软件架构便于增加和扩展系统的分析功能。

1 系统功能与设计

1.1 功 能

本文设计的8通道同步音频信号分析系统的主要功能有：8通道信号同步采集；音频信号的9种常用参数分析，包括频率计权声压级（Sound Pressure Level，SPL）、时间计权声压级、等效连续A声级（Equivalent Continuous A Sound Level，LAeq）、声暴露级（Sound Exposure Level，SEL）、累计百分声压级、峰值声压级（Peak Sound Level，PSL）、总声压级、有效声压级、倍频程；录音、数据保存等。其中音频信号的常用参数分析与计算完全依据国家标准，主要有：

1）频率计权声压级

为了使声音的客观参量与人耳的主观感受更接近，定义频率计权声压级（或简称声级），包括A，B，C，Z计权[8]。例如，

A计权计算公式为：

C计权计算公式为：

式中：f为频率；A1000=-2.000 dB；C1000=-0.062 dB；f1，f2，f3，f4参数取值依据国标GB/T 3785.1-2010声级计第一部分：规范[9]。

实现频率计权的方法有两种，分别为无限冲激响应数字滤波器法和快速傅里叶变换法（Fast Fourier Transform，FFT）[10]，本系统采用FFT法。FFT算法过程中会产生频谱泄露，因此需要加窗来减少频谱泄露，系统支持汉宁窗、汉明窗等7种常见窗函数。

2）时间计权声压级LAτ

时间计权声压级LAτ数学表达式为[11]：

式中：τ为时间常数，分为I档、F档、S档，其值分别为0.035 s，0.125 s，1 s；ξ是从过去某个时刻到观测时刻时间积分的虚拟变量；PA(ξ)为A计权瞬时声压；P0=20 µPa为基准声压。

3）等效连续A声级LAT

等效连续A声级LAT的数学表达式为：

式中：T为测量时间，单位为s；PA为瞬时A计权声压，单位为Pa。在实际测量中，将式（4）离散化为：

式中：PA(n)为瞬时A声级，单位为dB，n为采样序列编号；N为t1～t2这段时间内的采样点总数。

4）声暴露级LAE

声暴露级是单次噪声事件的评价量，其数学表达式为[12-13]：

式中：LAT为等效连续A声级，单位为dB；T1为时间平均声级测量时间间隔，单位为s；T0为参考时间间隔，单位为s。

5）累计百分声级

累计百分声级包括L10，L50，L90，表示在规定时间内有相应百分比的时间（或采样数）超过该声级。如L10=60 dB，表示在规定时间内有10%的时间（或采样数）声级超过60 dB。

6）峰值声压级、总声压级、有效声压级

峰值声压级是在一定时间间隔中最大的瞬时声压值，用PSL表示。总声压级是同一个声源在不同点的声压级之和或者多个声源在某一点的总声压级之和。有效声压级是在一定时间间隔内，某点的瞬时声压对时间的均方根值。

7）倍频程

为了分析各个频带范围内声能量的分布，对频率范围进行频带划分，通常采用相对恒定带宽比方法划分频带，称为倍频程频带。每个频带内都有上限频率f1、下限频率f2和中心频率f0。上限频率f1和下限频率f2的数学关系式为：

式 中，当N为1时 称1倍 倍 频 程，N为1 3时 称1 3倍频程[14]。

将声信号的全频带划分为多个相连的倍频程子频带，那么任意子频带的上限频率和其相邻子频带的下限频率相同，某一频带的位置可用中心频率f0表示，其满足以下的数学关系：

本文依据国标GB/T3241-2010规定的中心频率以及上下限的截止频率[15]，采用FFT实现倍频程分析。

1.2 硬件模块

硬件模块的核心是基于USB总线的高性能多通道数据采集单元，每个单元可进行8路单端16位高速同步模拟信号采集，其信号处理部分和电源设计部分电路如图1所示。图1a）为一路输入一路输出的信号处理电路图，主要功能如下：

图1 基于USB总线的高性能多通道数据采集单元

1）模拟输入的采样：系统单次同步采集8个模拟通道的电压，返回8个浮点数的数组。配置通道并设置采样参数，启动模数转换（Analog to Digital Converter，ADC）进行采样。系统获取当前ADC缓冲区的数据个数并读取缓冲区数据，当数据个数小于等于当前缓冲区的数据个数，停止ADC采样并返回数组，采样结束。每个时钟沿触发采样时，8通道完全同步。其中ADC为16 bit，速度为100 kHz，通道输入阻抗大于1 MΩ，满量程下精度可达±0.05%FSR。

