便攜式音頻信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)淺談

李憶燕

（國(guó)家新聞出版廣電總局654臺(tái)，新疆呼圖壁，831200）

便攜式音頻信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)淺談

李憶燕

（國(guó)家新聞出版廣電總局654臺(tái)，新疆呼圖壁，831200）

本文分析的便攜式音頻信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)過(guò)程包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，采用AduC7026集成混合處理器和FFT技術(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，可以精確的對(duì)功率、頻譜結(jié)構(gòu)、失真度等音頻信號(hào)指標(biāo)進(jìn)行精確的分析，此系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，性能價(jià)格比高等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以供相關(guān)便攜式音頻信號(hào)儀設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行參考。

便攜式；音頻信號(hào)分析儀；設(shè)計(jì)；電子測(cè)試

對(duì)便攜式音頻信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，音頻信號(hào)儀的設(shè)計(jì)是基于集成混合處理器AduC7026以及FFT技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了增益可編程放大器模擬前端，針對(duì)輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，系統(tǒng)可以滿(mǎn)足此要求。進(jìn)行信號(hào)的測(cè)量與分析由集成混合處理器AduC7026完成，許多音頻信號(hào)指標(biāo)如功率、失真度、頻譜結(jié)構(gòu)等都顯示在LCD顯示器上。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，可以對(duì)20-20KHZ音頻范圍內(nèi)的信號(hào)的指標(biāo)如功率、頻譜結(jié)構(gòu)、失真度等進(jìn)行測(cè)量。

在音頻信號(hào)分析領(lǐng)域一般都采用FFT技術(shù)，在客戶(hù)處理器上進(jìn)行編程，運(yùn)用C語(yǔ)言、Matlab等編寫(xiě)程序來(lái)處理音頻信號(hào)，但是這樣做無(wú)法做到便攜式。如果用DSP芯片來(lái)設(shè)計(jì)音頻信號(hào)分析儀，可以提高音頻信號(hào)分析儀的性能，并且可以實(shí)現(xiàn)儀器的便攜式，但是DSP芯片對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)技術(shù)的要求較高，也使此芯片在音頻分析儀領(lǐng)域應(yīng)用受到限制。提高音頻信號(hào)分析性能和實(shí)現(xiàn)便攜式，最好的選擇是嵌入式的處理器。下面對(duì)便攜式音頻信號(hào)分析儀的具體設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行介紹。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)奈奎斯特音頻信號(hào)采樣原理，要完集的采集和分析20KHZ的信號(hào)，采樣的頻率要達(dá)到2*20KHZ，也就是音頻信號(hào)的2倍。根據(jù)相關(guān)的信號(hào)處理理論，達(dá)到20HZ的音頻分辨率，如果采樣頻率是2*20KHZ，則需要進(jìn)行1024點(diǎn)的FFT運(yùn)算。根據(jù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)構(gòu)成圖，可以看出對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制和處理的核心是AduC7026型混合信號(hào)處理器，系統(tǒng)由信號(hào)放大電路、采樣電路、信號(hào)處理裝置、數(shù)據(jù)輸入裝置（鍵盤(pán)）和LCD顯示器等組成，其中信號(hào)放大電路是由CS3310芯片構(gòu)成的，此芯片可以進(jìn)行編程操作，是一款高保真的音響芯片，調(diào)節(jié)放大器的增益是通過(guò)對(duì)音頻信號(hào)的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣可以滿(mǎn)足輸?shù)囊纛l動(dòng)態(tài)信號(hào)范圍較大的特點(diǎn)。

對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行一系列的處理，需要采用FFT技術(shù)在混合信號(hào)處理器AduC7026的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，AduC7026混合數(shù)字處理器是一種模擬微控制器中，具有12位的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此控制器包括45MIPS的ARM7TDMIMCU核、1MSPS的ADC（此模塊具有12通道，同時(shí)具有12位的數(shù)據(jù)采集功能）和12位的軌間電壓輸出DAC，系統(tǒng)內(nèi)還有容量為62KB的可編程閃存電路和容量為8KB的SRAM。要運(yùn)用FFT技術(shù)進(jìn)行1024點(diǎn)的運(yùn)算，要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。

