基于MSP430F1611單片機的音頻信號分析

摘要：為了使音頻信號分析儀小巧可靠，成本低廉，設計了以2片MSP430F1611單片機為核心的系統。該系統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，并利用一單片機負責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(diǎn)基2的FFT計算，并對信號加窗函數提高分辨率，另一單片機負責對信號的分析及控制顯示設備。此設計精確的測量了音頻信號的功率譜、周期性、失真度指標，達到較高的頻率分辨率，并能將測量結果通過(guò)紅外遙控器顯示在液晶屏上。
關(guān)鍵詞：MSP430F1611；FFT；窗函數；頻率分辨率；周期性；失真度；功率譜

音頻信號分析是語(yǔ)音識別的基礎，現在大多數音頻信號分析儀不僅體積大而且價(jià)格貴，某些特殊方面難以普及，而嵌入式系統分析儀具有小巧可靠的特點(diǎn)，所以開(kāi)發(fā)基于特殊功能單片機的音頻信號分析儀器具有很好的現實(shí)意義。
本系統將采用集成有μC／OS-Ⅱ操作系統的單片機，利用快速傅里葉變換并加窗函數的方法來(lái)實(shí)現對音頻信號各項參數的分析。

1 系統總體方案
信號首先通過(guò)8階有源巴特沃茲濾波器進(jìn)行抗混疊處理，然后通過(guò)放大衰減，電平搬移緩沖網(wǎng)絡(luò )后，送單片機處理。
系統的2片MSP430F1611單片機，一片負責對模擬信號進(jìn)行采樣，并對采集得到的信號進(jìn)行4096點(diǎn)的FFT計算，另一片負責控制顯示設備以及完成對信號功率譜，周期性，失真度的分析。
系統的總體方框圖如圖1所示。

2 系統各硬件設計
2．1 抗混疊濾波器的設計
根據Nyquist定理，AD模數轉換器以fs的頻率采樣輸入信號時(shí)，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象如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)適當的濾波處理，這些頻率成分將會(huì )影響到帶內數據采集的性能指標。本系統選擇了約40 kHz的換檔采樣頻率，而輸入信號最高為10 kHz，過(guò)采樣率較低，故對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幅頻特性，使用了連續時(shí)間有源濾波器MAX274設計了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(guò)試驗，效果比較好。