【正文】 內(nèi)一系列特性的過程。 音頻分析的原理主要涉及數(shù)字信號處理的基本理論、音頻分析的基本方法以及音頻參數(shù)測量和分析內(nèi)容，其中數(shù)字信號處理是音頻分析的理論基礎(chǔ)。 傅立葉變換和信號的采樣是進行音頻分析時用到的最基本的技術(shù)。傅立葉 變換是進行頻譜分析的基礎(chǔ)，信號的頻譜分析是指按信號的頻率結(jié)構(gòu)，求取其分量的幅值、相位等按頻率分布規(guī)律，建立以頻率為橫軸的各種 “譜 ”，如幅度譜、相位譜。在以計算機為中心的測試系統(tǒng)中，模擬信號進入數(shù)字計算機前先經(jīng)過 A/D變換器，將連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，稱為信號的采樣。然后再經(jīng)幅值量化變?yōu)殡x散的數(shù)字信號。這樣，在頻域上將會出現(xiàn)一系列新的問題，頻譜會發(fā)生變化。由模擬信號變成數(shù)字信號后，其傅立葉變換也變成離散傅立葉變換，涉及到采樣定理、頻率混疊、截斷和泄漏、加窗與窗函數(shù)等一系列問題。 一、音頻分析方法 通常在 對某音頻設(shè)備音頻測量分析時，該設(shè)備被看成是一個具有輸入端口和輸出端口的黑箱系統(tǒng)。將某種己知信號輸入該系統(tǒng)，然后從輸出端獲取輸出信號進行分析，從而了解該系統(tǒng)的一些特性，這就是音頻分析的一般方法。輸入音頻設(shè)備的信號，稱作激勵信號。激勵信號可以是正弦、方波等周期信號，也可以是白噪聲、粉紅噪聲等隨機信號，還可以是雙音、多音、正弦突發(fā)等信號。最常用的檢測分析方法有正弦信號檢測、脈沖信號檢測、最大長度序列信號檢測等。 二、音頻參數(shù)測量及分析 音頻測量一般包括信號電壓、頻率、信噪比、諧波失真等基本參數(shù)。大部分音頻參 數(shù)都可以由這幾種基本參數(shù)組合而成。音頻分析可以分為時域分析、頻域分析、時頻分析等幾類。由于信號的諧波失真對于音頻測量比較重要，因此將其單獨歸類為失真分析。以下分別介紹各種音頻參數(shù)測量和音頻分析。 2 音頻測量中需要測量的基本參數(shù)主要有電壓、頻率、信噪比。電壓測試可以分為均方根電壓 (RMS)、平均電壓和峰值電壓等幾種。 頻率是音頻測量中最基本的參數(shù)之一。通常利用高頻精密時鐘作為基準來測量信號的頻率。測量頻率時，在一個限定的時間內(nèi)的輸入信號和基準時鐘同時計數(shù)，然后將兩者的計數(shù)值比較后乘以基準時鐘的頻率就得到信號頻率 。隨著微處理芯片的運算速度的提高，信號的頻率也可以利用快速傅立葉變換通過軟件計算得到。 信噪比是音頻設(shè)備的基本性能指標，是信號的有效電壓與噪聲電壓的比值。在實際測量中，為方便起見，通常用帶有噪聲的信號總電壓代替信號電壓計算信噪比。 時域分析通常是將某種測試信號輸入待測音頻設(shè)備，觀察設(shè)備輸出信號的時域波形來評定設(shè)備的相關(guān)性能。最常用的時域分析測試信號有正弦信號、方波信號、階躍信號及單音突變信號等。例如將正弦信號輸入設(shè)備，觀察輸出信號時域波形失真就是一種時域分析方法。 頻域分析是音頻分析的重要內(nèi)容，頻域分析的主 要依據(jù)是頻率響應(yīng)特性曲線圖。頻率響應(yīng)曲線圖反映了音頻設(shè)備在整個音頻范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)的分布情況。一般來說曲線峰值處的頻率成分，回放聲壓大、聲壓強；曲線谷底處頻率成分聲壓小、聲音弱。若波峰和波谷起伏太大，則會造成較嚴重的頻率失真。 諧波失真的測量方法有兩種，一種是以正弦信號輸入待測設(shè)備，然后分析設(shè)備響應(yīng)信號的頻率成分，可以得到諧波失真。