采用FFT技術(shù)進(jìn)行運(yùn)算的運(yùn)算量較大，考慮到便攜式音頻信號(hào)儀的便攜性，所以CPU采用的是32位定點(diǎn)高性能、低功耗的處理器，主頻可以達(dá)到150MHZ，采樣的速率可以達(dá)到60ns，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性的需要。

在轉(zhuǎn)換電路中采樣的輸入信號(hào)要達(dá)到阻抗的要求，所以在轉(zhuǎn)換電路添加了一個(gè)音頻信號(hào)調(diào)理電路。如果是一般的信號(hào)調(diào)理，只要是差動(dòng)運(yùn)放電路就可以滿(mǎn)足阻抗要求，但是這樣的差動(dòng)運(yùn)放電路的精密度太差，如果要對(duì)差動(dòng)運(yùn)放電路放大增益，要對(duì)電阻進(jìn)行調(diào)整，影響了系統(tǒng)的放大精確度。所以為了避免以上的缺點(diǎn)采用了低功耗的信號(hào)放大器，這樣就不用考慮電阻的范圍，只要根據(jù)相關(guān)的公式求取電阻值即可。阻抗匹配后，加一個(gè)濾波電路，會(huì)使信號(hào)轉(zhuǎn)換的效果更好。

對(duì)于采樣電路，采用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以滿(mǎn)足信號(hào)轉(zhuǎn)換速度的要求，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能價(jià)格比較高，軒換頻率可以達(dá)到100KHZ。采樣模塊按照采用間隔值定時(shí)對(duì)信號(hào)調(diào)整模塊的輸出進(jìn)行周期采用。在使用時(shí)要保證轉(zhuǎn)換的采樣頻率和并口傳輸速率的設(shè)置協(xié)調(diào)性，保證在下一個(gè)采樣間隔里處理器可以有足夠的時(shí)間來(lái)讀取采用數(shù)據(jù)。

進(jìn)行本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行了擴(kuò)展，本系統(tǒng)擴(kuò)展了32KB的SRAM存儲(chǔ)器，通過(guò)觀察輸入信號(hào)放大器的電路圖可以看出，音頻信號(hào)是通過(guò)電壓跟隨器來(lái)對(duì)阻抗進(jìn)行匹配的。AduC7026混合數(shù)字處理器要求ADC轉(zhuǎn)換器的輸入模擬電壓為2.5V，所以可以采用可編程增益放大器來(lái)對(duì)輸入的音頻信號(hào)的幅度進(jìn)行放大，直到達(dá)到ADC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換要求。可編程增益放大器的增益和衰減范圍為-95.5-31.5dB，步長(zhǎng)是0.5dB，這樣可以對(duì)大小不同的信號(hào)進(jìn)行放大。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)對(duì)MCU進(jìn)行采集，可以通過(guò)AD536將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換出直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以對(duì)輸入信號(hào)的幅度大小進(jìn)行判斷，再對(duì)可編程增益放大器進(jìn)行控制，對(duì)音頻信號(hào)的幅度進(jìn)行程控放大，這樣可以滿(mǎn)足ADC的輸入要求，從而提高運(yùn)用FFT技術(shù)進(jìn)行運(yùn)算的精度。

2　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序包括系統(tǒng)初始化、PGA增益控制、數(shù)據(jù)采集以及對(duì)功率、頻譜、失真度等性能指標(biāo)的計(jì)算，系統(tǒng)的流程大體是這樣的：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)后進(jìn)行自我校準(zhǔn)，檢測(cè)PGA是否為最佳設(shè)置，如果不是重要進(jìn)行校準(zhǔn)，如果是最佳設(shè)置就進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集完成后進(jìn)行FFT的運(yùn)算，并對(duì)失真度等指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算，最后將運(yùn)算信息顯示在LED顯示器上。

需要特別說(shuō)明的是，如果系統(tǒng)進(jìn)行上電復(fù)位，自我校準(zhǔn)是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，主要是對(duì)音頻信號(hào)的幅度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)PGA參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，直到最佳狀態(tài)為止。接下來(lái)就是對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對(duì)采集到的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，最終得到需要的音頻信號(hào)指標(biāo)。

