1、- i -本科毕业论文（20 届）声音频谱采集器的研究与设计所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期- ii -目 录摘 要 . .1Abstract. .2前 言. .3第一章 绪 论 .41.1 课题研究背景 .41.2 课题研究意义 .41.3 课题发展的状况 .41.4 设计任务 .4第二章 系统方案设计 .62.1 系统总体设计与原理 .62.1.1 声音采集 .62.1.2 采样频率定理 .62.2 系统硬件的选择 .72.2.1 处理器的选择 .72.2.2 采样模块的选择 .72.2.3 快速傅里叶算法的原理和特点 .72.2.4 显示屏的选择 .8第三章
2、系统硬件设计 .93.1 选择的单片机电路设计 .93.1.1 单片机 ADC 转换模块 .103.2 显示屏点阵图显示 .113.2.1 数码管显示工作原理 .113.2.2 8X8 点阵显示电路 .113.2.3 8X8 点阵图的硬件连接 .113.3 声音采集模块 .123.4 滤波电路 .123.5 滤波器设计 .133.5.1 滤波器原理 .133.5.2 滤波器的种类与选择 .133.5.3 带通滤波器的设计 .133.5.4 简单的带通滤波器设计目标 .133.6 设计方案 .143.7 系统软件具体设计 .163.7.1 滤波器设计要求 .16- iii -3.7.2 电路测试
3、要求 .163.7.3 电路原理 .173.7.4 带通滤波器设计 .173.7.5 带通滤波器在 multisim 软件中的仿真 .173.7.6 带通滤波器在 multisim 的仿真测试 .183.7.7 电路测试 .20第四章 系统软件设计 .214.1 系统软件总体设计 .214.2 系统软件具体设计 .214.2.1 系统的准备和系统初始化 .214.2.2ADC 采样子程序 .224.2.2 系统主程序 .22第五章 实验结果和分析 .255.1 实物图 .255.2 实验结果分析 .26第六章 总结与展望 .286.1 课题总结 .286.2 进一步开发的展望 .28参考文献
4、.30致 谢 .31附录 .32一：主程序代码 .32二：系统初始化程序 .351摘 要语音信号的采集与频谱图的采样分析技术是一科涉及范畴十分广的交错综合型科学，它的应用成长和语音学、信号滤波器技术以及信号处理等学科都紧密结合在一起。本次的课题是用到滤波器和采用单片机对声音进行快速傅里叶变换，通过显示屏显示声音频谱来分析频谱，想办法计算噪声比等一系列在实际应用中可以得到的数据。单片机的语音系统的处理方式具有时时性能好、功率消耗低、体积形态小、并且对语音信号保留高效率的保真度等特点。这种系统设计可以制作用在音频制作、音频信号分析等方面，必然有十分巨大的科学价值和市场利益等价值。关键词：语音采集，
5、频谱图，单片机，信号滤波器2AbstractSample collection and analysis of the speech signal spectrum is a very broad scope of subjects involving staggered integrated science, its application growth and phonetics, signal filter and signal processing technology and other disciplines are closely linked. Engineers use so
6、ftware to create a better solution treatment options needed to meet growing social demands. The issue is to use filters and using SCM fast Fourier transform of the sound, the sound spectrum display by analyzing the spectrum, to find ways to noise ratio and a series of calculations in practical appli
7、cations can be obtained. SCM systems handling voice always has good performance, low power consumption, small volume form, and retain the fidelity of the voice signal high efficiency characteristics. This system is designed to make use in audio production, audio signal analysis, there must be a very
8、 great scientific value and the market value of the interests.Keywords: Voice Acquisition；spectrum；SCM ；Signal filter3前 言本文课题主要研究的是声音频谱采集器的设计，能够通过采集人的声音在显示屏上显示实时的频谱图片，本设计要求实现将环境中的声音进行频谱分析显示，并可能检测当前环境的噪声比和噪声强度。这里是对单片机和 ARM 材料项目相对少，计算速率慢等特点，提出一种现实可行的快速傅里叶变换算法来现实得到频谱图的。全文共分为六章。其中绪论为第一张，系统总体方案设计为第二章，系统硬