另一種更簡單的測量方法是首先利用帶阻濾波器濾除響應(yīng)信號中的基頻成分，然后直接測量剩余信號的電壓，將其與原響應(yīng)信號作比較，就可以得到諧波失真。顯然第二種方法得到的諧波失真是THD+N，由于采用了信號的總電壓值代替了基頻分量電壓值，因此得到的諧波失真比實際值偏小，且實際的諧波失真越大，誤差越大。在實際的音頻測量時，通常在一定的頻率范圍內(nèi)選取若干個頻率點，分別測量出各點的諧波失真，然后將各諧波失真數(shù)值以頻率為橫坐標連成一條曲線，稱為諧波失真曲線。 3 第一章 方案論證與比較 處理器的比較與選擇 在處理器的選擇上通?？梢圆捎?8 位， 16 位或者 32 位的 MCU,但由于在處理信號的過程中，通常會遇到快速傅立葉 FFT 算法，所以會遇到大量的浮點運算，而且一個要占四個字節(jié)，故在處理過程中要占大量的 內(nèi)存，同時浮點運算速度比較慢，所以采用普通的 MCU 在一定時間難以完成，所以綜合考慮運算速度和內(nèi)存大小，我們選用 plihips 公司的 32 位 MCU LPC2148，該芯片具有 32k 的 RAM，并且時鐘頻率高達 60MHZ,在速度和內(nèi)存上都能滿足浮點運算，并且控制方便，成本便宜，所以本系統(tǒng)采用 32 位 LPC2148. 方案一、用 DDS 芯片配合 FIFO 對信號進行采集，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 ,已經(jīng)遠遠可以實現(xiàn)我們的 ，而且控制方便成本便宜，所以我們選擇由 MCU 直接采樣。 ． FFT 計算方法選擇 方案一、采用 VHDL 硬件實施。 方案二、采用 c 語言編寫 FFT 程序。 FFT 的 VHDL 程序編寫難度大，短時間內(nèi)不易實現(xiàn)，并且 C 語言語言簡潔緊湊，語法限制不太嚴格，程序設(shè)計自由度大，且具有好的 移植性，所以我們只需把普通的 C 語言 FFT 算法版本稍加修改就能用在本方案中，所以應(yīng)該我們選用方案 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 4 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，可以先對信號進行處理，然后假定具有周期性，然后測出頻率，把采樣的信號進行周期均值法和定點分析法分析后可以 判別出其周期性。 綜上，我們選擇信號在時域進行周期性分析和測量。對于一般的音頻信號，其時域變化是不規(guī)則的，所以無周期性。而對于單頻信號或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。我們可在頻域?qū)π盘栴l譜進行定量分析，從而得出周期性。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行采樣，采取連續(xù)兩個周期的信號，對其值進行逐次比較和平均比較，若相差太遠，則認為不是周期信號，若相差不遠，則可以認為是周期信號。 信號功率的計算方法比較與選擇 方案一 、通過測真有效值的方法實現(xiàn)，應(yīng)用 普通的真有效值檢測芯片就可以方便的檢測出信號在一定時間的總功率，但對單個頻率處的功率測量無能為力。 方案二 、在用 FFT 得到信號的頻譜后可以很方便的得出信號各頻率分量的功率及信號的總功率。 本設(shè)計我們可以通過 FFT 得到信號的頻譜，所以選擇方案二。 