題目名稱：音頻信號分析儀（A題）

華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院  參賽隊員：陳旭 張洋 林士明

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

關(guān)鍵詞： FFT  MCU  頻譜 功率 

Abstract: The audio signal analyzer is based on a 32-bit MCU controller, through the AD converter for audio signal sampling, the continuous signal discrete, and then through the FFT fast Fourier transform computing, in the time domain and frequency domain of the various audio frequency signal weight and power, and other indicators for analysis and processing, and then through the high-resolution LCD display signals in the spectrum. The system can accurately measure the audio signal frequency range of 20 Hz-10KHz, the range of 5-5Vpp mVpp, resolution of 20 Hz and 100 Hz correspondent. Power measurement accuracy up to 1%, and be able to accurately measuring the periodic signal cycle is the ideal audio signal analyzer solution.

Keyword: FFT  MCU  Spectrum  Power

1  方案論證與比較.... 3

1.1  采樣方法方案論證... 3

1.2  處理器的選擇方案論證... 3

1.3  周期性判別與測量方法方案論證... 3

2  系統(tǒng)設(shè)計.... 4

2.1  總體設(shè)計... 4

2.2  單元電路設(shè)計... 5

2.2.1  前級阻抗匹配和放大電路設(shè)計... 5

2.2.2  AD轉(zhuǎn)換及控制模塊電路設(shè)計... 6

2.2.3  功率譜測量單元電路設(shè)計... 6

3  軟件設(shè)計.... 7

4   系統(tǒng)測試.... 8

5  結(jié)論.... 9

參考文獻(xiàn)：.... 9

附錄：.... 9

附1：元器件明細(xì)表：... 9

附2：儀器設(shè)備清單... 9

附3：電路圖圖紙... 10

附4：程序清單... 11

1              方案論證與比較

1.1 采樣方法比較與選擇

    方案一、用DDS芯片配合FIFO對信號進(jìn)行采集，通過DDS集成芯片產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定度和精度相當(dāng)高的信號作為FIFO的時鐘，然后由FIFO對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行采集和存儲，最后送MCU處理。

    方案二、直接由32位MCU的定時中斷進(jìn)行信號的采集，然后對信號分析。

    由于32位MCU -LPC2148是60M的單指令周期處理器，所以其定時精確度為16.7ns,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)可以實現(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。

1.2 處理器的比較與選擇

 由于快速傅立葉變換FFT算法設(shè)計大量的浮點運算，由于一個浮點占用四個字節(jié)，所以要占用大量的內(nèi)存，同時浮點運算時間很慢，所以采用普通的8位MCU一般難以在一定的時間內(nèi)完成運算，所以綜合內(nèi)存的大小以及運算速度，我們采用Philips 的32位的單片機(jī)LPC2148，它擁有32K的RAM，并且時鐘頻率高達(dá)60M，所以對于浮點運算不論是在速度上還是在內(nèi)存上都能夠很快的處理。

1.3 周期性判別與測量方法比較與選擇

    對于普通的音頻信號，頻率分量一般較多，它不具有周期性。測量周期可以在時域測量也可以在頻域測量，但是由于頻域測量周期性要求某些頻率點具有由規(guī)律的零點或接近零點出現(xiàn)，所以對于較為復(fù)雜的，頻率分量較多且功率分布較均勻且低信號就無法正確的分析其周期性。

 而在時域分析信號，我們可以先對信號進(jìn)行處理，然后假定具有周期性，然后測出頻率，把采樣的信號進(jìn)行周期均值法和定點分析法的分析后即可以判別出其周期性。

    綜上，我們選擇信號在時域進(jìn)行周期性分析和周期性測量。對于一般的音頻信號，其時域變化是不規(guī)則的，所以沒有周期性。而對于單頻信號或者由多個具有最小公倍數(shù)的頻率組合的多頻信號具有周期性。這樣我們可以在頻域?qū)π盘柕念l譜進(jìn)行定量分析，從而得出其周期性。而我們通過先假設(shè)信號是周期的，然后算出頻率值，然后在用此頻率對信號進(jìn)行采樣，采取連續(xù)兩個周期的信號，對其值進(jìn)行逐次比較和平均比較，若相差太遠(yuǎn)，則認(rèn)為不是周期信號，若相差不遠(yuǎn)（約5%），則可以認(rèn)為是周期信號。

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