9、件设计为第三章，系统软件设计为第四章，实验结果与分析为第五章，总结与展望为最后一章第六章。4第一章 绪 论1.1 课题研究背景课题研究主要集中在家庭影院、KTV 等音响系统中，及时达到显示音乐信号的频谱图将为音响系统增很多的视觉和感官的打击感的目的。目前市场上制作的的大部分音响系统产品里面，大多都是采用以下两种方式来实现音频频谱显示的：一种是利用滤波器和模数转换器来处理的；另一种是 DSP 或者 MATLAB 等技术对音频信号做出处理得到频谱显示。第一种方法实现比较简单，但是硬件成本比较高，第二种软件和硬件实现都比较困难。1.2 课题研究意义目前，某些的音频信号处理仪器不仅体积大并且价钱贵，在
10、一些特殊的方面难以遍及使用，但嵌入式系统分析仪具有小巧且可靠等特点，以是开发基于特殊功能单片机的音频信号分析器是语音辨别的根本，具有良好的现实意义和普遍的价值。1.3 课题发展的状况很久以前的声音频谱采集测量时，用到频率测量计、示波器等一系列器材组合成语音测试系统。这样的复杂系统，中间环境多就会造成各个环节之间的难以结合交流，操作实现起来非常的困难。传统的语音频谱测试仪器是可以接受一定带宽的输入信号，通过低通滤波器等滤波处理，得到输出信号的频谱图。最近几年来声音采集器发展的趋势非常快，而且是想着高度集成嵌入式系统，高性能智能化的方向发展，这样的仪器不但可以处理非常困难的信号，具有很多功能，让人
11、可以初步分分析理解系统信号变成的图形功能。比较高级的有用快速傅里叶算法讲被测量信号，具有更高更快的能力，这样的新型声音频谱分析仪，采样 ADC 转换对输入信号采集，通过滤波器和傅里叶算法得到频谱分布图。1.4 设计任务1、 完成声音频谱图的大体框架，有信号和电压的确定，还有确定硬件系统电路的明确研究方向。52、 学习各类滤波器的工作方式与设计仿真出一类滤波器，可以大体的滤波出人声的频谱的范围，消除某些机械和环境的简单频率噪声。 3、 学习了解频谱图的分析方法，了解傅里叶的相关原理，理解快速傅里叶算法的优缺点，使用傅里叶算法计算得到当前某段语音信号的频谱。4、争取设计出一个简单的实物，显示出语音
12、频谱图，尽量做到一定的美观效果。5、争取拓展出目前市场上还不完善或者还没开发完全来全面应用的某些语音功能。6第二章 系统方案设计2.1 系统总体设计与原理本系统准备用单片机来做主要的处理器和控制器、结合语音信号数据的采集电路（可以用喇叭或者小型麦克风来实现）、频谱显示电路等组合形成。主要有三个部分在这个系统中间：（1）语音数据采样，做到信号量化滤波等处理，包括语音采集和变换。（2）利用单片机方案处理，运用优化的傅里叶变换算法计算得到语音信号频谱图。（3）使用频谱显示模块在显示屏上显示。本系统最想做到的是某些声音频段的频谱分析，但也可以做到音频信号的频谱图，但做这些的频谱分析或者研究拓展。最主要
13、的是滤波器滤波频段和傅里叶算法的特点和应用。图一为设计流程图：信号输入 滤波器处理过的信号单片机 A D C 转换处理是傅里叶变换频谱图显示屏显示图 1 系统设计框图2.1.1 声音采集本次声音采集模块决定使用驻极体话筒，驻极体话筒优点有体积小、结构简单不复杂、电声性能较好、频率范围大、保真度强还有价格比较低等特点。它在通讯设备和家用电器等电子产品中大量的使用到，所以选择使用驻极体话筒。2.1.2 采样频率定理根据频率采样定理可以得知，采样频率必须大于两倍采样信号的带宽，不妨我们取信号的带宽值是 200Hz，人们为了避免混叠现象，采样频率必须大于 400Hz，当然这个这是打个比方。简而言之，就
14、是采样频率大于 2 倍采样信号频率，否则语音信号就不可以从信号采样中恢复到原始的采样信号。72.1.3 频率采集范围虽然人的耳朵可以听到的频率是 20-20000hz，但是人的声音可以发出的是 300-3000hz。具体分为男声和女声的低音、中音、高音、中音，低音、高音。频率范围由低到高的大概范围 64-1200hz，人平常说话最主要的声音频率范围是从 1000-3000hz。所以我设计主要采集的频率范围应该是 300-3000hz。2.2 系统硬件的选择2.2.1 处理器的选择这次主要设计本体不在单片机，选择的处理器是新手最容易上手的 51 单片机。鉴于 8051 系列单片机便于实验的是 1
15、2MHZ 的晶振，它的一个时钟周期就是 1us。这样的处速度比较慢，并且在模数转换的时候需要很多时间。因此这种类型的单片机不适用。常见的升华版的 51 单片机有 stc12 和 cygnal 的系列。综合处理速度，实验要求和价格等等的约束，我也选择了国内较为普通内常见升级版单片机 stc12c560s2 单片机作为此次试验的微处理器。选择的晶振是 32.768Mhz。信号的滤波处理也在这个模块进行处理。2.2.2 采样模块的选择选用的单片机里存在模数转换模块，所以不用设计就可以方便使用，内部存在的模数转换的采样速率很快，所以单片机的 ADC 模块就用来当作采样模块。2.2.3 快速傅里叶算法的
16、原理和特点傅里叶变换在很多科学研究中有着巨大的作用，傅立叶变换的物理意义是将一个在时间域当中的信号所包含的所有频率分量（主要指其各频率分量的幅度和相位）用一个以角频率为自变量的函数表示出来，称其频谱。并且它的原理是将难以处理的时域信号改成相对不算太复杂地转换成比较容易分析的频域信号。我们可以使用一些工具对那些频域信号作出处理，变换加工，然后信号可以转化为能够对其进行各种数学变化的算法公式，就能稍微容易的对其处理。在一定条件的它可以做到某个函数表示成正弦基函数的线性组合或者积分。但是在运算上面非常复杂，有非常庞大的运算过程，那些简单的功耗低的处理器，是很难处理的，所以傅里叶变换就演变形成了快速傅里叶变换，它相对于傅里叶变换，显示出了太多的优越性能。它使得傅里叶变换大为简化，在不牺牲耗电量的条件下提高了系统的运算速度，增强了系统的综合能力，提高了运算速度。因此