低通濾波器的比較與選擇 方案一、通過 巴特沃斯濾波器 濾除高頻率的信號， 巴特沃斯濾波器 其采用的是 巴特沃斯傳遞函數(shù) ， 在通頻帶內(nèi)外都有平穩(wěn)的幅頻特性，但有較長的過渡帶，在過渡帶上很容易造成失真 ， 方案二 、過 切比雪夫濾波器 濾除信號中的高頻率信號 ，采用的是切比雪夫傳遞函數(shù) ， 切比雪夫濾波器的過渡帶很窄 ， 但內(nèi)部的幅頻特性卻很不穩(wěn)定。 方案三 、通過貝賽爾低通濾波器來濾除信號中的高頻率信號，貝 賽爾濾波器是具有最大平坦的群延遲（線性相位響應(yīng)）的線性過濾器。模擬貝賽爾濾波器描繪為幾乎橫跨整個通頻帶的恒定的群延遲，在通頻帶上保持了被過濾的信號波形 ， 有向其截止頻率以下的所有頻率提供等量延時的特性 。 基于設(shè)計要求的濾波要求，最合適的是方案三。 綜合以上環(huán)節(jié)各個方案的論證，我們能得到最適合本次設(shè)計的模塊。 5 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 總體設(shè)計 系統(tǒng)的主要任務(wù)是對輸入的音頻信號進行功率測量和 頻譜分析。音頻信號經(jīng)過一個由運放和電阻組成的 50 Ohm 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后，經(jīng)由量程控制模塊進行處理，若是一般的 100mV5V 的電壓，我們選擇直通，也就是說信號沒有衰減或者放大，但是若信號太小， 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器在 參考電壓的條件下的最小分辨力為 1mV 左右，所以如果選擇直通的話其離散化處理的誤差將會很大，所以若是采集到信號后發(fā)現(xiàn)其值太小，在 20mV250mV 之間的話，我們可以將其認定為小信號，從而選擇信號經(jīng)過 20 倍增益的放大器后再進行 A/D 采樣。 經(jīng)過 12位 A/D轉(zhuǎn)換器 ADS7819轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號 經(jīng)由 32位 MCULPC2148進行 FFT 變換和處理，分析其頻譜特性和各個頻率點的功率值，然后將這些值進行顯示。信號由 32 位 MCU 分析后判斷其周期性，然后進行顯示。 圖 設(shè)計總流程圖 單元電路設(shè)計 四階低通濾波器電路設(shè)計 對于不同 濾波器 而言，每個 頻率 的信號的強弱程度不同。當(dāng)用在音頻應(yīng)用時，它有時被稱為高頻剪切濾波器 , 或高音消除濾波器。 低通濾波器概念有許多不同的形式，其中包括電子線路（如音頻設(shè)備中使用的 hiss 濾波器 ） 、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障（ acoustic barriers）、圖像模糊處理等等，這兩個工具都通過剔除短期波動、保留長期發(fā)展趨勢 6 提供了信號的平滑形式。 低通濾波器在信號處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動平均數(shù)所起的作用； 低通濾波器有很多種其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器。 巴特沃斯濾波器是濾波器的一種設(shè)計分類，其采用的是巴特沃斯傳遞函數(shù)，有高通、低通、帶通、帶阻等多種濾波器類型。 巴特沃斯濾波器在通頻帶內(nèi)外都有平穩(wěn)的幅頻特性，但有較長的過渡帶，在過渡帶上很容易造成失真。 切比雪夫濾波器也是濾波器的一種設(shè)計分類，其采用的是切比雪夫傳遞函數(shù)，也有高通、低通、帶通、高阻、帶阻等多種濾波器類型。 同巴特沃斯濾波器相添加圖片比，切比雪夫濾波器的過渡帶很窄，但內(nèi)部的幅頻特性卻很不穩(wěn)定。 