基于MSP430F1611单片机的音频信号分析

摘要：为了使音频信号分析仪小巧可靠，成本低廉，设计了以2片MSP430F1611单片机为核心的系统。该系统将音频信号送入八阶巴特沃兹低通滤波器，对信号进行限幅放大、衰减、电平位移、缓冲，并利用一单片机负责对前级处理后的模拟信号进行采样，将采集得到的音频信号进行4 096点基2的FFT计算，并对信号加窗函数提高分辨率，另一单片机负责对信号的分析及控制显示设备。此设计精确的测量了音频信号的功率谱、周期性、失真度指标，达到较高的频率分辨率，并能将测量结果通过红外遥控器显示在液晶屏上。
关键词：MSP430F1611；FFT；窗函数；频率分辨率；周期性；失真度；功率谱

音频信号分析是语音识别的基础，现在大多数音频信号分析仪不仅体积大而且价格贵，某些特殊方面难以普及，而嵌入式系统分析仪具有小巧可靠的特点，所以开发基于特殊功能单片机的音频信号分析仪器具有很好的现实意义。
本系统将采用集成有μC／OS-Ⅱ操作系统的单片机，利用快速傅里叶变换并加窗函数的方法来实现对音频信号各项参数的分析。

1 系统总体方案
信号首先通过8阶有源巴特沃兹滤波器进行抗混叠处理，然后通过放大衰减，电平搬移缓冲网络后，送单片机处理。
系统的2片MSP430F1611单片机，一片负责对模拟信号进行采样，并对采集得到的信号进行4096点的FFT计算，另一片负责控制显示设备以及完成对信号功率谱，周期性，失真度的分析。
系统的总体方框图如图1所示。

2 系统各硬件设计
2．1 抗混叠滤波器的设计
根据Nyquist定理，AD模数转换器以fs的频率采样输入信号时，频率f>fs／2的信号将被关于fs／2的频率镜像到2fs-f处，带外杂散信号所引起的混叠现象如果没有经过适当的滤波处理，这些频率成分将会影响到带内数据采集的性能指标。本系统选择了约40 kHz的换档采样频率，而输入信号最高为10 kHz，过采样率较低，故对滤波器提出了比较高的要求。考虑到巴特沃兹滤波器平坦的带内幅频特性，使用了连续时间有源滤波器MAX274设计了8阶的巴特沃兹滤波器(如图2所示)，使20 kHz外的信号得到有效地衰减，经过试验，效果比较好。

2．2 前端放大器的设计
由于输入音频信号的幅度可能会较大，我们假设外界给予的信号能达到10 V峰峰值，而MSP430F1611单片机片内AD采集信号范围为0～2．51 V，故需将信号进行压缩。经综合考虑，本系统分为4档，并保证每档都有重叠的部分。100 mV以下通过低失调运放op07放大27．6 dB(24倍)，90 mV～2．5V范围内直通，而在2～5 V范围内通过电阻分压衰减6．02 dB(2倍)。同样在4～10 V范围内衰减12．04 dB(4倍)，然后通过输入设备进行手动选档，控制每路继电器的通断，选择到最适合的档位，再将此信号经过电平搬移电路后缓冲输入单片机采样进行FFT计算。本模块在级联时注重了对前后级的隔离，加入了缓冲级，使测量信号幅度的误差减小，如图3所示。

2．3 音频信号周期性的判断及周期测量
本系统通过设定功率门限值，能有效地判断所送入的信号是否具有周期性，并计算出周期信号的周期值。对于一般的周期信号f(t)，将f(t)展开成傅里叶级数得：

将式(1)两边取傅里叶变换得：

可看出一般的周期信号是由一系列的冲激函数组成的离散频谱，且冲激发生在信号的谐波频率处(0，±w1，±2w2...)，而非周期信号的频谱是连续的，所以信号频谱分布较分散，在频谱上不可能有大的阶跃，这样可通过设定一功率门限值，如果有大于此门限值的频谱存在就是周期信号，反之则不是，当判断信号为周期信号时，将信号送入比较器，产生的脉冲信号送入单片机计数从而判断其周期。经过多次试验，选择一个较好的门限值，这样就能判断很大部分的信号(如三角波、锯齿波、正弦波)是否具有周期性，从而准确计算出信号的周期。
2．4 音频信号失真度的测量
对于正弦信号来说，基波频谱的功率值总是最大的，可通过此方法来判断基波的频谱，从而得到基波的功率。正弦信号的失真度定义为信号中全部谐波分量的能量与基波能量之比的平方根值，设正弦信号的基波功率为P1，信号的总功率为P，则正弦信号的失真度为

通过所分析出来的各频谱功率即可计算出正弦信号的失真度。

3 系统软件设计
3．1 嵌入式系统设计
本设计在MSP430F1611单片机中嵌入了μC／OS-Ⅱ操作系统，可以很方便地实现多任务的调度与协调，极大地节约了软件开发时间和减少了出错几率。系统的软件流程图如下：图4为FFT的软件流程图，图5为负责信号采集并进行FFT计算的从机MSP430F1611的流程图，图6为负责外设信号分析的主机MSP430F1611的流程图。

3．2 FFT算法