進(jìn)行FFT計(jì)算是最重要的分析程序，根據(jù)采樣得到的采樣值和頻譜取樣的譜間距，可以推算得到傅立葉變形的離散公式，公式中有兩個(gè)重要的參數(shù)是時(shí)間序列的頻譜和蝶形因子。通過(guò)計(jì)算N點(diǎn)的時(shí)域采樣值，可以得到N個(gè)頻譜條，這便是離散傅立葉變換。由于蝶形因子具有對(duì)稱(chēng)性和周期性，所以對(duì)離散傅立葉變換進(jìn)行運(yùn)算改進(jìn)，可以大大減少計(jì)算量。將N點(diǎn)的離散傅立葉變換分解為二分之一N點(diǎn)的DFT，這樣2個(gè)二分之一N點(diǎn)的離散傅立葉變換的計(jì)算量可以減少一半。將這樣的分解循環(huán)下去，將二分之一N點(diǎn)的離散傅立葉變換分解為四分之一N點(diǎn)的離散傅立葉變換，再就四分之一點(diǎn)的離散傅立葉變換分解為八分之一N點(diǎn)。如此循環(huán)反復(fù)，如果離散傅立葉變換條件為N=2N，則可以用最小的分解點(diǎn)基數(shù)來(lái)進(jìn)行FFT運(yùn)算，計(jì)算量會(huì)大大減少，

3　便攜式音頻信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)后的試用結(jié)果

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能后，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，音頻信號(hào)的輸入采用信號(hào)發(fā)生器的正弦信號(hào)，輸入信號(hào)電壓的幅值不變，觀察在不同的頻率情況下，測(cè)量的頻率誤差和電壓誤差。

通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，電壓幅值的最大相對(duì)誤差小于0.5%，精度為0.5級(jí)，頻率的相對(duì)誤差小于0.4%，精度也在0.5級(jí)以上，頻率的分辨率也符合設(shè)計(jì)的要求。

4　小結(jié)

本文分析了便攜式音頻信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)原理，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，本文進(jìn)行的便攜式音頻信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)是基于AduC7026混合信號(hào)處理器和FFT技術(shù)來(lái)進(jìn)行的，對(duì)便攜式音頻信號(hào)分析儀進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用AduC7026混合信號(hào)處理器進(jìn)行FFT運(yùn)算，由可編程增益放大器來(lái)組成模擬前端，這樣可以滿(mǎn)足音頻信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大的需求，可以精確的分析20HZ-20KHZ音頻信號(hào)的功率、頻譜結(jié)構(gòu)、失真度等音頻信號(hào)指標(biāo)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)以后進(jìn)行測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)較高的智能化水平，性?xún)r(jià)比也較高，此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究希望可以為便攜式音頻信號(hào)分析的設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供參考。

［1］ 戴振華.ZOOM-FFT算法在數(shù)字音頻分析儀中的實(shí)現(xiàn)，兵工自動(dòng)化，2007，26（10）：82-83.

［2］ 蘇奎峰.TMS320F2812原理與開(kāi)發(fā)，北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［3］ 賀昆.基于DSP技術(shù)的超音頻感應(yīng)加熱電源的仿真模型，電氣應(yīng)用，2006，25（1）：86-89.

［4］ 張偉杰.基于通用型DSP的前端音頻信號(hào)的處理方案，電聲技術(shù)，2006（2）：58-60.

The design of portable audio signal analyzer

Li Yiyan
（State Press and Publication Administration of radio and television 654，Hutubi Xinjiang，831200）

Based on the analysis of the portable audio signal analyzer design process includes two aspects of system design and the software design，the AduC7026 integrated hybrid processor and the FFT technique to design and system design after the test，can accurately on the power and spectrum node structure，distortion of audio signal indicators for precise analysis，this system has simple circuit and good stability，performance and price ratio higher a series of merits can for portable audio signal analyzer design reference.

portable；audio signal analyzer；design；electronic testing