電子學(xué)和信號處理中，貝賽爾 (Bessel)濾波器是具有最大平坦的群延遲（線性相位響應(yīng)）的線性過濾器。貝賽爾濾波器常用在音頻天橋系統(tǒng)中。模擬貝賽爾濾波器描繪為幾乎橫跨整個通頻帶的恒定的群延遲，因而在通頻帶上保持了被過濾的信號波形。濾波器的名字來自于 Friedrich 貝賽爾，一位德國數(shù)學(xué)家，他發(fā)展了濾波器的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。 貝塞爾 (Bessel)濾波器具有最平坦的幅度和相位相應(yīng)。帶通（通常為用戶關(guān)注區(qū)域）的相位響應(yīng)近乎呈線性。 Bessel 濾波器可用于減少所有 IIR 濾波器固有的非線性相位失真。 貝塞爾 (Bessel)線性相位濾波器正是由于具有向其截止頻率以下的所有頻率提供等量延時的特性，才被用于音頻設(shè)備中，在音頻設(shè)備中，必須在不損害頻帶內(nèi)多信號的相位關(guān)系前提下，消除帶外噪聲。另外，貝塞爾濾波器的階躍響應(yīng)很快，并且沒有過沖或振鈴，這使它在作為音頻 DAC 輸出端的平 滑濾波器，或音頻 ADC 輸入端的抗混疊濾波器方面，是一種出色的選擇。貝塞爾濾波器還可用于分析 D 類放大器的輸出，以及消除其它應(yīng)用中的開關(guān)噪聲，來提高失真測量和示波器波形測量的精確度。 7 貝塞爾濾波器在它的通頻帶內(nèi)提供平坦的幅度和線性相位（即一致的群延時）響應(yīng)，但它的選擇性比同階（或極數(shù)）的巴特沃斯 (Butterworth)濾波器或切比雪夫 (Chebyshev)濾波器要差。因此，為了達到特定的阻帶衰減水平，需要設(shè)計更高階的貝塞爾濾波器，從而它又需要仔細選擇放大器和元件來達到最低的噪聲和失真度 。 系統(tǒng)要求 音頻信號頻 率為 20HZ~10KHZ，根據(jù)奎斯特定律，我們至少要保證20KHz的采樣頻率，才能保證所處理的信號被不失真的采集，否則會發(fā)生混疊現(xiàn)象 (還原信號時，被采樣的低頻信號與高頻信號無法區(qū)分 )，現(xiàn)在就是要設(shè)計這樣一個濾波器，能夠很好的濾去 10KHZ以上的頻率，考慮到設(shè)計難度與實際情況，放棄了制作 20HZ~10KHZ帶通濾波器的想法，轉(zhuǎn)而制作一款高性能的低通濾波器，截止頻率 10KHZ。低通濾波器的制作方法很多，有源，無源，查表，同時還可以借助豐富的濾波器設(shè)計軟件驗證自己的設(shè)計，結(jié)合自己的實際制作經(jīng)驗，選用一款芯片 LF353來完成本次設(shè)計低通濾波環(huán)節(jié) ,要去除 10KHZ以上的信號干擾，采用通帶內(nèi)線良好的 4階貝塞爾濾波器，最適于音頻信號的濾波處理。能滿足題目的要求，電路如圖 : 567B84U?BLF353D2KR61KR8Res22KR51KR7Res2C322nFC5C122nFC6C2C412v12v231A84ALF353Dsign in 圖 四階濾波器原理圖 前級阻抗匹配和放大電路設(shè)計 阻抗匹配 指的是 負載阻抗與電源內(nèi)阻抗或與傳輸線波阻抗之間的特定配合關(guān)系 ， 得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。對于不同特性的電路，匹配條件是不一樣的。在純電阻電路中，當(dāng)負載電阻等于激勵源內(nèi)阻時，則輸出功率為最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。 當(dāng)激勵源內(nèi)阻抗和負載阻抗含有 電抗成份時，為使負載得到最大功率， 8 負載阻抗與內(nèi)