張震邦，汪小名，吳偉斌，劉落實(shí)，黃冰瑜，郭協(xié)明，陳燊豪

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510642；2.廣州智維電子科技有限公司，廣州510641）

0 引 言

音響及多媒體系統(tǒng)一體化產(chǎn)品在汽車中的應(yīng)用日益廣泛。車載音響設(shè)備已成為汽車中必不可少的一部分，有必要對(duì)汽車音頻系統(tǒng)進(jìn)行性能檢測(cè)。評(píng)價(jià)音頻設(shè)備的性能指標(biāo)主要包括頻率響應(yīng)、總諧波失真、動(dòng)態(tài)范圍和共模抑制比等。目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)了可用于測(cè)量音頻設(shè)備的各類分析儀器，具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。但這些硬件儀器功能單一，圖形顯示效果差，存儲(chǔ)打印性能低，可擴(kuò)展性也差，而且價(jià)格昂貴令用戶難以承受［1-5］。

為了克服傳統(tǒng)音頻分析設(shè)備的缺陷并提高汽車音頻設(shè)備的測(cè)試效率，本文以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“車載音視頻及多媒體信息集成系統(tǒng)通用技術(shù)條件”為參考，提出一種新的音頻分析設(shè)計(jì)技術(shù)。該技術(shù)基于虛擬儀器的思想，可方便準(zhǔn)確地對(duì)汽車音頻設(shè)備進(jìn)行整體的性能測(cè)試。

1 測(cè)試系統(tǒng)工作原理及硬件組成

1.1 測(cè)試系統(tǒng)原理和硬件總體架構(gòu)

該檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要由高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成，硬件以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，系統(tǒng)軟件采用LabVIEW和Sound and Vibration，包含可定制的收音機(jī)控制模塊（Radio Control）和音頻信號(hào)分析模塊（AudioAnalyzer）等。采用LabVIEW 開(kāi)發(fā)，具有低成本和可靈活擴(kuò)展等特點(diǎn)，同時(shí)系統(tǒng)軟件能保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行和應(yīng)對(duì)以后的更新測(cè)試項(xiàng)目。本系統(tǒng)應(yīng)用了數(shù)字信號(hào)處理、虛擬儀器技術(shù)、測(cè)控技術(shù)及計(jì)算機(jī)等多方面的技術(shù)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了車載收音機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的精密測(cè)試［6-8］。

測(cè)試系統(tǒng)原理如圖1、2所示。車載音頻系統(tǒng)是調(diào)幅/調(diào)頻（Amplitude Modulation/Frequency Modulation，AM/FM）、DVD/CD、功放和液晶顯示屏等組成的一體化裝置。本方案針對(duì)收音機(jī)部分，采用的測(cè)試方案是由音頻信號(hào)發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試信號(hào)，信號(hào)通過(guò)車載收音機(jī)裝置，測(cè)試輸出通道的音頻參數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)分析。需要注意的是，在功放輸出端測(cè)量AM/FM接收機(jī)的4個(gè)輸出通道音頻性能，測(cè)量結(jié)果實(shí)際反映的是AM/FM和功率放大器的整體性能。

圖1 AM/FM測(cè)試系統(tǒng)示意圖

圖2 音頻放大器測(cè)試系統(tǒng)示意圖

1.2 系統(tǒng)各組成部分功能

1.2.1 待測(cè)試車載音視頻設(shè)備

音頻設(shè)備為Cruze CE8945。

1.2.2 4通道NI 9234數(shù)據(jù)采集卡

NI 9234作為4通道C系列動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊，可以測(cè)量來(lái)自集成電路壓電式與非集成電路壓電式（IEPE）傳感器的信號(hào)。具有4路同步采樣模擬輸入，±5 V輸入范圍，24 bit分辨率，102 dB動(dòng)態(tài)范圍，抗混疊濾波器，每通道最高51.2 kS/s采樣速率，在本系統(tǒng)中用于采集4通道音頻信號(hào)。

