目前,大多數音頻信號處理儀不但體積大而且價格貴,在一些特殊方面難以普及使用,而嵌入式系統分析儀具有小巧可靠的特點,所以開發基于特殊功能單片機的音頻分析儀器是語音識別的基礎,具有很好的現實意義。信號分析原理是將信號從時間域轉換成頻率域,使原始信號中不明顯特性變得明顯,便于分析處理。對于音頻信號來說,其主要特征參數為幅度譜、功率譜。該音頻信號分析儀的工作過程為:對音頻信號限幅放大、模數轉換、快速傅里葉變換(FFT,時域到頻域的轉換)、特征值提取;從到音頻信號的幅度譜,進而得到音頻信號的功率譜。
用Microchip16位單片機設計的音頻信號分析儀
1 硬件設計
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“智能家居”(SmartHome)也稱智能住宅。家居網絡智能控制系統就是利用先進的計算機技術、通訊技術和嵌入式技術,將家中的各種設備通過家庭網絡連接成系統。整個智能家居系統的構成如圖1所示。在該系統中,對于某些家用電器設備的監測與控制需要進行音頻信號的分析。
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本設計選用Microchip公司的DSPIC30F6014A單片機為核心處理器,該芯片是MCU技術與DSP技術的結合,既包含了16位MCU的控制功能,又融合了DSP的高速運算技術,實際上就是數字微處理器、可方便地實現音頻信號分析的各種功能。音頻系統框圖如圖2所示,包括電源模塊、預制電路、A/D轉換模塊、DSP模塊、LCD顯示模塊等幾個部分。各模塊以及接口的具體設計和實現功能如下:
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(2)預制電路:為保證輸入頻寬在音頻范圍,前端直流偏置電路采用OP07放大器,第一級的加法器將輸入信號與2.5 V電壓值相加,第二級的反相器將信號轉移到A/D轉換能處理的0~5 V范圍。因輸入端50 Ω電阻的接地,故系統輸入阻抗近似為50 Ω。
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(3)A/D轉換模塊:因為音頻信號的輸入只有一路,所以在12位可配置的A/D模塊的16個模擬輸入引腳中只用到AN6,初始化時,將該引腳配置為模擬輸入引腳,同時,因為處理后的音頻信號電壓為0~5 V,將A/D模塊的參考電壓設置為0 V,5 V。轉換輸出速率高達200 KSPS。
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(4)DSP模塊:該數字微處理器是改良的哈佛結構設計,可實時分析,具有很高的分辨率。通過Microchip公司的MPLAB C30 C編譯器調用DSP模塊,該編譯器中提供49個DSP處理函數,可以完成全部的數字信號處理。
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(5)LCD顯示模塊:用于直觀顯示頻譜波形。
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(6)ICD2調試接口:選用Microchip公司的ICD2在線調試器,為此預留了ICD2調試接口。
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(7)RC振蕩器:此單片機可工作在外部時鐘輸入、外部RC輸入、內部快速RC振蕩器、內部低功耗(RC)振蕩器四種模式,以及在低功耗時使用的后分頻器。本設計采用內部快速RC振蕩器,它能提供7.37 MHz的時鐘,由于要實現對音頻信號實時處理,所以沒有用到后分頻器。
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2 軟件設計
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音頻系統主循環如圖3所示。
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(1)經過采樣、A/D轉換完成后,清除A/D使能標志,得到離散化的數字信號。
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(2)調用周期判定函數,實現對信號周期性的分析。
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(3)調用FFT變換函數,對離散信號的快速傅里葉變換,實現時域到頻域的變換。
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(4)顯示輸入信號的頻譜。
