在Python下实时显示麦克风波形与频谱

痛定思痛。 2022-02-17 14:51 737阅读 0赞

1.  [随机信号][Link 1]
2.  麦克风频谱图 <- 本文内容
3.  [RTL-SDR频谱图][RTL-SDR]
4.  [FM解调][FM]

[本文程序][Link 2]

运行截图

![程序运行截图][1.gif]

在上一篇中已经实现了实时显示随机的信号, 那么要实现麦克风的音频信号显示, 待实现的就是:

1.  从音频接口读出数据.
2.  转换数据格式, 显示实时波形.
3.  做FFT, 显示频谱.

### 音频接口 ###

音频接口用的是[pyaudio][], 而且是直接用的Record这个例子, 但读取数据由调用函数读取改为callback读取, 把数据放在了一个queue里面, 这样子写好之后就不用管他了. 需要数据的之后直接读取这个queue就好了.

def audio_callback(in_data, frame_count, time_info, status):
        global ad_rdy_ev
    
        q.put(in_data)
        ad_rdy_ev.set()
        if counter <= 0:
            return (None,pyaudio.paComplete)
        else:
            return (None,pyaudio.paContinue)

另外还包括一个event, *ad\_rdy\_ev*也就是数据OK时, 通知处理部分程序用的Event.

### 数据处理. ###

这部分我是放在一个thread里面执行的,

def read_audio_thead(q,stream,frames,ad_rdy_ev):
        global rt_data
        global fft_data
    
        while stream.is_active():
            ad_rdy_ev.wait(timeout=1000)
            if not q.empty():
                #process audio data here
                data=q.get()
                while not q.empty():
                    q.get()
                rt_data = np.frombuffer(data,np.dtype('<i2'))
                rt_data = rt_data * window
                fft_temp_data=fftpack.fft(rt_data,rt_data.size,overwrite_x=True)
                fft_data=np.abs(fft_temp_data)[0:fft_temp_data.size/2+1]
                if Recording :
                    frames.append(data)
            ad_rdy_ev.clear()

这个线程会等待数据OK的event, 在数据OK时, 读出一个数据, 扔掉其他的(我的机器比较慢,不扔掉我发现这个queue会越来越长). 这个数据的转换是通过numpy的frombuffer来实现的. 后边的 `np.dtype('<i2')` 的意思是little endian的16-bit整数, [参考这里][Link 3].  
数据OK了, 后边进行了处理, 这里加了一个窗后进行fft. 对于一个numpy的array来说, 直接乘就是点乘.

### 显示部分 ###

我在显示随机数的那个框架([用Matplotlib显示实时信号][Link 1])上做了一些修改, 改成了显示两个axes, 一个是实时波形, 另一个是fft. 且fft这个图的y轴指数的.  
另外我用tkinter做了一个只有退出按钮的小界面, 这样可以控制程序在想退出的时候关闭.

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这个程序我分别的xp环境下的cmd命令行环境和spyder中都测试了一下, OK, 但在命令行环境时, tkinter的界面会在matplotlib的窗口关掉后才弹出来. 我感觉是在matplotlib会在`plt.show()`时block住程序执行, 其原因未知.

[原文链接][Link 4]

[Link 1]: http://www.squirrel-electronics.com/yong-matplotlibxian-shi-shi-shi-xin-hao.html
[RTL-SDR]: http://www.squirrel-electronics.com/zai-pythonxia-shi-shi-xian-shi-rtlsdrbo-xing-yu-pin-pu.html
[FM]: http://www.squirrel-electronics.com/zai-pythonxia-tong-guo-rtlsdrshou-ting-fmyan-bo.html
[Link 2]: https://github.com/jinrongliao/dig_sig_py_study/blob/master/Analyse_Microphone/audio_fft.py
[1.gif]: http://www.squirrel-electronics.com/images/zai-pythonxia-shi-shi-xian-shi-mai-ke-feng-bo-xing-yu-pin-pu/1.gif
[pyaudio]: http://people.csail.mit.edu/hubert/pyaudio/
[Link 3]: http://docs.scipy.org/doc/numpy/reference/arrays.dtypes.html#arrays-dtypes-constructing
[Link 4]: http://www.squirrel-electronics.com/zai-pythonxia-shi-shi-xian-shi-mai-ke-feng-bo-xing-yu-pin-pu.html