1、題目名稱：音頻信號(hào)分析儀（題目名稱：音頻信號(hào)分析儀（A 題）題） 華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 參賽隊(duì)員：陳旭 張洋 林士明 摘要：摘要： 本音頻信號(hào)分析儀由 32 位 MCU 為主控制器，通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換，對(duì)音頻信號(hào) 進(jìn)行采樣，把連續(xù)信號(hào)離散化，然后通過(guò) FFT 快速傅氏變換運(yùn)算，在時(shí)域和頻域?qū)σ纛l信 號(hào)各個(gè)頻率分量以及功率等指標(biāo)進(jìn)行分析和處理，然后通過(guò)高分辨率的 LCD 對(duì)信號(hào)的頻譜 進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)能夠精確測(cè)量的音頻信號(hào)頻率范圍為 20Hz-10KHz，其幅度范圍為 5mVpp-5Vpp，分辨力分為 20Hz 和 100Hz 兩檔。測(cè)量功率精確度高達(dá) 1%,并且能夠準(zhǔn)確的 測(cè)量周期信號(hào)的周

2、期，是理想的音頻信號(hào)分析儀的解決方案。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞： FFT MCU 頻譜 功率 Abstract: The audio signal analyzer is based on a 32-bit MCU controller, through the AD converter for audio signal sampling, the continuous signal discrete, and then through the FFT fast Fourier transform computing, in the time domain and frequency domain o

3、f the various audio frequency signal weight and power, and other indicators for analysis and processing, and then through the high-resolution LCD display signals in the spectrum. The system can accurately measure the audio signal frequency range of 20 Hz-10KHz, the range of 5-5Vpp mVpp, resolution o

4、f 20 Hz and 100 Hz correspondent. Power measurement accuracy up to 1%, and be able to accurately measuring the periodic signal cycle is the ideal audio signal analyzer solution. Keyword: FFT MCU Spectrum Power 1 1 方案論證與比較方案論證與比較 .3 1.1 采樣方法方案論證.3 1.2 處理器的選擇方案論證.3 1.3 周期性判別與測(cè)量方法方案論證.3 2 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì) .4

5、 2.1 總體設(shè)計(jì).4 2.2 單元電路設(shè)計(jì).5 2.2.1 前級(jí)阻抗匹配和放大電路設(shè)計(jì).5 2.2.2 AD轉(zhuǎn)換及控制模塊電路設(shè)計(jì).6 2.2.3 功率譜測(cè)量單元電路設(shè)計(jì).6 3 3 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) .7 4 4系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試.8 5 5 結(jié)論結(jié)論 .9 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)： .9 附錄：附錄： .9 附 1：元器件明細(xì)表：.9 附 2：儀器設(shè)備清單.9 附 3：電路圖圖紙.10 附 4：程序清單.11 1方案論證與比較方案論證與比較 1.1 采樣方法比較與選擇 方案一、用 DDS 芯片配合 FIFO 對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò) DDS 集成芯片產(chǎn)生一個(gè)頻率 穩(wěn)定度和精度相當(dāng)高的信號(hào)作為 FI

6、FO 的時(shí)鐘，然后由 FIFO 對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行采集 和存儲(chǔ)，最后送 MCU 處理。 方案二、直接由 32 位 MCU 的定時(shí)中斷進(jìn)行信號(hào)的采集，然后對(duì)信號(hào)分析。 由于 32 位 MCU -LPC2148 是 60M 的單指令周期處理器，所以其定時(shí)精確度為 16.7ns, 已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)可以實(shí)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。 1.2 處理器的比較與選擇 由于快速傅立葉變換 FFT 算法設(shè)計(jì)大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，由于一個(gè)浮點(diǎn)占用四個(gè)字節(jié)，所 以要占用大量的內(nèi)存，同時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)間很慢，所以采用普通的 8 位 MCU 一般難以在一定 的時(shí)間