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(5)計算信號的功率譜及計算最大功率。
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(6)顯示信號的功率譜及最大功率。
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2.1 A/D采樣
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理論分析:因12位的A/D模塊,故量化單位為1/212,因頻率分辨率△f=100 Hz、FFT的子樣本點數N=512,故采樣頻率fs=51 200 Hz(fs≤N△f)、采樣周期Ts=1/51 200 s(采樣周期一采樣時間+轉換時間)。因振蕩頻率為7.37 MHz,故指令周期TCY=(1/7.37)×4=O.5μs。
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實際控制:轉換時間為14個TAD(為正確A/D轉換,TAD=333.33 ns)。所以,配置A/D自動采樣時間為6個TAD,A/D轉換時鐘為16TCY,則A/D轉換總時間為0.092 ms,采樣頻率為10.87 kHz。
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A/D模塊工作在系統時鐘源、自動轉換模式,每完成一次轉換進入一次中斷。在程序中應該定義一個采樣點數的結構體,用于存放A/D采集到的數據,每個結構體內包括一個實部和一個虛部。在中斷服務子程序中,由A/D模塊采集到的數字量存儲到結構體的實部,共進行采樣點數次轉換,中斷服務子程序的流程如圖4所示。
?? ? ?2.2 周期判定
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音頻信號的頻率分量不但多,而且不具周期性。測量周期可以在時域也可以在頻域,但是由于頻域測量周期性時要求某些頻率點具有由規律的零點或接近零點出現,所以對于較為復雜的、頻率分量較多且功率分布較均勻且低的信號就無法正確地分析其周期性。因此,對于信號的周期性判定,應該在對信號進行FFT變換之前,直接調用周期判斷函數。周期性判定子程序流程圖如圖5所示。
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2.3 FFT變換
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由于直接傅里葉變換的計算量與子樣本點數N的平方成正比,在N較大時,計算量太大,不適合在資源有限的嵌入式系統中實現。所以最常用基2 FFT算法,其主要思想是將N點直接傅里葉變換分解成多個較短的直接傅里葉變換,再利用旋轉因子的周期性、對稱性,在很大程度上節省了系統資源。
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MPLAB C30 C編譯器內部提供了幾乎全部的數字信號處理軟件工具,通過DSPIC30F系列微處理器,只需調用Microchip公司提供的庫函數,即可方便的實現數字信號處理。對于基2 FFT變換來說,其軟件流程圖如圖6所示。
2.4 特征值提取
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對頻域分析起決定作用的量包括采樣頻率、采樣點數。通過FFT變換,得到離散化的幅度譜X(k),先將離散化的幅度值平方,再除于子樣本點數N,就可得到該頻率點對應的功率值(功率=X(k)*X(k)/N)。
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3 結 語
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系統的主要性能指標為:輸入阻抗50 Ω;輸入信號電壓范圍(峰-峰值)100 mV~5 V;輸入信號包含的頻率成分范圍為200 Hz~10 kHz;頻率分辨力為100Hz(可正確測量被測信號中,頻差不小于100 Hz的頻率分量的功率值);輸入信號的總功率和各頻率分量的功率,檢測出的各頻率分量的功率之和不小于總功率值的95%;各頻率分量功率測量的相對誤差的絕對值小于10%,總功率測量的相對誤差的絕對值小于5%;以5 s周期刷新分析數據,信號各頻率分量應按功率大小依次存儲并可回放顯示,同時實時顯示信號總功率和至少前兩個頻率分量的頻率值和功率值,并設暫停鍵保持顯示的數據。基于DSP單片機技術的音頻信號分析具有性能穩定、電路簡單、速度快、成本低、體積小的特點,適用于需要音頻信號分析的嵌入式系統中,可以在更多領域進一步推廣和應用,如環境監測、語音識別、智能系統的控制等。
