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单片机实现音频频谱显示的快速算法研究

作者:时间:2009-12-09来源:网络收藏


1 引言
在家庭影院、卡拉OK等音响系统中,实时音乐信号的将为音响系统增添不少色彩。目前实际生产的音响系统产品,大多采用以下两种方法:一是利用硬件滤波器和A/D转换器;二是利用DSP处理。前者简单,但硬件成本高,后者软件和硬件都较复杂。这里针对RAM资源少、运算速度慢的特点,提出一种切实可行的傅里叶变换实现

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/173536.htm

2 系统整体设计及原理
该系统设计由SST89V58RD2、数据采样电路、A/D转换电路、电路等部分组成。图1为系统整体设计原理框图。

该系统从功能上可划分成3部分:(1)数据采集电路实现模拟音频信号的采样保持和量化处理,包括音频采样电路和加转换电路;(2)电路实现模拟音频信号频谱的分段显示,它将音频信号频谱划分成14段,每段按照14级量化,由VFD显示器件显示;(3)主控制器采用SST89V58RD2。在完成系统其他控制任务的前提下,充分利用单片机剩余计算资源,采用优化FFT计算音频信号频谱,并将计算结果输出到频谱显示电路。


3 音频信号的采集和预处理
3.1 采样频率
根据香农采样定理,一般采样频率至少应为所采样音频信号最高频率的2倍。由于人耳能够感受的频率为20 Hz~20 kHz,所以理论上采样频率最高取40 kHz。目前工业上广泛采用的采样频率大致有3种:44 kHz、16 bit的声音称作CD音质:22 kHz、16 bit的声音效果近似于立体声广播(FMStereo),称作广播音质;11 kHz、8 bit的声音称作电话音质。本文为提高频谱计算的精度,拟采用40 kHz的采样频率和8Bit的数据位长。
3.2 样本大小
采样频率确定后,还需确定样本值,即完成一次FFT运算所需的采样点数。根据数字信号处理的基本原理,假设采样频率为Fs,采样点数为N,则FFT运算后,第n点所表示的频率为:Fn=[(n-1)×Fs]/N(1≤n≤N)。Fn若要精确到Hz,则需采样长度为(1/f)s的信号。提高频率分辨率,需增加采样点数,但这在一些实际应用中是不现实的,则采用有频率细分法,即采样比较短时间的信号,然后在后面补充一定数量的0,使其长度达到所需的点数,再作FFT,这在一定程度上能够提高频率分辨率。由于该系统是将音频信号频谱划分成14段显示,因此采用16点FFT运算,去掉第1点和第16点的结果即可。
3.3 音频数据采集电路
A/D转换器选用TLC549,它具有8位转换结果,差分基准电压输入,3线数据串行输出接口,转换时间最大达17μs,每秒访问和转换次数达到40 000次,全部非校准误差为±0.5LSB,低功耗,最大为15 mW。因此,该器件完全满足系统40kHz采样频率的要求。
图2为系统音频数据采集电路。音频信号来源于CD或DVD碟机输出的音乐信号,因而基本无噪音,考虑到音频信号是交流信号,电压范围在±0.1 V之间,而TLC549的输入必须是直流的,电压范围为0~5 V,所以还需整流和放大的预处理过程。A/D转换后得到8位数字值音频幅值的8位数字量。

4 音频频谱
音频频谱值的计算采用傅里叶算法FFT(Fast Fourier Transform),为了提高显示器的刷新频率,系统每隔10 ms读取16次A/D转换值,得到16点实数序列,紧接着完成16点FFT运算得到16点复数序列。


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