1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 音频信号的采集 摘要： 音频信号采集就是把音频信号这个模拟量转换成数字量，将其可容易的被处理器处理来。在这个过程中最主要的是一个信号的采集以及将其放大和将模拟信号转变成数字信号。在设计中选用了 STM32 来实现这一转换功能。 STM32 是基于 ARM Cortex-M3 内核的 32 位处理器，具有杰出的功耗控制以及众多的外设，最重要的是其性价比。 关键词： 信号采集；图形显示； STM32 一、 前言 音频信号的采集与图形显示，主要包括了两个方面一个便是将音频信号采集， 另外就是将音频信号转换成图形显示出来。音频信号的采集就是将模拟
2、的音频信号放大后转换成数字量，并将其转换成频谱后用液晶显示其频谱图。为此就将选择如何获取音频信号以及选用何种单片机进行设计。 二、 正文 为了采集音频信号首先必须的到音频信号，音频信号是有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化的信息载体就是音频信号。可因声波的特征将音频信息分类为规律音频和不规则声音。有语音、音乐和音效的就是规律音频。规律音频也可被称为声波因其是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示。音调、音强和音色是声音的三个要 素。音频信号的特性是由声波或正弦波中的三个重要参数决定的即为：频率、幅度和相位。 音频信号的频率是 20Hz-20kHz，一开始就想到了用采集语音
3、信号，一般语音频率最高为 3400 Hz。音的采集是指语音声波信号经麦克风和高频放大器转换成有一 定幅度的模拟量电信号，后再转换成数字量的全过程。根据“奈奎斯特采样定理”采样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍，语音信号频率为 300 3400 Hz ,所以把语音采集的采样频率定为 8 kHz。从语音的存储与压缩率来考虑，模型参数表示法明显优于信号波形表示法。但要将之运用于单片机，显然 信号波形表示法相对简单易实现。基于这种思路的算法，除了传统的一些脉冲编码调制外，目前已使用的有 VQ 技术及一些变换编码和神经网络技术，但是算法 2 复杂，前的单片机速度底，难以实现。 接着想到信号发生器产生 2
4、0Hz-20kHz 的信号做为音频信号源。信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进 行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。 信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、
5、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。正弦信号是使用最广泛的测试信号。这是因为产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便。正弦信号源又可以根据工作频率范围的不同划分为若 干种。 信号发生器按照输出频率范围可分为： 1. 超低频信号发生器：频率范围为0.001Hz1kHz； 2. 低频信号发生器：频率范围为 1 Hz1 MHz。 3. 视频信号发生器：频率范围为 20 Hz10 MHz； 4. 高频信号发生器：频率范围为 200 kHz30 MHz； 5. 甚高频信号发生器：频率范围为 30300 MHz； 6. 超高频信号发生器：频率范围为 300 MHz 以
6、上。因为音频信号的范围是 20Hz-20kHz，所以选用低频信号发生器为最佳。 相比较语音采集以及信号发生器，明显后者产生的信号明显 简单而且易测量。但是信号发生器产生的信号不能直接被用来数字化处理，必须将其通过放大电路来进行增益整波。 计算机 , 数字通讯等数字系统是处理数字信号的电路系统 . 然而 , 在实际应用中 , 遇到的大都是连续变化的模拟量 ,因此 ,需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号 .A/D 转换器正是基于这种要求应运而生的 .1970 年代初 ,由于 MOS 工艺的精度还不够高 , 所以模拟部分一般采用双极工艺 , 而数字部分则采用 MOS 工艺 , 而且模拟部分和数字
7、部分还不能做在同一个芯片上。因此 ,A/D 转换器只能采用 多芯片方式实 现，成本很高。 1975 年，一个采用 NMOS工艺的 10位逐次逼近型 A/D转换器成为最早出现的单片 A/D转换器。 1976 年，出现了分辨 11 位的单片 CMOS 积分型 A/D 转换器 .此时的单片集成 A/D 转换器中，数字部分占主体，模拟部分只起次要作用；而且，此时的 MOS 工艺相对于双极工艺还存在许多不足。1980 年代，出现了采用 BiCMOS 工艺制作的单片集成 A/D 转换器 ,但是工艺复杂，成本高。随着 CMOS 工艺的不断发展， 采用 CMOS 工艺制作单 A/D 转换器已成为主流。这种 A
8、/D 转换器的成本低， 耗小。 1990 年代，便携式电子产品的普遍应用要求 A/D 转换器的功耗尽可3 能地低。当时的 A/D 转换器功耗为 mW 级，而现在已经可以降到 W 级。 A/D 转换器的转换精度和速度也在不断提高，目前， A/D 转换器的转换速度已达到数百 MSPS，分辨率已经达到24 位。 A/D 转换技术的发展历程及其趋势随着电子产业数字化程度的不断发展 ,逐渐形成了以数字系统为主体的格 局 .A/D 转换器作为模拟和数字电路的接口 ,正受到日益广泛的关注 .随着数字 技术的飞速发展 ,人们对 A/D 转换器的要求也越来越高 ,新型的模拟 /数字转换技术不断涌现。 为了使 模
