初級(jí)音頻信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)

1、<p>　　初級(jí)音頻信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)</p><p>　　作者：吳小帆 許志華 吳玉翠</p><p>　　[摘要]本音頻信號(hào)分析儀由32位MCU為主控制器,經(jīng)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

2、范圍為20Hz-10KHz,其幅度范圍為20mVpp-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)的周期,是理想的音頻信號(hào)分析儀的解決方案。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]AD轉(zhuǎn)換 采樣 離散化 FFT 頻譜顯示 </p><p><b>　　一、概述 </b></p><p>　　音頻是多

3、媒體傳播中的一種重要媒體。人耳所能聽見的音頻信號(hào)的頻率范圍大約是0.02-2OkHz,其中語(yǔ)音信號(hào)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(guò)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(shuō)的音頻分析就是以數(shù)字音頻信號(hào)為分析對(duì)象,以數(shù)字信號(hào)處理為分析手段,提取信號(hào)在時(shí)域、頻域內(nèi)一系列特性的過(guò)程。 </p><p>　　各種特定頻率范圍的音頻分析有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)于

4、0.3-4kHz之間的語(yǔ)音信號(hào)的分析主要應(yīng)用于語(yǔ)音識(shí)別;而對(duì)于0.02-20kHz之間的全范圍的語(yǔ)音信號(hào)分析則可以用來(lái)衡量各類音頻設(shè)備的性能。所謂音頻設(shè)備就是將實(shí)際的聲音拾取到將聲音播放出來(lái)的全部過(guò)程中需要用到的各類電子設(shè)備。 </p><p><b>　　二、實(shí)施方案 </b></p><p>　　1.采樣方法。由于32位MCU -LPC2148是60M的單指令周期

5、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。 </p><p>　　2.處理器。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,而一個(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,普通的8位MCU一般難以勝任。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

6、的RAM,并且時(shí)鐘頻率高達(dá)60M。 </p><p>　　3.周期性判別與測(cè)量方法。測(cè)量周期可以在時(shí)域測(cè)量也可以在頻域測(cè)量。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),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,再測(cè)出頻率,分析后即可以判別出其周期性。 </p><p>　

7、　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。 </p><p><b>　　三、系統(tǒng)設(shè)計(jì) </b></p><p><b>　　1.總體設(shè)計(jì) </b></p><p>　　音頻

8、信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)由運(yùn)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(jìn)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(huì)很大,所以若信號(hào)太小,選擇信號(hào)經(jīng)過(guò)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)的功率,將這些值送由Atme

9、ga16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)量顯示。 </p><p><b>　　2.單元電路設(shè)計(jì) </b></p><p>　　(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)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,阻抗匹配后的繼電器控制是對(duì)信號(hào)直接送給AD轉(zhuǎn)換還是放大后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。 </

10、p><p>　　一般情況下,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)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)放的選擇是關(guān)鍵。 </p><p>　　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0.0

11、04%。 </p><p>　　(2)AD轉(zhuǎn)換及控制模塊電路設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中采用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。 </p><p>　　(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。通過(guò)FFT分析出不同的頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率后,就可以畫出其功率譜,并可以在頻域計(jì)算其

12、總功率。 </p><p><b>　　四、軟件設(shè)計(jì) </b></p><p>　　主控制芯片為L(zhǎng)PC2148,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.軟件流程圖略。 </p><p><b>　　五、系統(tǒng)測(cè)試 </b></p><p>　　1.總功率測(cè)量(室

13、溫條件下)。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),而我們用現(xiàn)有的一款比較不精確的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào),然后進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)誤差不大,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)。 </p><p>　　2.單個(gè)頻率分量測(cè)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(hào),在理想狀況下,其頻譜只在正弦波頻率上有值

14、,而由于有干擾,所以在其他頻點(diǎn)也有很小的功率。 </p><p>　　音頻信號(hào)存在多個(gè)頻點(diǎn),沒(méi)有一定的規(guī)律性,且實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有專門配置測(cè)量?jī)x器,所以我們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。 </p><p><b>　　六、總結(jié) </b></p><p>　　由于

15、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)。該設(shè)計(jì)主要參考了大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽一些優(yōu)秀作品,并且電路圖和表格主要參考文獻(xiàn)以及從電子信息網(wǎng)上搜尋獲得。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn): </b></p><p>　　[1]ALAN V.OPPENHEIM.信號(hào)與系統(tǒng).西安:西安交通大學(xué)出版社,1997. </p&