2）采样触发：采样的触发控制有软件触发和硬件触发两种。前者通过软件主动查询硬件或信号状态，符合条件则系统开始采样，其触发速度和测量精度低于硬件触发；硬件触发采用脉冲触发信号方式，触发速度快，时延低。本系统采用硬件触发方式，保证了系统的低时延特性。

3）过采样：硬件系统内置1个可选的一阶数字sinc滤波器，在采样速率较低的情况下，如果需要有效衰减信号中的高频噪声，提升采样信号的信噪比，可以选择一定倍率的过采样。本系统最高采样率是100 kHz，过采样率越高，则采样信号的上限频率越低，过采样技术适用于中低频信号的采集与分析，可以有效提高信噪比。

4）高同步性：在多通道同步音频信号采集分析系统中，采样与触发达到同步是准确采集到信号点的关键，外部基准时钟和采样触发时钟能保持高同步尤为重要。系统选用1：8时钟分配芯片，同一个时钟信号经过该芯片后被分成8路稳定且驱动能力足够强的时钟信号，其相互间的时延误差不超过100 ps，保证8通道采样的高同步性。

1.3 软件模块

系统软件采用模块化设计，采用动态加载子程序减少了内存占用量，提高了程序的加载速度。整个软件模块结构如图2所示，主要包括测量模块、采集模块、分析模块、浏览模块、保存与录音模块。

图2 软件模块结构图

系统主要测量参量的模块包括频率计权、时间计权、倍频程分析、常用噪声测量评价量等。

1）计权声压级

频率A计权的LabVIEW程序框图依据式（1）编写，如图3所示；时间计权的LabVIEW程序框图依据式（3）编写，如图4所示。

图3 A计权程序框图

图4 时间计权程序框图

2）倍频程分析

1倍倍频程LabVIEW程序框图如图5所示。

图5 1倍倍频程程序框图

3）常用噪声测量评价参量

常用的噪声测量评价量包括等效连续声压级、声暴露级、峰值声压级、累计百分声压级等，其LabVIEW程序框图如图6所示。

图6 常用噪声测量评价量程序框图

4）录音模块

多通道同步录音功能便于用户保存噪声样本，支持后续离线仿真与分析，例如目前的麦克风阵列信号处理，可以利用多通道同步录音功能录入多个麦克风信号以进行分析。本系统支持8通道同步录音功能，据此可以验证整个系统的低时延和高同步性，其程序框图如图7所示。

图7 录音模块程序框图

2 性能测试

2.1 时延与同步性

时延测量如图8所示。图8a），图8b）分别为现场图和实验结构图，用上位机电脑的音频输出口发出激励信号，同时将本系统的8通道音频信号输入接口连接到上位机的音频输出口，8通道数据采集系统完成信号采集后通过USB接口连接到上位机，上位机通过前述录音功能完成8通道信号的保存。为了准确测量系统的时延，必须保证上位机发出激励信号的同时，触发8通道信号的采集录音功能。因此测试时开发了内置音频播放模块，作为8通道数据采集的输入，激励信号选取正弦波，通过录入的8通道信号和原始信号对比分析时延数据。

图8 实验现场图

测试时进行多次时延测量，得到大量样本数据，统计分析后得到其均值为7.09 ms，方差为8.261 5e-06 s。因此，系统时延为毫秒级且在微秒范围内波动。此外，在上位机开启大量进程的条件下，再次进行时延的测量，发现数值变化幅度较大，因此上位机进程多少对时延测量数据有较大误差，在实际测量时可使上位机运行进程数尽量少，以提高测量准确性。

同步性的测量使用8通道录音数据间的时延分析进行计算，理论上，如果8通道数据完全同步，则8通道数据间的时延应当为0，多次实验测量结果表明，8通道之间的时延小于0.05 ms。图9给出了一次测量的结果，采用脉冲信号作为激励信号，实验表明系统具有极高的同步性。

图9 同步性测试

2.2 信号参量的误差分析

采用标准信号发生器产生1 000 Hz，110 dB的音频信号，利用本系统采集信号后分析，其1倍倍频程频谱分析如图10所示。

图10 1倍倍频程频谱分析

由图10可知，除第一频带8个通道倍频程没有完全重合，有误差存在，其他频带8通道倍频程基本重合，1 000 Hz频段内的倍频程数据符合输入信号的参量，可见系统的测量精确度高，误差小。

3 结语

本文设计了一种低时延多通道同步音频信号分析系统，涵盖了目前音频分析中的主要测量参量，实际测试表明，它能够多通道快速稳定测量，时延低、同步性高、精度较好，同时具有多通道录音保存功能。该系统兼顾性能、成本与扩展性，既可以嵌入实际音频处理系统，如作为鸣笛抓拍系统的前端采集，也可以用于现场数据采集分析，便于高校等科研机构的仿真研究。