7、內(nèi)完成運(yùn)算，所以綜合內(nèi)存的大小以及運(yùn)算速度，我們采用 Philips 的 32 位的單 片機(jī) LPC2148，它擁有 32K 的 RAM，并且時(shí)鐘頻率高達(dá) 60M，所以對(duì)于浮點(diǎn)運(yùn)算不論是在速 度上還是在內(nèi)存上都能夠很快的處理。 1.3 周期性判別與測(cè)量方法比較與選擇 對(duì)于普通的音頻信號(hào)，頻率分量一般較多，它不具有周期性。測(cè)量周期可以在時(shí)域測(cè) 量也可以在頻域測(cè)量，但是由于頻域測(cè)量周期性要求某些頻率點(diǎn)具有由規(guī)律的零點(diǎn)或接近 零點(diǎn)出現(xiàn)，所以對(duì)于較為復(fù)雜的，頻率分量較多且功率分布較均勻且低信號(hào)就無(wú)法正確的 分析其周期性。 而在時(shí)域分析信號(hào)，我們可以先對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，然后假定具有周期性，然后測(cè)出頻 率，

8、把采樣的信號(hào)進(jìn)行周期均值法和定點(diǎn)分析法的分析后即可以判別出其周期性。 綜上，我們選擇信號(hào)在時(shí)域進(jìn)行周期性分析和周期性測(cè)量。對(duì)于一般的音頻信號(hào)，其 時(shí)域變化是不規(guī)則的，所以沒(méi)有周期性。而對(duì)于單頻信號(hào)或者由多個(gè)具有最小公倍數(shù)的頻 率組合的多頻信號(hào)具有周期性。這樣我們可以在頻域?qū)π盘?hào)的頻譜進(jìn)行定量分析，從而得 出其周期性。而我們通過(guò)先假設(shè)信號(hào)是周期的，然后算出頻率值，然后在用此頻率對(duì)信號(hào) 進(jìn)行采樣，采取連續(xù)兩個(gè)周期的信號(hào)，對(duì)其值進(jìn)行逐次比較和平均比較，若相差太遠(yuǎn)，則 認(rèn)為不是周期信號(hào)，若相差不遠(yuǎn)（約 5%） ，則可以認(rèn)為是周期信號(hào)。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 總體設(shè)計(jì) 音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)由運(yùn)放和電阻組成的

9、 50 Ohm 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后，經(jīng)由量程控制模塊 進(jìn)行處理，若是一般的 100mV-5V 的電壓，我們選擇直通，也就是說(shuō)信號(hào)沒(méi)有衰減或者放 大，但是若信號(hào)太小，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，所以如果選擇直通的話其離散化處理的誤差將會(huì)很大，所以若是采集到信號(hào)后發(fā)現(xiàn) 其值太小，在 20mV-250mV 之間的話，我們可以將其認(rèn)定為小信號(hào)，從而選擇信號(hào)經(jīng)過(guò) 20 倍增益的放大器后再進(jìn)行 A/D 采樣。 經(jīng)過(guò) 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADS7819 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)由 32 位 MCU 進(jìn)行 FFT 變換和 處理，分析其頻譜特性和各個(gè)頻率點(diǎn)的

10、功率值，然后將這些值送由 Atmega16 進(jìn)行顯示。 信號(hào)由 32 位 MCU 分析后判斷其周期性，然后由 Atmegal6 進(jìn)行測(cè)量，然后進(jìn)行顯示。 總體設(shè)計(jì)框架圖 2.2 單元電路設(shè)計(jì) 2.2.1 前級(jí)阻抗匹配和放大電路設(shè)計(jì) 信號(hào)輸入后通過(guò) R5,R6 兩個(gè) 100Ohm 的電阻和一個(gè)高精度儀表運(yùn)放 AD620 實(shí)現(xiàn)跟隨 作用，由于理想運(yùn)放的輸入阻抗為無(wú)窮大，所以輸入阻抗即為：R5/R6=50Ohm,阻抗匹配 后的通過(guò)繼電器控制是對(duì)信號(hào)直接送給 AD 轉(zhuǎn)換還是放大 20 倍后再進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換。 在這道題目里，需要檢測(cè)各頻率分量及其功率，并且要測(cè)量正弦信號(hào)的失真度，這就 要求在對(duì)小信號(hào)進(jìn)

