AD轉(zhuǎn)換采樣離散化FFT頻譜顯示論文

導(dǎo)語(yǔ)：AD轉(zhuǎn)換采樣離散化FFT頻譜顯示論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

[摘要]本音頻信號(hào)分析儀由32位MCU為主控制器，經(jīng)ad轉(zhuǎn)換，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣，把連續(xù)信號(hào)離散化，然后通過(guò)fft快速傅氏變換運(yùn)算，在時(shí)域和頻域?qū)σ纛l信號(hào)各個(gè)頻率分量以及功率等指標(biāo)進(jìn)行分析和處理，然后通過(guò)高分辨率的LCD對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)能夠精確測(cè)量的音頻信號(hào)頻率范圍為20Hz-10KHz，其幅度范圍為20mVpp-5Vpp，分辨力分為20Hz和100Hz兩檔。測(cè)量功率精確度高達(dá)1%，并且能夠準(zhǔn)確的測(cè)量周期信號(hào)的周期，是理想的音頻信號(hào)分析儀的解決方案。

[關(guān)鍵詞]AD轉(zhuǎn)換采樣離散化FFT頻譜顯示

一、概述

音頻是多媒體傳播中的一種重要媒體。人耳所能聽(tīng)見(jiàn)的音頻信號(hào)的頻率范圍大約是0.02-2OkHz，其中語(yǔ)音信號(hào)大約分布在0.3-4kHz之內(nèi)，而其他自然聲響是全范圍分布的。聲音經(jīng)過(guò)模擬設(shè)備記錄或再生，成為模擬音頻，再經(jīng)數(shù)字化成為數(shù)字音頻。這里所說(shuō)的音頻分析就是以數(shù)字音頻信號(hào)為分析對(duì)象，以數(shù)字信號(hào)處理為分析手段，提取信號(hào)在時(shí)域、頻域內(nèi)一系列特性的過(guò)程。

各種特定頻率范圍的音頻分析有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)于0.3-4kHz之間的語(yǔ)音信號(hào)的分析主要應(yīng)用于語(yǔ)音識(shí)別;而對(duì)于0.02-20kHz之間的全范圍的語(yǔ)音信號(hào)分析則可以用來(lái)衡量各類音頻設(shè)備的性能。所謂音頻設(shè)備就是將實(shí)際的聲音拾取到將聲音播放出來(lái)的全部過(guò)程中需要用到的各類電子設(shè)備。

二、實(shí)施方案

1.采樣方法。由于32位MCU-LPC2148是60M的單指令周期處理器，所以其定時(shí)精確度為16.7ns，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)可以實(shí)現(xiàn)我們的40.96KHz的采樣率，而且控制方便成本便宜，所以我們選擇由MCU直接采樣。

2.處理器。由于快速傅立葉變換FFT算法設(shè)計(jì)大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，而一個(gè)浮點(diǎn)占用四個(gè)字節(jié)，所以要占用大量的內(nèi)存，同時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)間很慢，普通的8位MCU一般難以勝任。綜合內(nèi)存的大小以及運(yùn)算速度，我們采用Philips的32位的單片機(jī)LPC2148，它擁有32K的RAM，并且時(shí)鐘頻率高達(dá)60M。

3.周期性判別與測(cè)量方法。測(cè)量周期可以在時(shí)域測(cè)量也可以在頻域測(cè)量。由于頻域測(cè)量周期性要求某些頻率點(diǎn)具有由規(guī)律的零點(diǎn)或接近零點(diǎn)出現(xiàn)，對(duì)于較為復(fù)雜的，頻率分量較多且功率分布較均勻且低信號(hào)就無(wú)法正確的分析其周期性。而在時(shí)域分析信號(hào)，我們可以先對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，然后假定具有周期性，再測(cè)出頻率，分析后即可以判別出其周期性。

對(duì)于一般的音頻信號(hào)，其時(shí)域變化是不規(guī)則的，所以沒(méi)有周期性。而對(duì)于單頻信號(hào)或者由多個(gè)具有最小公倍數(shù)的頻率組合的多頻信號(hào)具有周期性。這樣我們可以在頻域?qū)π盘?hào)的頻譜進(jìn)行定量分析，從而得出其周期性。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.總體設(shè)計(jì)

