用PC声卡采集超低频信号的方法

第25卷第1期 2004年1月 微计算机应用 MICROCOMPUTERAPPLlCATIONS 用PC声卡采集超低频信粤的方法 牛立全 (天津公安警官职业学院天津 Tr'3月 300382) 。 Vol25．NO1 Jan．，2004 抽要：本文介绍了在把超低频信号输入PC声卡之前．在PC外部对超低频信号的处理方法、 软件实现已调信号的解调和挂渡的原理和方法，并给出了实现数字滤波器的部分C语言源程序。 该方法具有成本低、多通道工作实时性好的特点，具有实用竹值。 关t调：Pc声卡超低精信号软件解调数字髑滤波■ AMethodofAcquiringUltralowFrequency瑚一t)蛔PCSoundCard NIULiquan (Ti阻jinPublicSecurityPdiceOfficerVocationalCulle酣．Tianjin．300382，China) Abstract：Inthispaper,themetllodotptoeeⅫngOltralowFreqtsmcyS印aIsoutsidePCbeforethe signalsbeinginputtedPC，andthetheoriesandmethodstodemodulateandfilterthesignals．whichhave beingmodulatedonaudiofrequencycarriers，usingsoftwareareglven．Theaimistoacquireanddisplay ONF,creellUltralowFrequencysigllals．ThemethodisthattheUItralowFrequencySignalstobeacquired &reregulatedoutsidePCmadmodulated饵l虬ldio{feq、坨ncycartier萌吣inlinearamplitudemodulating； andthen，bythemesllSofprogramming．themodulatedsignalsaleacquiredusingPCsoundcardandde— modulatedandfiltered．SotheoriginalUltralowFrequencysi¨lshavebeingrestoredanddisplayedon screen．Theconclusionisthatthemethodhasthecharacteristicsoflowoost．multi—channelworkingwell andisworthofusinginpractice． Keywinds：PCsoundcard，ultralowfrequmeysi县删，denmdulatedbysoftware．d婚tallow—passfilter PC机声卡里的A／D转换器是性能很好的A／D转换器，一个抵挡声卡里的A／D转换器 就支持双声道44100Hz的采样频率和16位的数据格式，高档声卡里的A／D转换器的性能会 更高。用声卡采集信号，不仅成本低，而且由于有现成的驱动程序．使用起来也很方便。但 是，由于可输入声卡的信号频率最低限制在20I-Iz左右．不适合直接用来采集超低频信号。 所以，要先用超低频信号对音频信号(如1000Hz信号)进行线性幅度调制，把超低频信号 载在音频信号之上，然后，再用声卡采集该已调信号。最后。通过软件解调和数字滤波就能 获得超低频信号数据。 1 计算机的外部超低频信号的处理 在计算机的外部，如果被测信号很微弱。要用放大器把璇弱的信号放大，用放大后的信 本文于2003—03—26收到，2003—10—28收到修改稿。 万方数据 —竺1期 微计算机碰用 65————————————————————————————————————————————————————————一～ 号对正弦波音频信号进行线性幅度调制‘1，⋯，把调制后的信号输入声卡的线路输入端，输入 信号的峰一峰值不要大于2V。信号输入声卡有两种方法：①直接把各路调制信号输入声卡 的各路输入端，但被测信号端电路与计算机不具有隔离性；②各路调制信号通过高隔离音频 变压器输入声卡，放大器和调制器通过高隔离DC／DC供电，使被测信号端电路与计算机具 有高隔离性。 2调幅信号的软件解调 设被测信号为虬(￡)，被调信号为UoCO't00￡，用‰(f)对“oc。S。ol进行线性幅度调制，则， 在理想的情况下，已调波信号为 M(￡)=[uo+kou，(t)]c。s∞。￡ (1) 从(1)式可看出，该调幅信号的频谱分布是，被调信号频率和其上下边带超低频电信号的 频谱。