11、行放大時(shí)，要盡可能少的引入信號(hào)的放大失真。正弦信號(hào)的理論計(jì)算失 真度為零，對(duì)引入的信號(hào)失真非常靈敏，所以對(duì)信號(hào)的放大，運(yùn)放的選擇是個(gè)重點(diǎn)。 我們選擇的運(yùn)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(shí)僅為 0.004%，其內(nèi)部原理圖如下圖所示。 其中放大器 A1 的輸出電壓計(jì)算公式為 OUT1=1+（R1/RG）*VIN+ 同理， OUT2=1+（R2/RG）*VIN- R3、R4、R5、R6 及 A3 構(gòu)成減法器，最后得到輸出公式 VOUT=（VIN2-VIN1）*1+（R1+R2）/RG R1=R2=5K,取 R

12、G=526，從而放大倍數(shù)為 20。 2.2.2AD 轉(zhuǎn)換及控制模塊電路設(shè)計(jì) 采用 12 位 AD 轉(zhuǎn)換器 ADS7819 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送 32 位控制器進(jìn)行處理。 2.2.3 功率譜測(cè)量 功率譜測(cè)量主要通過(guò)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行離散化處理，通過(guò) FFT 運(yùn)算，求出信號(hào)各個(gè)離散 頻率點(diǎn)的功率值，然后得到離散化的功率譜。 由于題目要求頻率分辨力為 100Hz 和 20Hz 兩個(gè)檔，這說(shuō)明在進(jìn)行 FFT 運(yùn)算前必須通 過(guò)調(diào)整采樣頻率(fK)和采樣的點(diǎn)數(shù)(N),使其基波頻率 f 為 100Hz 和 20Hz。 根據(jù)頻率分辨率與采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的關(guān)系： f=fk/N; 可以得知， fk=N*f; 又

13、根據(jù)采樣定理，采樣頻率 fk 必須不小于信號(hào)頻率 fm 的 2 倍，即： fk=2fm; 題目要求的最大頻率為 10KHz，所以采樣頻率必須大于 20KHz，考慮到 FFT 運(yùn)算在 2 的次數(shù)的點(diǎn)數(shù)時(shí)的效率較高，所以我們?cè)?20Hz 檔時(shí)選擇 40.96KHz 采樣率，采集 2048 個(gè)點(diǎn)， 而在 100 檔時(shí)我們選擇 51.2KHz 采樣率，采集 512 個(gè)點(diǎn)。 通過(guò) FFT 分析出不同的頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率后，就可以畫(huà)出其功率譜，并可以在頻域計(jì) 算其總功率。 3 軟件設(shè)計(jì) 主控制芯片為 LPC2148,測(cè)量周期為 Atmega16 實(shí)現(xiàn),由于處理器速度較快,所以采用 c 語(yǔ) 言編程方便簡(jiǎn)單.軟

14、件流程圖如下： 主流程圖 周期性分析和測(cè)量流程圖 4系統(tǒng)測(cè)試 4.1 總功率測(cè)量（室溫條件下） 輸 入信 號(hào) 頻率 幅度 測(cè)量時(shí)域總功 率(w) 測(cè)量頻域總 功率(w) 理論值估算誤差 100Hz 1 Vpp0.127 0.129 0.125 1.2% 正 弦波 1KH 1 Vpp 0.1260.129 0.125 1.3% 0.783 0.761 X 5% 音頻 信號(hào) 20Hz- 10KHz 20mVpp-5Vpp 1.803 1.777 X 5% 結(jié)果分析： 由于實(shí)驗(yàn)室提供的能夠模仿音頻信號(hào)的且能方便測(cè)量的信號(hào)只有正弦信號(hào)， 所以我們用一款比較差點(diǎn)的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，然后進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)誤

15、差不達(dá)，在+-5% 以內(nèi)。我們以音頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，由于其實(shí)際值無(wú)法測(cè)量，所以我們只能根據(jù)時(shí)域和頻域 以及估計(jì)其誤差，都在 5%以內(nèi)。 4.2 單個(gè)頻率分量測(cè)量（室溫條件下） 輸入信號(hào)頻率幅度最大功率 頻點(diǎn) 最大功率 頻點(diǎn)功率 次大功率頻 點(diǎn) 次大功率頻 點(diǎn)功率 正弦波 500Hz100mVpp 500Hz1.20mw 520Hz0.04mW 正弦波 5KHz1Vpp 5KHz 120mw 5.02KHz3.56mw 音頻信號(hào) 20Hz-10K X 880Hz 23mw 600Hz 4.3mw 結(jié)果分析：我們首先以理論上單一頻率的正弦波為輸入信號(hào)，在理想狀況下，其頻譜 只在正弦波頻率上有值，而由