音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)由運(yùn)放和電阻組成的50Ohm阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后，經(jīng)由量程控制模塊進(jìn)行處理，若為100mV-5V的電壓，選擇直通;另外，由于12位的A/D轉(zhuǎn)換器在2.5V參考電壓的條件下的最小分辨力為1mV左右，如果選擇直通其離散化處理的誤差將會(huì)很大，所以若信號(hào)太小，選擇信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器后再進(jìn)行A/D采樣。經(jīng)過(guò)12位A/D轉(zhuǎn)換器ADS7819轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)由32位MCU進(jìn)行FFT變換和處理，分析其頻譜特性和各個(gè)頻率點(diǎn)的功率，將這些值送由Atmega16進(jìn)行顯示。信號(hào)由32位MCU分析后判斷其周期性，然后由Atmegal6進(jìn)行測(cè)量顯示。

2.單元電路設(shè)計(jì)

(1)前級(jí)阻抗匹配和放大電路設(shè)計(jì)。信號(hào)輸入后通過(guò)兩個(gè)100Ohm的電阻和一個(gè)高精度儀表運(yùn)放AD620實(shí)現(xiàn)跟隨作用，阻抗匹配后的繼電器控制是對(duì)信號(hào)直接送給AD轉(zhuǎn)換還是放大后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

一般情況下，需要檢測(cè)各頻率分量及其功率，并且要測(cè)量正弦信號(hào)的失真度，這就要求在對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，要盡可能少的引入信號(hào)的放大失真。正弦信號(hào)的理論計(jì)算失真度為零，對(duì)引入的信號(hào)失真非常靈敏，所以對(duì)信號(hào)的放大，運(yùn)放的選擇是關(guān)鍵。

我們選擇的運(yùn)放是TI公司的低噪聲、低失真的儀表放大器INA217，其失真度在頻率為1KHz，增益為20dB(100倍放大)時(shí)僅為0.004%。

(2)AD轉(zhuǎn)換及控制模塊電路設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中采用12位AD轉(zhuǎn)換器ADS7819進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送32位控制器進(jìn)行處理。

(3)功率譜測(cè)量。功率譜測(cè)量主要通過(guò)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行離散化處理，通過(guò)FFT運(yùn)算，求出信號(hào)各個(gè)離散頻率點(diǎn)的功率值，然后得到離散化的功率譜。通過(guò)FFT分析出不同的頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率后，就可以畫出其功率譜，并可以在頻域計(jì)算其總功率。

四、軟件設(shè)計(jì)

主控制芯片為L(zhǎng)PC2148，測(cè)量周期為Atmega16實(shí)現(xiàn)，由于處理器速度較快，所以采用c語(yǔ)言編程方便簡(jiǎn)單.軟件流程圖略。

五、系統(tǒng)測(cè)試

1.總功率測(cè)量(室溫條件下)。由于實(shí)驗(yàn)室提供的能夠模仿音頻信號(hào)的且能方便測(cè)量的信號(hào)只有正弦信號(hào)，而我們用現(xiàn)有的一款比較不精確的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，然后進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)誤差不大，在+5%以內(nèi)。我們以音頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，由于其實(shí)際值無(wú)法測(cè)量，所以我們只能根據(jù)時(shí)域和頻域以及估計(jì)其誤差，都在5%以內(nèi)。

2.單個(gè)頻率分量測(cè)量(室溫條件下)。我們首先以理論上單一頻率的正弦波為輸入信號(hào)，在理想狀況下，其頻譜只在正弦波頻率上有值，而由于有干擾，所以在其他頻點(diǎn)也有很小的功率。公務(wù)員之家

音頻信號(hào)存在多個(gè)頻點(diǎn)，沒(méi)有一定的規(guī)律性，且實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有專門配置測(cè)量?jī)x器，所以我們以正弦波和三角波作為信號(hào)進(jìn)行定量分析測(cè)量，以及對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行定性的分析和測(cè)量。我們發(fā)現(xiàn)其數(shù)字和用電腦模擬的結(jié)果符合得很近。

六、總結(jié)

由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能電路實(shí)現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，較好地達(dá)到了題目要求的各項(xiàng)指標(biāo)。該設(shè)計(jì)主要參考了大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽一些優(yōu)秀作品，并且電路圖和表格主要參考文獻(xiàn)以及從電子信息網(wǎng)上搜尋獲得。

參考文獻(xiàn):

[1]ALANV.OPPENHEIM.信號(hào)與系統(tǒng).西安:西安交通大學(xué)出版社，1997.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分).北京:高等教育出版社，2003.

[3]馬忠梅等.ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.