把(1)式已调波信号输入声卡，把采得的数据存入数组内存数组变量。[。](。： 0，1，2，⋯，M一1，其中，M是采样长度)中，这就完成了调幅信号的数字化工作，成 为离散信号 “(n)=[u70十女7。“：(n)]cos。on (2) 用下面的函数与(2)式相乘 m，={!i?揞：。 ㈤I—I．tI"l<¨ 得 p(n)=，(n)·“(n)=，(n)-[u70+k’觯；(n)]c0㈨on(4) 注意到(3)式的函数是周期函数，其周期与载波信号的周期相同，相乘的效果相当于 模拟电路里的环形调幅解调电路的作用。 求(4)式的平均值 石(”)2击蚤小)2击蚤m)．[Ut0+k'au；(训c呲n(5) 去掉(4)式的直流成分 户(")：声(月)一声(n) =舳)‘[U7。+k"nUs(n)]COS⋯一击圣m)。[U，o+k"aUs(n)jCOS州(6) 把(6)式看成是周期为M(采样长度)的离散时间的周期信号，其频谱必然也是离散的， 这就适合计算机处理，对(6)式进行离散傅里叶变换： 尸(^)=∑；(”)．e一舒m 2薹If(小[u’。“以(n)]cos哪一击蚤m)’[u7。“以(”)]cos⋯h哥 (7) 其中．M是采样长度，^=0，1，⋯，M一1是各次谐波。 分析(7)式可看出，已除去了直流成分，除了含有许多高次谐波外。还含有超低频电 信号的基带频谱成分，可通过低通滤波器滤除高频成分得到超低频电信号的基带频谱成分。 万方数据 微计算机应用 2004生 3用窗函数法设计FIR数字低通滤波器 (1)设计方法：一般是先给出所要求的理想低通滤波器频率响应H。(d”)，要求设计 M 1 一个FIR低通滤波器[33频率响应H(d“)=∑h(n)矿。但是设计是在时域进行的．困 H=0 而先由乩(d“)的傅里叶反变换导出h。(n)。 h。(n)=圭lHJ(一)d“dm但hJ(n)是无限长冲击响应。是非因果的，所以要用有 限长的h(n)来逼近无限长的hd(n)，最有效的方法是截断hd(n)，或者说用一个有限 长的窗口函数序列w(n)来截取h。(n)，即 h(n)=W(n)hd(n) 因而窗口函数序列的形状及长度的选择就很是关键。 (2)矩形窗：当截取长度N增加时，只会减小过渡带宽，而不会改变肩峰的相对值， 这个相对值是8．95％，则阻带最小衰减为20dB，这个衰减量在工程上常常是不够的。为了 增加阻带衰减，只能改善窗口的形状。 (3)三角窗：阻带衰减加大，使阻带最小衰减接近40dB。 (4)汉宁窗(Harming)：阻带衰减进一步加大，但代价是主瓣的宽度比矩形窗的主瓣宽 度增加一倍，即8”／N。 (5)海明窗(Hamming)：结果可将99．963％的能量集中在窗谱的主瓣内，主瓣宽度也 为8n／N，但旁瓣幅度更小，旁瓣峰值小于主瓣峰值的i％。 (6)布拉克曼窗(Blackman)：此时主瓣宽度为12“／N，阻带衰减更大。 实现以上窗函数的c语言程序，见实现窗函数C语言源程序清单。 4 FIR数字低通滤波器的实现 实现FIR数字低通滤波器通常有三种方法：采用通用计算机、采用专用的信号处理器 和通用信号处理器。本文采用通用个人计算机(PC)法。 4．1 FIR数字低通滤波器的基本结构 FIR数字低通滤波器的基本结构有四种类型：横截型(卷积型、直接型)、级联型、频 率抽样型和快速卷积型。本文采用横截型。 设FIR数字低通滤波器的冲击响应h(n)为一个N点序列，0≤”≤N一1，则滤波器的 系统函数为 N-1 H(z)=∑h(n)z1 ≈=0 它有(N一1)阶极点在z=0处，有(N一1)个零点为于有限平面的任何位置。 其差分方程表达式为 N 1 ，(n)=∑h(?rt)z(n—m) (t3) m=o 其中，z(n)是输入序列。 很明显，这就是线性移不变系统的卷积和公式，也是z(”)的延时链的横向结构，称为横向 结构或卷积结构，也称为直接型结构，滤波器的Z域函数如下； 万方数据 第1期 微计算机应用 67’————_—————-_———’————_—————————————————————————-——●———————-————^—————-—_—--____●_●-～一H(z)=B(0)+幽zI+等+KK+等(14) 其中，LB是滤波器的长度或阶数；B(LB)是滤波器的系数。 根据以上各公式，可计算出FIR数字低通滤波器函数的系数，C语言程序，见6．2节实 现滤波器函数系数C语言源程序清单。 5从已知输人序列计算出滤波器的输出序列及c语言源程序清单简介 根据(13)式，进行卷积运算，从已知输入序列计算出滤波器的输出序列的c语言程 序l“，见后面的源程序清单。 5．