CN101111103A - 数字传声器参数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自带信号发生器、采集数字传声器输出的数字信号直接进行测量的数字传声器参数测量系统及该系统的专用测量程序。本发明的测量系统去除了常规方法中附加的具有数字抽取滤波功能的电路所引入的系统误差，可以直接得到数字传声器相关的参数。本发明的测量系统的专用测量程序中使用的解码算法具有简单、灵活、易实现的优点。

Description

数字传声器参数测量系统

【技术领域】

本发明涉及一种测量电声转换器件参数的系统，特别涉及一种测量数字传声器参数的系统。

【背景技术】

在工业生产中，对这种数字传声器参数的测量大多基于具有数字抽取滤波功能的电路板，将数字信号转换为模拟信号，再通过常见的模拟传声器参数测量系统进行测量。

在2005年7月20日公开的中国专利申请03806443.X中揭示另外一种数字麦克风，该数字麦克风具有：一个换能器，用于产生代表声信号的模拟信号；和大于1的阶单比特∑-Δ调制器模数变换器，按照过抽样速率并以∑-Δ调制比特流的形式从所述模拟信号中产生数据输出信号。该数字麦克风避免了把数字抽取和滤波电路并入麦克风机壳之需要，从而给予自身更好的集成技术，该技术已被广泛的应用，但此种方法测得的结果受所用具有数字抽取滤波功能的电路板的不同而改变，引入了一定的系统误差。

在1997年6月25日公开的中国专利申请95116592.5中揭示了一种电声转换器件参数的测量方法及其测量系统，其方法是：对器件输入间断的窄脉冲信号，测出其输出信号，对输出及输入信号进行数学变换及运算处理，得到所需参数；测量系统，包括一标准传声器、一主机及其周边设备，在计算机控制系统操作程序控制下，一信号发生器给被测器件提供特定发射信号；一电子开关实时接收来自标准传声器或信号发生器的信号，经抗混淆滤波器、前置放大器、A/D转换器及采样保持器分别滤波、放大、转换及时采样后，输入到计算机控制系统进行变换及运算处理，处理结果由所述周边设备输出。

上述的技术无法对数字传声器输出的数字信号直接测量，甚至无法正确采集到数字传声器输出的高速率比特流，如何解决这个问题，就成了研究课题之一。

【发明内容】

本发明的主要目的是提供一种自带信号发生器、采集数字传声器输出的对数字信号直接进行测量的数字传声器参数测量系统及该测量系统的专用测量程序。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的测量系统主要由计算机、数据采集卡、标准传声器、特定声源和数字传声器驱动电路组成，计算机与数据采集卡连接，标准传声器与数据采集卡的模拟输入端连接，特定声源与数据采集卡的模拟输出端连接，数字传声器驱动板与数据采集卡的数字输入端和数字输出端连接。

计算机含有该测量系统的专用测量程序，可产生测试所需的各种音频信号，对采集到的被测数字传声器输出的数字信号，进行解码后计算各种参数。

测量程序使用的解码算法步骤为：

A)对采集到的数字信号每N点分帧，加汉宁窗，通过离散傅立叶变换计算得到每一帧频谱X；

B)根据频谱X构造出数字抽取滤波后应得到的频谱DX，只需对X进行理想化频域滤波，并拼接带内的频谱。设过采样率为OSR，即保留X(1)至

以及

至X(N)部分的频谱，并由此构造出

点对应的频谱；

C)对滤波后的

点频谱DX做离散傅立叶反变换，取实部后再除去

点窗函数系数，得到解码后信号dx。

数据采集卡具有模拟输入端、模拟输出端、数字输入端和数字输出端，并且具有采集Mbps量级比特流的能力。

数字传声器驱动电路可为多个被测数字传声器分别提供工作电压和工作时钟，并分别输出相应的数字信号。

本发明的技术与现有技术相比的优点是：本发明采用对数字传声器输出的数字信号直接测量的方法，而现有技术不能对数字传声器输出的数字信号直接进行测量，本发明的测量方法去除了常规方法中附加的具有数字抽取滤波功能的电路所引入的系统误差，可以直接得到数字传声器相关的参数。本发明的测量系统中专用的测量程序使用的解码算法，具有简单、灵活、易实现的优点。本发明的测量系统的测量准确性、重复性好，适用于实验室及生产线上。