- 單片機(619340)
- 信號分析儀(23742)
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2010-07-17 23:30:4454
基于8051F單片機的數字音頻信號源的幅度控制
介紹一種基于8051F單片機的數字音頻信號源,利用單片機用DDS算法產生音頻信號,通過數字電阻衰減器控制音頻信號幅度,在0~100 dB的幅度范圍內實現1 dB的步進值,系統計算機接口
2010-12-20 09:57:3140
音頻信號及音頻分析
音頻信號及音頻分析音頻是多媒體中的一種重要媒體。我們能夠聽見的音頻信號的頻率范圍大約是20Hz-2OkHz,其中語音大約分布在300Hz-4kHz之內,而音樂和其他
2008-12-04 12:06:549095
音頻信號分析儀設計
采用SPCE061A單片機對輸入的20Hz~100KHz的音頻信號通過A/ D采樣,獲得各點電壓值。用快速傅立葉(FFT)技術對A/D采得的數字量進行8次蝶形運算,獲得各點
2009-01-05 17:57:011413
基于DSPIC30F6014A單片機的音頻信號分析儀的設計
目前,大多數音頻信號處理儀不但體積大而且價格貴,在一些特殊方面難以普及使用,而嵌入式系統分析儀具有小巧可靠的特點,所以開發基于特殊功能單片機的音頻分析儀器是語
2010-06-23 10:44:261772
基于MSP430F1611單片機的音頻信號分析儀設計
為了使音頻信號分析儀小巧可靠,成本低廉,設計了以2片MSP430F1611單片機為核心的系統。該系統將音頻信號送入八階巴特沃茲低通濾波器,對信號進行限幅放大、衰減、電平位移、緩沖
2011-03-18 16:10:20141
音頻信號分析儀R&S UPV
適用于所有應用:模擬、數字及其組合 真正的雙通道信號處理和生成 記錄和重新回放音頻信號 極寬的動態范圍 采樣速率高達192kHz 無間隙FFT分析 用于分析儀和發生器的用戶可編程濾波
2011-04-11 11:10:15119
基于MSP430F1611單片機的音頻信號分析
本系統將采用集成有μC/OS-Ⅱ操作系統的單片機,利用快速傅里葉變換并加窗函數的方法來實現對音頻信號各項參數的分析。
2011-05-05 09:40:494489
基于MCU的音頻信號分析儀的解決方案
本音頻信號分析儀由32位MCU為主控制器,通過AD轉換,對音頻信號進行采樣,把連續信號離散化,然后通過FFT快速傅氏變換運算,在時域和頻域對音頻信號各個頻率分量以及功率等指標進
2012-08-10 12:47:5111207
如何采用Microchip16位單片機設計音頻信號分析儀?
“智能家居”(SmartHome)也稱智能住宅。家居網絡智能控制系統就是利用先進的計算機技術、通訊技術和嵌入式技術,將家中的各種設備通過家庭網絡連接成系統。整個智能家居系統的構成如圖1所示。在該系統中,對于某些家用電器設備的監測與控制需要進行音頻信號的分析。
2018-08-30 10:04:084559
基于ARM單片機PLC的音頻分析儀設計
關鍵詞:arm , PLC , 單片機 , 音頻分析儀 隨著微電子和信息技術的快速發展,以單片機為代表的數字技術發展日新月異。單片機由于具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便
2019-01-28 17:45:01298
基于單片機的音頻信號分析儀畢業設計
文末下載完整資料介紹??本音頻信號分析儀由32位MCU為主控制器,通過AD轉換,對音頻信號進行采樣,把連續信號離散化,然后通過FFT快速傅氏變換運算,在時域和頻域對音頻信號各個頻率分量以及功率等指標
2021-11-06 09:20:5814
電子設計大賽音頻信號分析儀
文末下載完整資料??摘要:根據競賽題目要求和現有條件的條件,本作品完成了以通用計算機的為核心的音頻信號分析儀。本儀器系統組成為:被測對象、傳感器、信號調理、數據采集、虛擬儀器軟件和計算機軟件系統平臺
2021-12-04 11:51:1011
如何使用頻譜分析儀分析射頻信號的調制特性?
如何使用頻譜分析儀分析射頻信號的調制特性? 射頻信號的調制特性是指信號在頻譜上的分布和調制方式,對于解析射頻信號的調制特性,頻譜分析儀是一個常用的工具。本文將詳細介紹如何使用頻譜分析儀來分析射頻信號
2023-12-21 15:37:04320
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