1、 音频信号分析仪 摘要： 本音频信号分析仪由 32位 MCU 为主控制器，通过 AD 转换，对音频信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过 FFT 快速傅氏变换运算，在时域和频域对音频信号各个频率分量以及功率等指标进行分析和处理，然后通过高分辨率的LCD 对信号的频谱进行显示。该系统能够精确测量的音频信号频率范围为20Hz-10KHz，其幅度范围为 5mVpp-5Vpp，分辨力分为 20Hz 和 100Hz 两档。测量功率精确度高达 1%,并且能够准确的测量周期信号的周期，是理想的音频信号分析仪的解决方案。 关键词： FFT MCU 频谱 功率 目 录 1 1 系统 方案论证与比较 1.1 引
2、言 1.2 采样方法比较与选择 方案一、用 DDS 芯片配合 FIFO 对信号进行采集，通过 DDS 集成芯片产生一个频率稳定度和精度相当高的信号作为 FIFO 的时钟，然后由 FIFO 对 A/D 转换的结果进行采集和存储，最后送 MCU 处理。 方案二、直接由 32 位 MCU 的定时中断进行信号的采集，然后对信号分析。 由于 32 位 MCU -LPC2148 是 60M 的单指令周期处理器，所以其定时精确度为16.7ns,已经远远可以实现我们的 40.96KHz 的采样率，而 且控制方便成本便宜，所以我们选择由 MCU 直接采样。 1.3 处理器的比较与选择 由于快速傅立叶变换 FFT
3、 算法设计大量的浮点运算，由于一个浮点占用四个字节，所以要占用大量的内存，同时浮点运算时间很慢，所以采用普通的 8位 MCU一般难以在一定的时间内完成运算，所以综合内存的大小以及运算速度，我们采用 Philips 的 32 位的单片机 LPC2148，它拥有 32K 的 RAM，并且时钟频率高达 60M，所以对于浮点运算不论是在速度上还是在内存上都能够很快的处理。 1.4 周期性判别与测量方法比较与选择 对于普通的音频信号，频 率分量一般较多，它不具有周期性。测量周期可以在时域测量也可以在频域测量，但是由于频域测量周期性要求某些频率点具有由规律的零点或接近零点出现，所以对于较为复杂的，频率分量
4、较多且功率分布较均匀且低信号就无法正确的分析其周期性。 而在时域分析信号，我们可以先对信号进行处理，然后假定具有周期性，然后测出频率，把采样的信号进行周期均值法和定点分析法的分析后即可以判别出其周期性。 综上，我们选择信号在时域进行周期性分析和周期性测量。 对于一般的音频信号，其时域变化是不规则的，所以没有周期性。而对于单频信号或者由多个具有最 小公倍数的频率组合的多频信号具有周期性。这样我们可以在频域对信号的频谱进行定量分析，从而得出其周期性。而我们通过先假设信号是周期的，然后算出频率值，然后在用此频率对信号进行采样，采取连续两个周期的信号，对其值进行逐次比较和平均比较，若相差太远，则认为不
5、是周期信号，若相差不远（约2 5%），则可以认为是周期信号。 1.5 系统 总体设计 音频信号经过一个由运放和电阻组成的 50 Ohm阻抗匹配网络后，经由量程控制模块进行处理，若是一般的 100mV-5V 的电压，我们选择直通，也就是说信号没有衰减或者放大，但是若信号太 小， 12 位的 A/D 转换器在 2.5V 参考电压的条件下的最小分辨力为 1mV 左右，所以如果选择直通的话其离散化处理的误差将会很大，所以若是采集到信号后发现其值太小，在 20mV-250mV 之间的话，我们可以将其认定为小信号，从而选择信号经过 20 倍增益的放大器后再进行 A/D 采样。 经过 12 位 A/D 转换
6、器 ADS7819 转换后的数字信号经由 32 位 MCU 进行 FFT变换和处理，分析其频谱特性和各个频率点的功率值，然后将这些值送由 Atmega16进行显示。信号由 32 位 MCU 分析后判断其周期性，然后由 Atmegal6 进行测量 ，然后进行显示。 图 1-1 总体设计框架图 3 2 各 单元电路 设计 2.1 前级阻抗匹配和放大电路设计 信号输入后通过 R5,R6 两个 100Ohm的电阻和一个高精度仪表运放 AD620 实现跟随作用，由于理想运放的输入阻抗为无穷大，所以输入阻抗即为：R5/R6=50Ohm,阻抗匹配后的通过继电器控制是对信号直接送给 AD转换还是放大20 倍后
7、再进行 AD 转换。 在这道题目里，需要检测各频率分量及其功率，并且要测量正弦信号的失真度，这就要求在对小信号进行放大时，要尽可能少的引入信号的放大失真。正弦信号的理论计算失真度为零 ，对引入的信号失真非常灵敏，所以对信号的放大，运放的选择是个重点。 我们选择的运放是 TI公司的低噪声、低失真的仪表放大器 INA217，其失真度在频率为 1KHz，增益为 20dB(100 倍放大 )时仅为 0.004%，其内部原理图如图 2-2所示。 图 2-1 阻抗匹配和放大电路 图 2-2 INA217 内部原理图 4 其中放大器 A1 的输出电压计算公式为 OUT1=1+（ R1/RG） *VIN+ 同