16、于有干擾，所以在其他頻點(diǎn)也有很小的功率。 音頻信號(hào)由于有多個(gè)頻點(diǎn)，所以沒(méi)有一定的規(guī)律性。由于音頻信號(hào)波動(dòng)較大，沒(méi)有一 定的規(guī)律，且實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有專門(mén)配置測(cè)量?jī)x器，所以我們只好以正弦波和三角波作為信號(hào)進(jìn) 行定量分析測(cè)量，以及對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行定性的分析和測(cè)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。 5 結(jié)論 由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能電路實(shí)現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達(dá)到了題 目要求的各項(xiàng)指標(biāo)。 參考文獻(xiàn)： 信號(hào)與系統(tǒng) ，ALAN V.OPPENHEIM 著，西安：西安交通大學(xué)出版社，1997 年； 數(shù)字圖像處理學(xué) ，元秋奇著，北京：電子工業(yè)出版社，2000 年； 模擬電子線路基礎(chǔ) ，吳運(yùn)

17、昌著，廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004 年； 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) ，閻石著，北京：高等教育出版社，1997 年； 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法 ，張曉麗等著，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002 年； ARM int x11=0; float TR,TI,temp; float QQ; /位倒置/ for(i=0;icountn;i+) xx=0; for(j=0;jn;j+) xj=0; for(j=0;jn;j+) xj=(i/countj) for(j=0;jn;j+) xx=xx+xj*countn-j-1; dataIxx=dataRi; for(i=0;icountn;i+) dataRi=dataI

18、i; dataIi=0; /蝶形運(yùn)算/ for(L=1;L0) b=b*2; i-; for(j=0;j0) p=p*2; i-; p=p*j; for(k=j;kcountn;k=k+2*b) TR=dataRk; TI=dataIk; temp=dataRk+b; QQ=2*pi*p/countn; qq=p*count11-n; dataRk=dataRk+dataRk+b*cos_tabqq+dataIk+b*sin_tabqq; dataIk=dataIk-dataRk+b*sin_tabqq+dataIk+b*cos_tabqq; dataRk+b=TR-dataRk+b*cos_

19、tabqq-dataIk+b*sin_tabqq; /查表運(yùn)算 dataIk+b=TI+temp*sin_tabqq-dataIk+b*cos_tabqq; for(i=0;i0) page-; delay_nms(8000000); /上翻頁(yè) if(key=1) LCD_ClearScreen(); LCD_WriteChineseString(font3,2,10,0);LCD_WriteChineseString(font4,2,60,0); i=page*4+1; p3510(Rei,0,15); print3510(Imi*mode,50,15); p3510(Rei+1,0,26)

20、; print3510(Imi+1*mode,50,25); p3510(Rei+2,0,38); print3510(Imi+2*mode,50,35); p3510(Rei+3,0,50); print3510(Imi+3*mode,50,50); page+;if(page=SampleNum/4) page=0; delay_nms(8000000); /下翻頁(yè) /失真度計(jì)算/ void distortion(void) LCD_ClearScreen(); LCD_WriteChineseString(font6,3,10,20); unsigned int key; int fr;

21、 while(1) /獲取頻率/ log_2_N=11;SampleNum=SampleTablog_2_N; reset_timer(0); init_timer0(40960); New_Flag=0; enable_timer(0); /等待采樣完成/ while(!FFT_Flag); disable_timer(0); /關(guān)定時(shí)器 0 /FFT 運(yùn)算/ FFT(Re,Im,log_2_N); /頻域功率/ for(i=1;iSampleNum/2;i+) Rei=Rei*Rei;Rei=Rei/2; /總功率/ Fp=0; for(i=1;iSampleNum/2;i+) Fp+=R

22、ei; sort( fr=1000000/fre; if(Tflag) LCD_WriteChineseString(font7,1,50,20);LCD_WriteEnglishString( ,0,38);print3510(fr,10,38);LCD_WriteEnglishString(US,58,38); else LCD_WriteEnglishString( ,0,38);LCD_WriteChineseString(font8,1,50,20); /按鍵掃描/ key=getkey(); if(key!=0 xFF) if(key=1) SystemState=fft_mode;mode=20;break; /返回 if(key=2) SystemState=fft_mode;mode=100;break; /返回