【附图说明】

图1为本发明数字传声器测量系统各部分及其连接关系的结构框图。

图2为本发明测量程序中使用的解码算法的原理流程图。

图3为本发明涉及的数字传声器芯片的主要引脚图。

图4为本发明涉及的数据采集卡的主要连接关系框图。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明的技术方案作详细的说明。

本发明的测量系统主要由计算机1、数据采集卡2、标准传声器3、特定声源4和数字传声器驱动电路5组成，计算机1与数据采集卡2连接，标准传声器3与数据采集卡2的模拟输入端连接，特定声源4与数据采集卡2的模拟输出端连接，数字传声器驱动板5与数据采集卡2的数字输入端和数字输出端连接。

本发明的测量系统的数据采集卡2要求数字通道的采集能力达Mbps量级，并需要同时具有模拟输入输出通道。优先选用National Instrument的PCIE 6251，具有8个模拟输入通道、2个模拟输出通道、24个数字通道，其中有8个高速数字通道可以达到10Mbps，满足需求。配件选用配套的屏蔽接线端子17和屏蔽电缆18。

被测数字传声器7含有数字传声器芯片，具有工作电压引脚13、时钟引脚14、数据引脚15和接地引脚16。数字传声器驱动电路5为每个数字传声器7都分配了上述的四个引脚接口，工程样板中支持4路数字传声器。

系统各部件连接方法：

数据采集卡2置于计算机1的PCI Express X1插槽，数据接口通过配套屏蔽电缆18连接至屏蔽接线端子17。采集卡2的接线端子17的模拟输入端AI0和AI8组成差分输入端，转换成标准BNC接口，连接至标准传声器3；模拟输出端AO1转换成标准BNC接口，连接至特定声源4。采集卡2的接线端子的数字输入端D0、D1、D2、D3，与数字传声器驱动电路5的工程样板连接，用于采集4路数字传声器7输出的数字信号；模拟输出端AO0连接至驱动电路5工程样板，为数字传声器7提供工作电压；时钟输出端CTR1连接至驱动电路工程样板，为数字传声器7提供工作时钟，同时CTR1直接连接至采集时钟输入端PFI1；5V模拟输出端连接至驱动电路5的工程样板，为驱动电路元件提供工作电压。

本发明测量过程包括三个阶段：

一、系统自检，包括信号源自检、标准传声器3自检和数字传声器自检；

二、测量任务配置，包括数字传声器7工作状态配置和测量项目配置；

三、执行测量任务，包括系统校准和实际测量，以及结果的显示和保存。

阶段三中实际使用的测量程序6的解码算法，针对64倍过采样的A300，具体为：

A)获得16384点原始数据xi，和上一帧的16384点数据xi-1组合成32768点数据x＝[xi-1，xi]，对x加上汉宁窗得到

$x_w\left(n\right)=x\left(n\right)(0.5-0.5\cos \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{32768}\right))---\left(6\right)$

后做32768点FFT，得到X＝FFT[xw]。

其中

x_w＝[x_w(1)，x_w(2)，...，x_w(32768)]^T

X＝[X(1)，X(2)，...，X(32768)]^T

x(n)为采集到的数字信号，xw(n)为加汉宁窗后的数字信号，X(n)为加窗信号对应的频谱，hannN(n)为N点汉宁窗系数。

B)获取X的前257点X(1)...X(257)，获取X的后255点X(32514)...X(32768)，组成

DX＝[X(1)，...，X(257)，X(32515)，...，X(32768)]    (7)

其中，DX为xw(n)抽取滤波后对应的频谱。

C)对DX做512点IFFT

dxw＝IFFT[DX]    (8)

其中

DX＝[DX(1)，DX(2)，...，X(512)]T

dx_w＝[dx_w(1)，dx_w(2)，...，dx_w(512)]^T

dxw(m)为xw(n)抽取滤波后对应的信号。

取实部，并除去汉宁窗系数，获得512点解码数据

$\mathrm{dx}\left(m\right)=\mathrm{REAL}\[d{x}_w\left(m\right)\]/(0.5-0.5\cos \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{512}\right))---\left(9\right)$

其中，dx(m)为解码后的信号。

为了保证较高的解码效果，采用重叠保留法，抛去dx的前128点和后128点，得到最终解码数据

d＝[dx(129)，...，dx(384)]    (10)

