基于FFT算法的音频信号分析仪

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1、http://www.paper.edu.cn基于FFT算法的音频信号分析仪邓晓平,张贤,谭书伟,尹朝亮武汉大学电子信息学院，武汉（430079）E-mail：dxp190000@163.com摘要：系统基于快速傅立叶变换(FFT)算法，以单片机和FPGA为控制与数据处理核心，实现对频率范围在20Hz~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10mV~８V；通过改变模数转换器的采样频率，系统能实现频率分辨力100Hz、

2、20Hz两挡可调；频谱分析结果可按序存储，并使用点阵式液晶屏实时显示；通过对频谱数据特征的提取判断信号的周期性，并实现对信号的失真度分析。另外，可通过点阵式液晶屏以图形方式显示信号各频率分量及其相对大小。关键词：频域分析FFTPGA失真度1.引言音频信号的分析是语音通信、语音识别、语音合成、语音增强等技术的前提与基础。只有将语音信号分析成表示其特性的参数，才可能利用这些参数进行高效的语音通信，才可[5]能建立用于语音合成的语音库和用于语音识别的模版或知识库。而且，语音合成音质的好坏、语音识别率的高低，都取决于对语音信号分析的正确性与准

3、确性。音频信号分析可分为时域、频域、倒谱域等方法。时域分析方法简单、运算量小、物理意义明确；但为有效的方法是在频域的分析。傅立叶变换在信号处理中具有十分重要的作用，它可使信号的某些特性变得很明显，而在原始信号中这些特性可能不明显。本文利用了频域分析方法的优点，实现对一般语音信号幅度、基音频率等特征信息的实时提取。2.方案设计与论证2.1控制与运算核心的选择方案一：单片机作为控制与运算核心。方案二：FPGA作为控制与运算核心。方案三：单片机与FPGA联合作为运算与控制核心。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

4、;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。若将两者联合起来，可以充分发挥各自的优势，有可补充对方的缺点。故选择方案三。2.2程控放大器方案一：使用集成可变增益放大器AD603。只要改变控制端电压就可以控制AD603的增益，但要实现增益的精密控制还必须与位数较高的D/A配合使用。方案二：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。1http

5、://www.paper.edu.cn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。1.3滤波器设计放方案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。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，

6、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。1.4系统实现框图系统总体实现框图如图1-1所示。系统以AT89S52单片机和Cyclone系列的FPGA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；待测信号经过由模拟开关和继电器控制的两级程控放大器，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，由FPGA内的采样控制模块控制MAX197实现预

7、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，并将数据存储于外部RAM62256。周期性判断及频率测量与失真度分析[2]也由单片机完成。相应的测量结果通过对键盘的操作由点阵式液晶屏显示。图1-1系统实现框图3.理论分析与计算3.1程控放大器设计若输入电压范围(峰-峰值)为100mV~5V；为扩大输入信号动态范围，提高灵敏度的要求，可将输入信号电压范围(峰值)定为1mV~5V。如果A/D的有效输入范围(峰值)为2.5V~5V，则所需最大放大倍数应不小于2500倍，最小放

8、大倍数应不大于0.5倍。可见最大增益与最小增益之间相差12~13个两倍程，故采用两级程控放大器。第一级分三挡，实现粗调；第二级分八挡，实现细调。各级增益(倍数)的具体分配见下表。2http://www.paper.edu