基于MSP430F1611單片機(jī)的音頻信號分析

摘要：為了使音頻信號分析儀小巧可靠，成本低廉，設(shè)計了以2片MSP430F1611單片機(jī)為核心的系統(tǒng)。該系統(tǒng)將音頻信號送入八階巴特沃茲低通濾波器，對信號進(jìn)行限幅放大、衰減、電平位移、緩沖，并利用一單片機(jī)負(fù)責(zé)對前級處理后的模擬信號進(jìn)行采樣，將采集得到的音頻信號進(jìn)行4 096點基2的FFT計算，并對信號加窗函數(shù)提高分辨率，另一單片機(jī)負(fù)責(zé)對信號的分析及控制顯示設(shè)備。此設(shè)計精確的測量了音頻信號的功率譜、周期性、失真度指標(biāo)，達(dá)到較高的頻率分辨率，并能將測量結(jié)果通過紅外遙控器顯示在液晶屏上。
關(guān)鍵詞：MSP430F1611；FFT；窗函數(shù)；頻率分辨率；周期性；失真度；功率譜

音頻信號分析是語音識別的基礎(chǔ)，現(xiàn)在大多數(shù)音頻信號分析儀不僅體積大而且價格貴，某些特殊方面難以普及，而嵌入式系統(tǒng)分析儀具有小巧可靠的特點，所以開發(fā)基于特殊功能單片機(jī)的音頻信號分析儀器具有很好的現(xiàn)實意義。
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)的方法來實現(xiàn)對音頻信號各項參數(shù)的分析。

1 系統(tǒng)總體方案
信號首先通過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)對模擬信號進(jìn)行采樣，并對采集得到的信號進(jìn)行4096點的FFT計算，另一片負(fù)責(zé)控制顯示設(shè)備以及完成對信號功率譜，周期性，失真度的分析。
系統(tǒng)的總體方框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)各硬件設(shè)計
2．1 抗混疊濾波器的設(shè)計
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時，頻率f>fs／2的信號將被關(guān)于fs／2的頻率鏡像到2fs-f處，帶外雜散信號所引起的混疊現(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，而輸入信號最高為10 kHz，過采樣率較低，故對濾波器提出了比較高的要求。考慮到巴特沃茲濾波器平坦的帶內(nèi)幅頻特性，使用了連續(xù)時間有源濾波器MAX274設(shè)計了8階的巴特沃茲濾波器(如圖2所示)，使20 kHz外的信號得到有效地衰減，經(jīng)過試驗，效果比較好。