1实现窗函数C语言源程序清单 其中参数long*type是窗类，1为矩形窗，2为缓变矩形窗，3为三角窗，4为汉宁窗， 5为海明窗，6为布拉克曼窗；long*n是窗长度；long*k是窗内采样数据量。从1至 N 1。 doubleIcy—wndo(10ng”type，long‘n，long”k) {lon91． doubleret—val； if((*type<1lI*‘ype>6)II(*k<0 *k>=*n))I＼＼如果不是上述6种窗或 窗内采样数据量小于0或大于等于窗长度， 就退出 ret—val=0．0； retum(ret—val)；j ret—val=10； switch(*type)f ca*1： ＼＼矩形窗 break； ＼＼返回初1．0值 case2： ＼＼缓变矩形窗 l=(*n～2)／10； if(*k<=1){＼＼如果窗内采样数据量小于 等于1 ret—val=0．5*(1．0一cos((double)*k* M—Pl／ ((double)I+1．0)))；＼＼返回值 if(*k>(*n—l一2)){＼＼如果窗内采样 数据量大于*n 1 2 reI—val=0．5*(1．0一c0S((double)(*n *k一1)*M—pl／ ((douhie)l+1．0)))；＼＼返回值 break； case3：＼＼三角窗 ret—val；1．0一ABS(1．0一(double)(*k *2)1 ((double)*n一1．0))；＼＼返回值 break； case4：＼＼汉宁窗 ret—val=0．5*(1．0一cos((double) (*k*2)*M—PI／ ((double)*n一1．0)))；＼＼返回值 break； csse5：＼＼海明窗 ret—val=0．54—0．46’cos((double) (*k*2)*M—Fl／ ((double)*n一1．0))；＼＼返回值 break； ca*6：＼、布拉克曼窗 retval=0．42—0．5+cos((double) (*k*2)*M—PI／ ((double)*rt一1．0))'_0．08+cos ((double)(*k*4)*M—PI／ ((double)*n一1．0))；＼＼返回值 break； 万方数据 微计算机应用 2004自： 5．2实现滤波器函数系数C语言源程序清单 其中参数long*1是滤波器长度或阶数；float*fcn是滤波器的归一化截止频率；long *wndo是滤波器的窗口；float*b是存放滤波器函数系数的内存指针；long*erYoY是错误 信息。 voidIcyfirl(10ng。1，f10at*fcn，l。ng‘wndo，noa‘ *b．10ng+error) {longi，lim，tmpint； f10atWCn．dly； if(*l<=0){＼＼如果阶数小于等于0．退出 *em”：1；＼＼返回错误标识值1 return；I if(*wndo<1I*wndo>6){＼＼如果不是上 述6种窗退出 *error=2；＼＼返回错误标识值2 retum；j if(*fcn<=0．0l*fen>=0．5){＼＼如果归 一化频率小于等于0或大于等于0．5，退出 *error=3；＼＼返回错误标识值3 retum；l for(i=0；i<=*I；++i){＼＼存放滤波器函 数系数的内存清零 b[i]=0．0；} ＼＼生成滤波器函数系数 wcn=(玎oat)(2．0*M—PI**fcn)； dly=(门oat)(*I／20)； lim=*1／2； if(dly=；(float)(*l／2))I＼＼如果阶散是偶数 11m： b[*l／2]=(float)(wcn／M—PI)； ＼、最后的一个系数 for(i=0；i<=lim；十十i){＼＼计算出各个系数 tmpint=1+*l； b[i]=(f10at)(sin((double)(wcn*((noat)i —dly)))／(M—PI*((f10at)idly))* lcywndo(wndo，&trap—int，＆i))； b[*Ii]=b[1]；＼＼调整系数存放位置 +egror=0 5．3从已知输人序列计算出滤波器的输出序列的c语言程序清单 其中参数float*X是存放输入序列的内存；float*Y是存放输出序列的内存；long*Ix 是输入序列长度；long*ly是输出序列长度；float*b是存放滤波器函数系数的内存指针； 对于FIR低通滤波器，float*a指向0；long*1b是滤波器函数系数的长度；对于FIR低通 滤波器，long+la指向0。 voidIcy—reSp(‰t*x．n衄t”Y，long“Ix，long。 ly，noat*b，noat+a．10ng”lb．10ng’la) {longk．