基于MSP430F1611單片機(jī)的音頻信號(hào)分析

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　　本系統(tǒng)將采用集成有μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的單片機(jī)，利用快速傅里葉變換并加窗函數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)各項(xiàng)參數(shù)的分析。

　　1 系統(tǒng)總體方案

　　信號(hào)首先通過8階有源巴特沃茲濾波器進(jìn)行抗混疊處理，然后通過放大衰減，電平搬移緩沖網(wǎng)絡(luò)后，送單片機(jī)處理。

　　系統(tǒng)的2片MSP430F1611單片機(jī)，一片負(fù)責(zé)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)采集得到的信號(hào)進(jìn)行4096點(diǎn)的FFT計(jì)算，另一片負(fù)責(zé)控制顯示設(shè)備以及完成對(duì)信號(hào)功率譜，周期性，失真度的分析。

　　系統(tǒng)的總體方框圖如圖1所示。

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　　2 系統(tǒng)各硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)Nyquist定理，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器以fs的頻率采樣輸入信號(hào)時(shí)，頻率f>fs/2的信號(hào)將被關(guān)于fs/2的頻率鏡像到2fs-f處，帶外雜散信號(hào)所引起的混疊現(xiàn)象如果沒有經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波處理，這些頻率成分將會(huì)影響到帶內(nèi)數(shù)據(jù)采集的性能指標(biāo)。本系統(tǒng)選擇了約40 kHz的換檔采樣頻率，而輸入信號(hào)最高為10 kHz，過采樣率較低，故對(duì)濾波器提出了比較高的要求?？紤]到巴特沃茲濾波器平坦的帶內(nèi)幅頻特性，使用了連續(xù)時(shí)間有源濾波器MAX274設(shè)計(jì)了8階的巴特沃茲濾波器(如圖2所示)，使20 kHz外的信號(hào)得到有效地衰減，經(jīng)過試驗(yàn)，效果比較好。

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　　2.2 前端放大器的設(shè)計(jì)

　　由于輸入音頻信號(hào)的幅度可能會(huì)較大，我們假設(shè)外界給予的信號(hào)能達(dá)到10 V峰峰值，而MSP430F1611單片機(jī)片內(nèi)AD采集信號(hào)范圍為0～2.51 V，故需將信號(hào)進(jìn)行壓縮。經(jīng)綜合考慮，本系統(tǒng)分為4檔，并保證每檔都有重疊的部分。100 mV以下通過低失調(diào)運(yùn)放op07放大27.6 dB(24倍)，90 mV～2.5V范圍內(nèi)直通，而在2～5 V范圍內(nèi)通過電阻分壓衰減6.02 dB(2倍)。同樣在4～10 V范圍內(nèi)衰減12.04 dB(4倍)，然后通過輸入設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)選檔，控制每路繼電器的通斷，選擇到最適合的檔位，再將此信號(hào)經(jīng)過電平搬移電路后緩沖輸入單片機(jī)采樣進(jìn)行FFT計(jì)算。本模塊在級(jí)聯(lián)時(shí)注重了對(duì)前后級(jí)的隔離，加入了緩沖級(jí)，使測(cè)量信號(hào)幅度的誤差減小，如圖3所示。

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　　2.3 音頻信號(hào)周期性的判斷及周期測(cè)量

　　本系統(tǒng)通過設(shè)定功率門限值，能有效地判斷所送入的信號(hào)是否具有周期性，并計(jì)算出周期信號(hào)的周期值。對(duì)于一般的周期信號(hào)f(t)，將f(t)展開成傅里葉級(jí)數(shù)得：

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　　將式(1)兩邊取傅里葉變換得：

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　　可看出一般的周期信號(hào)是由一系列的沖激函數(shù)組成的離散頻譜，且沖激發(fā)生在信號(hào)的諧波頻率處(0，±w1，±2w2...)，而非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)的，所以信號(hào)頻譜分布較分散，在頻譜上不可能有大的階躍，這樣可通過設(shè)定一功率門限值，如果有大于此門限值的頻譜存在就是周期信號(hào)，反之則不是，當(dāng)判斷信號(hào)為周期信號(hào)時(shí)，將信號(hào)送入比較器，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)送入單片機(jī)計(jì)數(shù)從而判斷其周期。經(jīng)過多次試驗(yàn)，選擇一個(gè)較好的門限值，這樣就能判斷很大部分的信號(hào)(如三角波、鋸齒波、正弦波)是否具有周期性，從而準(zhǔn)確計(jì)算出信號(hào)的周期。