摘要 本系统基于快速傅立叶变换(FFT)算法，以单片机为控制与数据处理核心，结合必要的外围电路，实现对频率范围在1KHz~10KHz音频信号频率成分的分析 。系统由控制与运算核心、程控放大器、滤波和采样等模块组成。通过对程控放大器增益的调整将系统可测电压(峰-峰值)的动态范围扩展到1V~5V； 通过改变模数转换器的采样频率，实现频率为100Hz；频谱分析结果可按序存储，并使用点阵式液晶屏实时显示；可通过单片机及液晶接口方面的知识使液晶屏显示信号的总功率和个频率分量的功率。
关键词 音频信号分析 ；FFT；单片机
1 绪论 1.1 课题的研究背景 音频是多媒体中的一种重要媒体。我们能够听见的音频信号的频率范围大约是20Hz~20KHz，其中语音主要分布在300Hz-4KHz之内，而音乐和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。例如，对于300Hz－4KHz之间的语音信号的分析主要应用于语音识别，其用途是确定语音内容或判断说话者的身份；而对于20Hz－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，例如话筒、功率放大器、扬声器等，衡量音频设备的主要技术指标有频率响应特性、谐波失真、信噪比、动态范围等。 音频信号分析仪是一种用来对被测信号进行频率、频谱及波形分析的重要测量工具。信号分析原理是将信号从时间域转换成频率域，使原始信号中不明显特性变得明显，便于分析处理。对于音频信号来说，其主要特征参数为幅度谱、功率谱，音频信号分析仪通过得到音频信号的幅度谱、功率谱，从而得到信号的总功率和个频率分量的功率。 早期专业的音频分析仪种类很少，在做音频测量时一般是利用万用电表、频率计、示波器及频谱仪等组合成一套音频测试系统。这种测试系统中间环节多，各环节之间接口匹配较为困难，使用起来比较麻烦，测量结果往往也不精确。 近年来出现的音频分析仪器也与仪器的主流发展趋势一致，朝着高度集成化、智能化的方向发展，这些仪器集成了复杂音频信号发生装置、功率放大装置等，具备了一些初步的图形化分析功能，使用户很容易组建音频测量系统。
1.2 设计任务与要求 通过该设计课题的研究使我对音频信号分析仪系统有了一个全面的了解，掌握理解了其基本原理，其基本流程是：对音频信号限幅放大、模数转换、快速傅里叶变换(FFT，时域到频域的转换)、特征值提取，从到音频信号的幅度谱，进而得到音频信号的功率谱；全面的了解常用芯片的使用方法，进一步锻炼了我们在硬件方面思考能力。 设计制作一个可以分析音频信号频率成分，并可测量正弦信号失真度的仪器。 课题应完成的任务和要求： 输入阻抗50Ω，输入信号电压范围1V~5V，输入频率1KHz~10KHz。要求检测频率分辨率100Hz，检测信号的总功率和个频率分量的功率。 2 系统方案选择 2.1 控制与运算核心的选择 方案一：FPGA作为控制与运算核心。 FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的基本特点主要有： 1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的Cycole系列等。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。 方案二：单片机作为控制与运算核心。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。 FPGA相对于单片机在逻辑资源和速度上有绝对的优势，但不便于调试; 单片机具有控制灵活简单的优点，但逻辑资源少，运行速度不能做得很高。上述方法各有优缺点，考虑到设计要求，故选择方案二。 2.2 程控放大器 程控放大器（PGA）是指可以通过程序指令程序控制而改变其增益等性能的放大器，PGA在现代测控系统中是经常会用到的，随着各种新型元器件的不断发展，PGA的实现并不太难。 由于音频信号的频率在20Hz~20KHz的小信号，所以必须将小信号先经过PGA进行放大，然后进行研究。 方案一：使用模拟开关或继电器选择则不同的电阻值，作为放大器的反馈电阻，实现不同量程的放大倍数。这种方案控制简单，只要运放的增益带宽积和噪声抑制能力足够大，每级的增益是恒定的。但继电器分布参数较大；而模拟开关存在一定的导通电阻。 方案二：使用程控放大器AD526。只要控制模拟开关就可以控制AD526的增益，但要实现增益的精密控制还必须与位数较高的数模转换器件配合使用。 上述方案各有优缺点，考虑到系统成本和精度要求，选择方案二。继电器可能引入的寄生振荡可通过补偿电容消除；模拟开关的导通电阻可与放大器的选通电阻一并看作放大器的反馈电阻。 2.3 滤波器设计放方案 滤波器是一种能使有用频率的信号通过而同时能对无用频率的信号进行抑制或衰减的电子装置。在工程上，滤波器常被用在信号的处理、数据的传送和干扰的抑制等方面。滤波器按照组成的元件，可分为有源滤波器和无源滤波器两大类。凡是只由电阻、电容、电感等无源元件组成的滤波器称为无源滤波器。凡是由放大器等有源元件和无源元件组成的滤波器称为有源滤波器。由运算放大器和电阻、电容（不含电感）组成的滤波器称为RC有源滤波器。本设计只利用RC无源滤波器和 RC有源滤波器的特性以及它们之间的关系。 音频信号在20Hz~20KHz之间，所以需要一个带通滤波器，本系统在采样之前要分别通过一级高通滤波和一级低通滤波。高通滤波器用于滤除信号中的直流成分，以适于设定为双极性输入的模数转换器进行有效采样；低通滤波是一级反混叠失真滤波器。其实现一般有如下方案： 方案一：使用运算放大器设计RC有源滤波器。 RC有源滤波器按照它所实现的传递函数的次数分，可分为一阶、二阶和高阶RC有源滤波器。从电路结构上看，一阶RC有源滤波器含有一个电阻和一个电容。二阶RC有源滤波器含有二个电阻和二个电容。一般的高阶RC有源滤波器可以由一阶和二阶的滤波器通过级联来实现。 方案二：使用集成滤波芯片，如MAX297。 对于一般的滤波器设计，方案一灵活简单，而且有专门的辅助设计软件可快速进行设计；但对滤波器的设计参数有特殊要求时，方案一将变得不现实。结合设计要求，高通滤波器的设计采用方案一，低通滤波器(要求具有很窄的过渡带)的设计采用方案二。 RC高通滤波器及其幅频、相频特性如图1所示。
图1 RC高通滤波器及其幅频、相频特性 3 硬件设计 3.1 总体设计思路 系统实现框图如图2所示。系统以52系列单片机为控制与运算核心；输入端由一级JFET运放实现50Ω的输入阻抗，所谓JFET就是一种单极的三层晶体管，它是一种控制极是由PN组成的场效应晶体管,工作依赖于唯一载流子 - 电子或空穴的运动。对于一个"正常接通”器件，每当N沟道JFET的漏极电压相对于源极为正时，或是当P沟道JFET的漏极电压相对于源极为负时，都有电流在沟道中流过。在JFET沟道中的电流受栅极电压的控制，为了“夹断”电流的流动，在N沟道JFET中栅极相对源极的电压必须是负的；或者在P沟道JFET中栅极相对源极的电压必须是正的。栅极电压被加在横跨PN结的沟道上，与此相反，在MOSFET中则是加在绝缘体上；待测信号经过程控放大器AD526，被放大到适合A/D采样的范围以内,再经一级截至频率为20KHz的反混叠低通滤波器MAX297，由MAX197实现预定速率的采样；采样所得结果经FFT模块转换为此信号的频域表示，经单片机转换为对应频率的功率值，按功率从大到小排序。 |