n； f10atsample； doublesum； ＼＼通过卷积运算从已知输入序列计算出滤波器的 输出序列 for(k=0；k<=*ly；++k)} 6结束语 sm=0．0： for(n=0；n<=*lb；++n) 蚰mple=0．0； if((k—n)>=0){ ∞mple=x[MIN(*lx，(k—n))] sum+=bin]*Sample；l y[k]=(玎0at)sum；＼＼输出序列 实践证明，用该方法对超低频信号进行采集可获得满意的效果，具有实际应用的价值。 作者可向读者提供用该方法和C++语言设计的超低频信号采集的源程序和应用程序。该应 万方数据 第1期 微计算机应用 69———————————————————————————————————————————————————————————————————————一一用程序运行在Windows98环境中，向声卡的左或右一个声道，或左右两个声道同时输入用 超低频信号线性调幅的音频信号后，运行该程序，显示器上就可显示出超低频信号的波形： 有5种窗口的数字低通滤波器可供选择；数字低通滤波器截止频率可设盏的范围是0至 500Hz；可设置任意长(或阶数)的滤波器；采样时间可从0．06s至13s连续调青；可进行 连续和单次测试；单次测试时，屏幕显示刻度线和横轴的每个刻度线的时间值；可使显示波 形的幅度和上下位置连续调节。 参 考 文 献 l陈杰美，古天祥电子测量仪器原理(下册)北京：国防工业出版社，1981． 2郑家祥，陆玉信 电子测量原理北京：国防工业出版社，1980、 3程佩数字信号处理教程．北京：清华大学业出版社．1995 4 [美]RichardC Leinecher＆TomArcher著，张艳等译．vi5IJalc++6宝典北京：电子工业出版社．1999 5钟国隆生理学北京：人民卫生出版社，2000 作者简介 牛立全，男，1969年生，讲师，工学士，主要从事计算机应用、刑事侦察技术研究和教学 I作。 HP—UX网络文件系统的配置与管理 网络文件系统(NFS)提供了在网络中共享计算机资源的机制。 中一台主机上的文件或目录共享出去，以供其他主机访问。 假设要将主机bj配置成NFS服务器，将主机sjz配置成客户机 共享输出，以供Sjz主机使用。配置步骤如下： 仍 通过NFS， 8 可以把网络 并把bj上的／efs目录 (1)配置NFS服务器：①确认LAN子系统和NFS子系统在内核中。检查方法是使用 SAM工具或使用命令kmsystem：grep—enfs—elan。如两个子系统不在内核中。则需首先 安装。②以Root登录系统并编辑NFS服务器的配置文件。 #vi／em／rcconfigd／nlseonf NUM—NFSIOD=4 NFSCLIENT。1 PCNFS—SERVER=1(可选项)。 NFS—SERVER=1 START—MOUNTD=l NUM—NFSD-4 ③启动NFs服务器。#／sbin／ink．d／nfs．Sel'gP．rstart启动NFS服务器。停止NFS服务器的 命令是／幽n／init．d／nfsserverstop。④共享输出目录。将要共享的目录信息写)'．／ere／exports文 件。 #Vi／etc／exporrs I／efs—a印瞄=曲z#共享／如目录，而且只有sjz主 ／嘟一ro#共享／唧目录，为任何客户提供只读权限。I机具有读写访问权。 执行#exportfs—a命令，将／etc／exports文件中的信息共享出去。不带选项的exportfs 显示当前服务器上已经共享出的信息。 《转107页) 万方数据 用PC声卡采集超低频信号的方法 作者： 牛立全 作者单位： 天津公安警官职业学院,天津,300382 刊名： 微计算机应用 英文刊名： MICROCOMPUTER APPLICATIONS 年，卷(期)： 2004，25(1) 被引用次数： 1次 参考文献(5条) 1.陈杰美.古天祥 电子测量仪器原理 1981 2.郑家祥.陆玉信 电子测量原理 1980 3.程佩 数字信号处理教程 1995 4.Richard C Leinecher&TomArcher.张艳 Visual C++6宝典 1999 5.钟国隆 生理学 2000 引证文献(1条) 1.廖德驹.赵艳娥 基于声卡的RLC电路稳态特性(相频部分)采集系统[期刊论文]-中山大学学报（自然科学版） 2009(z2) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wjsjyy200401013.aspx 使用：国防科技大学(gfkjdx)，授权号：06ad38e3-8cab-4663-8b0f-9ea40096f116 下载时间：2011年3月12日