1.2.3 4槽NI cDAQ-9174

NI cDAQ-9174 Compact DAQ 4槽USB機(jī)箱適用于混合信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)。cDAQ-9174最多可與4個(gè)I/O模塊結(jié)合，以自定義搭建模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用戶能夠通過(guò)cDAQ-9174配置的硬件定時(shí)數(shù)字NI C系列模塊，訪問(wèn)4個(gè)內(nèi)置的32 bit通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，設(shè)計(jì)正交編碼器、PWM、事件計(jì)數(shù)、產(chǎn)生脈沖序列，以及測(cè)量周期或頻率，與NI 9234模塊共同構(gòu)成數(shù)據(jù)采集硬件模塊。

1.2.4 1 kHz、0 dB 的測(cè)試光盤(pán)

1 kHz 0 dB標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)，符合DVD/CD系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，常被用于音頻系統(tǒng)的功率放大器性能。

1.2.5 12 V直流電源

設(shè)備使用電源電壓為DC 12 V。

1.2.6 AM/FM信號(hào)發(fā)生器

SG-1501B信號(hào)發(fā)生器頻率覆蓋范圍由100 kHz～150 MHz，開(kāi)路時(shí)輸出電平范圍為-20～126 dBμV，AM調(diào)制范圍為0% ～60%，F(xiàn)M調(diào)制范圍為0～100 kHz，通過(guò)RFSG產(chǎn)生RF Signal射頻信號(hào)，作為車載收音機(jī)的輸入測(cè)試信號(hào)。

1.2.7 PC機(jī)

PC個(gè)人臺(tái)式計(jì)算機(jī)，主頻為2.00 GHz，內(nèi)存為2.00 GB，硬盤(pán)容量為320 GB。

2 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)思路

軟件的用途主要有采集音頻信號(hào)數(shù)據(jù)，音頻性能各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試和數(shù)據(jù)記錄與顯示。對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行初始化設(shè)置，將采集到的各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、處理和顯示［9-14］。其流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.2 軟件總體架構(gòu)圖

基于LabVIEW和聲音和振動(dòng)（Soundand Vibration）工具包的音頻測(cè)試系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)主要由以下幾部分構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 主程序軟件架構(gòu)圖

計(jì)算機(jī)虛擬儀器音頻測(cè)試系統(tǒng)各部分功能說(shuō)明如下：

（1）DAQmx數(shù)據(jù)采集設(shè)置?？刂芅I 9234，設(shè)置采集相關(guān)參數(shù)如采樣率、采樣通道等。

（2）原始信號(hào)波形、頻率顯示。顯示所采集的原始信號(hào)波形、頻率、幅度等。

（3）交流毫伏表。測(cè)試信號(hào)的交流有效值。

（4）諧波失真測(cè)量。測(cè)試信號(hào)THD，SINAD，以及THD+D等失真信息。

（5）增益、RMS測(cè)量。測(cè)量信號(hào)使用漢寧窗計(jì)算線性平均直流與均方根數(shù)值。

（6）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄保存。用于記錄測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)結(jié)果并記錄到文件中。

（7）其他。拓展測(cè)試模塊如聲音強(qiáng)度測(cè)量和音階分析等。

工具包的內(nèi)容有基帶和縮放FFT的頻率測(cè)量、THD、SINAD以及正弦掃頻等相關(guān)的倍頻分析，以工程單位為基準(zhǔn)校準(zhǔn)結(jié)果。

2.3 軟件界面

軟件界面分為原始信號(hào)波形顯示和各測(cè)試項(xiàng)目數(shù)據(jù)讀取。

原始信號(hào)波形顯示如圖5所示，主要功能為設(shè)置采集通道和采樣率等參數(shù)，通過(guò)4通道同時(shí)采集到的波形數(shù)據(jù)分成不同顏色顯示在虛擬示波器上，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果可以保存到Excel文件中。

圖5 原始信號(hào)波形顯示界面

各測(cè)試項(xiàng)目數(shù)據(jù)讀取如圖6所示，主要顯示信號(hào)的頻譜圖以及各項(xiàng)性能參數(shù)，并可通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的記錄，將與測(cè)試相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)記錄到自定義命名的Excel表格中，方便后期的數(shù)據(jù)處理與核實(shí)。

圖6 各項(xiàng)測(cè)量顯示界面

3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和誤差分析

3.1 測(cè)量?jī)x器簡(jiǎn)介

系統(tǒng)失真度采用TDM-1911失真儀進(jìn)行測(cè)量，失真度測(cè)量范圍為0.01% ～30%，電平測(cè)量范圍為100 mV ～100 V。

