作者:吴小帆 许志华 吴玉
【摘 要】本音频信号分析仪由32位MCU为主控制器,经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20mVpp-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】AD转换 采样 离散化 FFT 频谱显示
一、概述
音频是多媒体传播中的一种重要媒体。人耳所能听见的音频信号的频率范围大约是0.02-2OkHz,其中语音信号大约分布在0.3-4kHz之内,而其他自然声响是全范围分布的。声音经过模拟设备记录或再生,成为模拟音频,再经数字化成为数字音频。这里所说的音频分析就是以数字音频信号为分析对象,以数字信号处理为分析手段,提取信号在时域、频域内一系列特性的过程。
各种特定频率范围的音频分析有各自不同的应用领域。对于0.3-4kHz之间的语音信号的分析主要应用于语音识别;而对于0.02-20kHz之间的全范围的语音信号分析则可以用来衡量各类音频设备的性能。所谓音频设备就是将实际的声音拾取到将声音播放出来的全部过程中需要用到的各类电子设备。
二、实施方案
1.采样方法。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。
2.处理器。由于快速傅立叶变换FFT算法设计大量的浮点运算,而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,普通的8位MCU一般难以胜任。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。
3.周期性判别与测量方法。测量周期可以在时域测量也可以在频域测量。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,对于较为复杂的,频率分量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,再测出频率,分析后即可以判别出其周期性。
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。
三、系统设计
1.总体设计
音频信号经过一个由运放和电阻组成的50Ohm阻抗匹配网络后,经由量程控制模块进行处理,若为100mV-5V的电压,选择直通;另外,由于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,如果选择直通其离散化处理的误差将会很大,所以若信号太小,选择信号经过放大器后再进行A/D采样。经过12位A/D转换器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,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进行测量显示。
2.单元电路设计
(1)前级阻抗匹配和放大电路设计。信号输入后通过两个100Ohm的电阻和一个高精度仪表运放AD620实现跟随作用,阻抗匹配后的继电器控制是对信号直接送给AD转换还是放大后再进行AD转换。
一般情况下,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,运放的选择是关键。
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%。
(2)AD转换及控制模块电路设计。本设计中采用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。
(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。通过FFT分析出不同的频率点对应的功率后,就可以画出其功率谱,并可以在频域计算其总功率。
四、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.软件流程图略。
五、系统测试
1.总功率测量(室温条件下)。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,而我们用现有的一款比较不精确的信号发生器产生信号,然后进行测量,发现误差不大,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。
2.单个频率分量测量(室温条件下)。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。
音频信号存在多个频点,没有一定的规律性,且实验室没有专门配置测量仪器,所以我们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。
六、总结
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。该设计主要参考了大学生电子设计大赛一些优秀作品,并且电路图和表格主要参考文献以及从电子信息网上搜寻获得。
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.
[2]康华光.电子技术基础(模拟部分).北京:高等教育出版社,2003.
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