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.数字传声器参数测量系统，其特征在于：设有计算机(1)、数据采集卡(2)、标准传声器(3)、特定声源(4)和数字传声器驱动电路(5)，计算机与数据采集卡连接，标准传声器与数据采集卡的模拟输入端连接，特定声源与数据采集卡的模拟输出端连接，数字传声器驱动板与数据采集卡的数字输入端和数字输出端连接。

2.根据权利要求1所述的数字传声器参数测量系统，其特征在于：所述的数据采集卡具有模拟输入端、模拟输出端、数字输入端和数字输出端，并且具有采集Mbps量级比特流的能力。

3.根据权利要求1所述的数字传声器参数测量系统，其特征在于：所述的特定声源用于产生恒定的声压。

4.根据权利要求1所述的数字传声器参数测量系统，其特征在于：所述的数字传声器驱动电路可为多个被测数字传声器(7)分别提供工作电压和工作时钟，并分别输出相应的数字信号。

5.根据权利要求1所述的数字传声器参数测量系统，其特征在于：所述的计算机含有专用的测量程序(6)，该测量程序对采集到的被测数字传声器输出的数字信号，进行解码后计算各种参数，

该测量程序的解码算法步骤为：

A)对采集到的数字信号分帧，加窗，变换得到每一帧频谱X；

B)根据频谱X构造出数字抽取滤波后应得到的频谱DX；

C)由频谱DX变换得到时域信号，取实部再除去窗函数系数得到解码后信号dx。

6.根据权利要求5所述的数字传声器参数测量系统，其特征在于：

所述的专用的测量程序的解码算法的步骤A)采用的窗函数为汉宁窗，使用离散傅立叶变换计算其频谱；设帧长为N：

$x_n\left(n\right)=x\left(n\right)\·{\mathrm{hann}}_N\left(n\right)=x\left(n\right)\·\frac{1}{2}[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{N-1}\right)],$ n＝1，2，K，N    (1)

X＝DFT[x_w]    (2)

其中

x_w＝[x_w(1)，x_w(2)，...，x_w(N)]^T

X＝[X(1)，X(2)，...，X(N)]^T

x(n)为采集到的数字信号，xw(n)为加汉宁窗后的数字信号，X(n)为加窗信号对应的频谱，hannN(n)为N点汉宁窗系数。

所述的专用的测量程序的解码算法的步骤B)对某一帧信号的频谱，进行理想化频域滤波，并拼接带内的频谱；设过采样率为OSR，即保留X(1)至

以及至X(N)部分的频谱，并由此构造出

点对应的频谱，

$\mathrm{DX}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}X\left(k\right),& 1\≤k\≤\frac{N}{2\·\mathrm{OSR}}+1\\ X(k+\frac{\mathrm{OSR}-1}{\mathrm{OSR}}N),& \frac{N}{2\·\mathrm{OSR}}+2\≤k\≤\frac{1}{\mathrm{OSR}}N\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，DX(k)为xw(n)抽取滤波后对应的频谱。

所述的专用的测量程序的解码算法的步骤C)对滤波后的

点频谱做离散傅立叶反变换，除去的窗函数系数为

点，

dx_w＝IDFT[DX]    (4)

其中

$\mathrm{DX}=[\mathrm{DX}\left(1\right),\mathrm{DX}\left(2\right),...,X\left(\frac{N}{\mathrm{OSR}}\right){]}^T$

${\mathrm{dx}}_w=[{\mathrm{dx}}_w\left(1\right),{\mathrm{dx}}_w\left(2\right),...,{\mathrm{dx}}_w\left(\frac{N}{\mathrm{OSR}}\right){]}^T$

dxw(m)为xw(n)抽取滤波后对应的信号。

$\mathrm{dx}\left(m\right)=\mathrm{REAL}\left[{\mathrm{dx}}_w\left(m\right)\right]/{\mathrm{hann}}_{\frac{N}{\mathrm{OSR}}}\left(m\right)$

$=\mathrm{REAL}\left[{2\mathrm{dx}}_w\left(m\right)\right]/[1-\cos \left(\frac{2\mathrm{\πm}}{\frac{N}{\mathrm{OSR}}-1}\right)],m=\mathrm{1,2},K,\frac{N}{\mathrm{OSR}}---\left(5\right)$

其中，dx(m)为解码后的信号，

为点汉宁窗系数。

7.根据权利要求5所述的数字传声器参数测量系统，其特征在于：所述的专用的测量程序可产生测试所需的各种音频信号。

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