ST16A示波器。該型號(hào)示波器的Y軸偏轉(zhuǎn)因數(shù)為5 mV ～ 5 V/div，掃描時(shí)間因數(shù)為0.1 s/div ～ 0.1 μs/div±3%。

GVT-427B毫伏表，測(cè)量范圍為300 μV～100 V。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和誤差分析

測(cè)試項(xiàng)目采用虛擬失真計(jì)作為讀取測(cè)試結(jié)果的儀器，輔助以信號(hào)發(fā)生器，虛擬示波器，虛擬毫伏表等儀器。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)真值由真實(shí)儀器測(cè)量所得，真實(shí)儀器包括失真儀、示波器和毫伏表。

測(cè)試系統(tǒng)絕對(duì)誤差為

式中：Δ為絕對(duì)誤差；A為測(cè)量值；L為真值。

相對(duì)誤差為

式中：δ為系統(tǒng)測(cè)試相對(duì)誤差；（試驗(yàn)中以真實(shí)儀器所測(cè)值作為真值，真實(shí)儀器誤差忽略不計(jì)）。

平均相對(duì)誤差絕對(duì)值按照式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中：｜δn｜為第n次測(cè)量時(shí)的相對(duì)誤差絕對(duì)值。

表1為3次虛擬儀器的測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差百分比和平均相對(duì)誤差絕對(duì)值。

表1 各項(xiàng)目測(cè)試數(shù)據(jù)和誤差

3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比和分析

圖7分別為第1～3次虛擬儀器測(cè)量數(shù)據(jù)與真實(shí)儀器測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)擬合圖。圖中，x為真實(shí)儀器測(cè)量值，y為虛擬儀器測(cè)量值。

圖7 3次測(cè)量數(shù)據(jù)擬合曲線

可見(jiàn)，以真實(shí)儀器測(cè)試的結(jié)果作為參照對(duì)象，虛擬失真計(jì)的幾次測(cè)量結(jié)果，出現(xiàn)過(guò)3次較大的誤差，分別是14.285 7%，11.111 1% 和8.333 3%，失真誤差比較大，是由于屏蔽效果不好產(chǎn)生噪音信號(hào)干擾引起不穩(wěn)定失真，其他在13% ～15%之間，平均相對(duì)誤差絕對(duì)值在0%～5%之間，基本符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量誤差要求［15］。

由真實(shí)儀器測(cè)量數(shù)據(jù)和虛擬儀器3次數(shù)據(jù)在Excel中做數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果可知，3次的擬合直線公式分別為：

回歸系數(shù)分別為R2＝0.997 8，R2＝0.998 2，R2＝0.998，非常接近于1，說(shuō)明擬合的效果很好，虛擬儀器測(cè)試結(jié)果與真實(shí)儀器測(cè)試結(jié)果非常接近［16-18］。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。對(duì)車載音響性能的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)AM性能、FM性能和音頻功率放大器性能的測(cè)試。通過(guò)對(duì)虛擬儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果和真實(shí)儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，本系統(tǒng)的相對(duì)誤差在0% ～12%之間，3次測(cè)量相對(duì)誤差平均值在0% ～5%之間，基本滿足測(cè)試的要求，擬合曲線的回歸系數(shù)非常接近1，總體虛擬系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果非常接近。

（2）傳統(tǒng)儀器的功能相對(duì)單一。本系統(tǒng)還能拓展其他的測(cè)試以及對(duì)現(xiàn)有模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，在功能上更加靈活，如系統(tǒng)中添加的聲音強(qiáng)度測(cè)量和音階分析等，后期的開(kāi)發(fā)能夠使整個(gè)系統(tǒng)保持與當(dāng)今主流設(shè)備匹配，減少更新硬件儀器的費(fèi)用［19-20］。

（3）與傳統(tǒng)儀器相比。本系統(tǒng)能簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程，并自動(dòng)記錄及生成數(shù)據(jù)結(jié)果。原來(lái)依靠手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，測(cè)試全部項(xiàng)目需要140 min。該系統(tǒng)更加方便測(cè)量分析數(shù)據(jù)，在一次完整的測(cè)試中將測(cè)試時(shí)間縮短了約40 min，能在一定程度上提高測(cè)試效率。