9、拟信号变成数字信号处理，就必须考虑 A/D 转换器的选择。专门用于 A/D 转换的 A/D 转换器还是用附带 ADC 功能的 STM32 的比较。 先介绍几种常用的 A/D 转换器类型：积分型、逐次逼近型、并行比较型 /串并 行型、- 调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。 1）积分型（如 TLC7135）积分型 AD 工作原理是将输入电压转换成时间 (脉冲宽度信号 )或频率 (脉冲频率 )，然后由定时器 /计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因 此转换速率极低。初期的单片 AD 转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。 2）
10、逐次比较型（如 TLC0831）逐次比较型 AD 由一个比较器和 DA 转换器通过逐次比较逻辑构成，从 MSB 开始，顺序地对每一位将输入电压与内置 DA 转换器输出进行比较， n 次比较而输出数字值。其电路规经模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（ 12 位）时价格很高。 3）并行比较型 /串并行比较型（如 TLC5510）并行比较型 AD 采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称 FLash(快速 )型。由于转换速率极高， n 位的转换需要 2n-1 个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频 AD 转换器等速度特别高的领域。 串并行比较型 AD 结构上介于并行型
11、和逐次比较型之间，最典型的是由 2 个 n/2 位的并行型 AD转换器配合 DA 转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速 )型。还有分成三步或多步实现 AD 转换的叫做分级（ Multistep/Subrangling）型 AD，而从转换时序角度又可称为流水线（ Pipelined）型 AD，现代的分级型 AD 中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正 特性等功能。这类 AD 速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。 4） - (Sigma /FONTdelta)调制型（如 AD7705） - 型 AD 由积分器、比较器、1 位 DA 转换器和数字滤波器等组成。
12、原理上近似于积分型， 将输入电压转换成时间 (脉冲宽度 )信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分 基本上容易单片化，因此容4 易做到高分辨率。主要用于音频和测量。 5）电容阵列逐次比较型电容阵列逐次比较型 AD 在内置 DA 转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列 DA 转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片 AD 转换器。最近的逐次比较型 AD 转换器大多为电容阵列式的。 6）压频变换型（如AD650）压频变换型（ Voltage-Frequency Converter）是
13、通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从 理论上讲这种 AD 的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD 转换。 STM32 的 ALIENTEK MiniSTM32 开发板，该板子简单而且功能强大，价格便宜操作简单。 STM32 是基于 ARM Cortex-M3 内核的 32 位处理器，具有杰出的功耗控制以及众多的外设，最重要的是其性价比。而且 STM32 官方在国内的宣传也是做得非常不错，而且针对 8位机市场推出
14、了 STM8。高端市场， 最近几年， ST 对 STM32 的推广，可谓是不遗余力因此效果也是很显著的，而且还由于 STM32 的价格很便宜。总的来说 STM32 具有价格低、功能强、使用简单、开发方便等几个很有利的优势。 MiniSTM32 开发板的功能不求最全，但求最精！开发板的设计充分考虑了成本与功能这两个矛盾面，再结合实际使用的经验及 STM32 的特点，最终确定了这样的设计。总体来说是该有的都有，不该有的坚决不要，可有可无的选择性价比最高的留下。 STM32 拥有 1-3 个 ADC，这些 ADC 可以独立使用，也可以使用双重模式（提高采样率）。STM32 的 ADC 是一个 12
15、位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有 18 个通道，可测量 16 个外部和 2 个内部信号源。各通道的 A/D 转换可以进行单次、连续、扫描或者间断模式执行。ADC 的结果可以左对齐或右对齐方式存储到 16 位数据寄存器中。模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否会超出用户定义的高 /低阀值。 STM32 系列最少都会拥有 2 个 ADC，也包含有 2 个 ADC。 STM32 的 ADC 最大转换速率为1Mhz，也就是转换时间为 1us（在 ADCCLK=14M,采样周期为 1.5 个 ADC 时钟下得到）。本设计要用到的 是音频信号（ 20 Hz20 kHz），在最大转换速率范围内能进行，
16、因此选用该系列完全能实现设计功能。 三、结论 5 对于音频信号的采集，选用信号发生器做为信号源就必须设计一个信号放大电路将信号增益整形后才能进行 AD 转换，相比与语音信号的采集要更简单易做到，还有更加清楚明白。对于 AD 转换器的选择就是根据实际操作的简单以及价格，总的就是性价比来说 STM32 占优势。 参考文献 1 张雪英，贾海蓉 .语音与音频编码 M.西安 .西安电子科技大学出版社， 2011， 2 2 刘强，张明真 .计算机音频处理技术 M.高 等教育出版社， 2007， 1 3 倪其育 .音频技术教程 M.国防工业出版社， 2006， 6 4 王洪，唐凯 .低速率语音编码 M.国防
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