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[摘要]本音頻信號分析儀由32位MCU為主控制器,經(jīng)AD轉(zhuǎn)換,對音頻信號進行采樣,把連續(xù)信號離散化,然后通過FFT快速傅氏變換運算,在時域和頻域?qū)σ纛l信號各個頻率分量以及功率等指標進行分析和處理,然后通過高分辨率的LCD對信號的頻譜進行顯示。該系統(tǒng)能夠精確測量的音頻信號頻率范圍為20Hz-10KHz,其幅度范圍為20mVpp-5Vpp,分辨力分為20Hz和100Hz兩檔。測量功率精確度高達1%,并且能夠準確的測量周期信號的周期,是理想的音頻信號分析儀的解決方案。

[關(guān)鍵詞]AD轉(zhuǎn)換采樣離散化FFT頻譜顯示

一、概述

音頻是多媒體傳播中的一種重要媒體。人耳所能聽見的音頻信號的頻率范圍大約是0.02-2OkHz,其中語音信號大約分布在0.3-4kHz之內(nèi),而其他自然聲響是全范圍分布的。聲音經(jīng)過模擬設(shè)備記錄或再生,成為模擬音頻,再經(jīng)數(shù)字化成為數(shù)字音頻。這里所說的音頻分析就是以數(shù)字音頻信號為分析對象,以數(shù)字信號處理為分析手段,提取信號在時域、頻域內(nèi)一系列特性的過程。

各種特定頻率范圍的音頻分析有各自不同的應用領(lǐng)域。對于0.3-4kHz之間的語音信號的分析主要應用于語音識別;而對于0.02-20kHz之間的全范圍的語音信號分析則可以用來衡量各類音頻設(shè)備的性能。所謂音頻設(shè)備就是將實際的聲音拾取到將聲音播放出來的全部過程中需要用到的各類電子設(shè)備。

二、實施方案

1.采樣方法。由于32位MCU-LPC2148是60M的單指令周期處理器,所以其定時精確度為16.7ns,已經(jīng)遠遠可以實現(xiàn)我們的40.96KHz的采樣率,而且控制方便成本便宜,所以我們選擇由MCU直接采樣。

2.處理器。由于快速傅立葉變換FFT算法設(shè)計大量的浮點運算,而一個浮點占用四個字節(jié),所以要占用大量的內(nèi)存,同時浮點運算時間很慢,普通的8位MCU一般難以勝任。綜合內(nèi)存的大小以及運算速度,我們采用Philips的32位的單片機LPC2148,它擁有32K的RAM,并且時鐘頻率高達60M。

3.周期性判別與測量方法。測量周期可以在時域測量也可以在頻域測量。由于頻域測量周期性要求某些頻率點具有由規(guī)律的零點或接近零點出現(xiàn),對于較為復雜的,頻率分量較多且功率分布較均勻且低信號就無法正確的分析其周期性。而在時域分析信號,我們可以先對信號進行處理,然后假定具有周期性,再測出頻率,分析后即可以判別出其周期性。

對于一般的音頻信號,其時域變化是不規(guī)則的,所以沒有周期性。而對于單頻信號或者由多個具有最小公倍數(shù)的頻率組合的多頻信號具有周期性。這樣我們可以在頻域?qū)π盘柕念l譜進行定量分析,從而得出其周期性。

三、系統(tǒng)設(shè)計

1.總體設(shè)計

音頻信號經(jīng)過一個由運放和電阻組成的50Ohm阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后,經(jīng)由量程控制模塊進行處理,若為100mV-5V的電壓,選擇直通;另外,由于12位的A/D轉(zhuǎn)換器在2.5V參考電壓的條件下的最小分辨力為1mV左右,如果選擇直通其離散化處理的誤差將會很大,所以若信號太小,選擇信號經(jīng)過放大器后再進行A/D采樣。經(jīng)過12位A/D轉(zhuǎn)換器ADS7819轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)由32位MCU進行FFT變換和處理,分析其頻譜特性和各個頻率點的功率,將這些值送由Atmega16進行顯示。信號由32位MCU分析后判斷其周期性,然后由Atmegal6進行測量顯示。

2.單元電路設(shè)計

(1)前級阻抗匹配和放大電路設(shè)計。信號輸入后通過兩個100Ohm的電阻和一個高精度儀表運放AD620實現(xiàn)跟隨作用,阻抗匹配后的繼電器控制是對信號直接送給AD轉(zhuǎn)換還是放大后再進行AD轉(zhuǎn)換。

一般情況下,需要檢測各頻率分量及其功率,并且要測量正弦信號的失真度,這就要求在對小信號進行放大時,要盡可能少的引入信號的放大失真。正弦信號的理論計算失真度為零,對引入的信號失真非常靈敏,所以對信號的放大,運放的選擇是關(guān)鍵。

我們選擇的運放是TI公司的低噪聲、低失真的儀表放大器INA217,其失真度在頻率為1KHz,增益為20dB(100倍放大)時僅為0.004%。

(2)AD轉(zhuǎn)換及控制模塊電路設(shè)計。本設(shè)計中采用12位AD轉(zhuǎn)換器ADS7819進行轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送32位控制器進行處理。

(3)功率譜測量。功率譜測量主要通過對音頻信號進行離散化處理,通過FFT運算,求出信號各個離散頻率點的功率值,然后得到離散化的功率譜。通過FFT分析出不同的頻率點對應的功率后,就可以畫出其功率譜,并可以在頻域計算其總功率。

四、軟件設(shè)計

主控制芯片為LPC2148,測量周期為Atmega16實現(xiàn),由于處理器速度較快,所以采用c語言編程方便簡單.軟件流程圖略。

五、系統(tǒng)測試

1.總功率測量(室溫條件下)。由于實驗室提供的能夠模仿音頻信號的且能方便測量的信號只有正弦信號,而我們用現(xiàn)有的一款比較不精確的信號發(fā)生器產(chǎn)生信號,然后進行測量,發(fā)現(xiàn)誤差不大,在+5%以內(nèi)。我們以音頻信號進行測量,由于其實際值無法測量,所以我們只能根據(jù)時域和頻域以及估計其誤差,都在5%以內(nèi)。

2.單個頻率分量測量(室溫條件下)。我們首先以理論上單一頻率的正弦波為輸入信號,在理想狀況下,其頻譜只在正弦波頻率上有值,而由于有干擾,所以在其他頻點也有很小的功率。超級秘書網(wǎng)

音頻信號存在多個頻點,沒有一定的規(guī)律性,且實驗室沒有專門配置測量儀器,所以我們以正弦波和三角波作為信號進行定量分析測量,以及對音頻信號進行定性的分析和測量。我們發(fā)現(xiàn)其數(shù)字和用電腦模擬的結(jié)果符合得很近。

六、總結(jié)

由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計合理,功能電路實現(xiàn)較好,系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定,較好地達到了題目要求的各項指標。該設(shè)計主要參考了大學生電子設(shè)計大賽一些優(yōu)秀作品,并且電路圖和表格主要參考文獻以及從電子信息網(wǎng)上搜尋獲得。

參考文獻:

[1]ALANV.OPPENHEIM.信號與系統(tǒng).西安:西安交通大學出版社,1997.

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[3]馬忠梅等.ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程.北京:北京航空航天大學出版社,2004.