8、理， OUT2=1+（ R2/RG） *VIN- R3、 R4、 R5、 R6 及 A3 构成减法器，最后得到输出公式 VOUT=（ VIN2-VIN1） *1+（ R1+R2） /RG R1=R2=5K,取 RG=526，从而放大倍数为 20。 2.2 AD 转换及控制模块电路设计 采用 12 位 AD 转换器 ADS7819 进行转换，将转换的数据送 32 位控制器进行处理。 2.3 功率谱测量 功率谱测量主要通过对音频信号进行离散化处理，通过 FFT 运算，求出信号各个离散频率点的功率值，然后得到离散化的功率谱。 由于题目要求频率分辨力为 100Hz 和 20Hz 两个档，这说明在进行
9、FFT 运算前必须通过调整采样频率 (fK)和采样的点数 (N),使其基波频率 f 为 100Hz 和 20Hz。 根据频率分辨率与采样频率和采样点数的关系： f=fk/N; 可以得知， fk=N*f; 又根据采样定理，采样频率 fk 必须不小于信号频率 fm 的 2倍，即： fk=2fm; 题目要求的最大频率为 10KHz，所以采样频率必须大于 20KHz，考虑到 FFT 运算在 2的次数的点数时的效率较高，所以我们在 20Hz 档时选择 40.96KHz 采样率，采集 2048 个点，而在 100 档时我们选择 51.2KHz 采样率，采集 512 个点。 通过 FFT 分析出不同的频率点
10、对应的功率 后，就可以画出其功率谱，并可以在频域计算其总功率。图 2-3 AD 转换及控制模块电路设计 5 3 软件设计 主控制芯片为 LPC2148,测量周期为 Atmega16 实现 ,由于处理器速度较快 ,所以采用 c 语言编程方便简单 .软件流程图如下： 主流程图 周期性分析和测量流程图 图 3-1 程序流程图 6 4 系统测试 4.1 总功率测量（室温条件下） 表 4-1 总功率测量结果 （室温条件下） 输入信号 频率 幅度 测量时域总功率 (w) 测量频域总功率 (w) 理论值 估算误差 正弦波 100Hz 1 Vpp 0.127 0.129 0.125 1.2% 1KH 1 Vp
11、p 0.126 0.129 0.125 1.3% 音频信号 20Hz-10KHz 20mVpp-5Vpp 0.783 0.761 X 5% 1.803 1.777 X 5% 结果分析： 由于实验室提供的能够模仿音频信号的且能方便测量的信号只有正弦信号，所以我们用一款 比较差点的信号发生器产生信号，然后进行测量，发现误差不达，在 +-5%以内。我们以音频信号进行测量，由于其实际值无法测量，所以我们只能根据时域和频域以及估计其误差，都在 5%以内。 4.2 单个频率分量测量（室温条件下） 表 4-2 单个频率分量测量结果（室温条件下） 输入信号 频率 幅度 最大功率频点 最大功率频点功率 次大功率
12、频点 次大功率频点功率 正弦波 500Hz 100mVpp 500Hz 1.20mw 520Hz 0.04mW 正弦波 5KHz 1Vpp 5KHz 120mw 5.02KHz 3.56mw 音频信号 20Hz-10K X 880Hz 23mw 600Hz 4.3mw 结果分析： 我们首先以理论上单一频率的正弦波为输入信号，在理想状况下，其频谱只在正弦波频率上有值，而由于有干扰，所以在其他频点也有很小的功率。 音频信号由于有多个频点，所以没有一定的规律性。由于音频信号波动较大，没有一定的规律，且实验室没有专门配置测量仪器，所以我们只好以正弦波和三角波作为信号进行定量分析测量，以及对音频信号进行
13、定性的分析和测量。我们发现其数字和用电脑模拟的结果符合得很近 。 7 5 结论 由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。 8 参考文献： 1 ALAN V.OPPENHEIM信号与系统 西安：西安交通大学出版社， 1997 年 2 元秋奇 数字图像处理学 北京：电子工业出版社， 2000 年 3 吴运昌 模拟电子线路基础 广州：华南理工大学出版社， 2004 年 4 阎石 数字电子技术基础 北京：高等教育出版社， 1997 年 5 张晓丽等 数据结构与算法 北京：机械工业出版社， 2002 年 6 马 忠梅等 ARM&Linux 嵌入式系统教程 北京：北京航空航天大学出版社，2004 年 7 李建忠 单片机原理及应用 西安：西安电子科技大学， 2002 年
