基于MSP430F1611单片机的音频信号分析

的具体设计
3．2．1 FFT点数与采样频率的分析
本系统应用基2的傅里叶变换进行计算，考虑到使用的16位MSP430F1611单片机的RAM存储空间为10 k，由于经过FFT计算后谱线的幅值关于中心对称，为了节省硬件资源，将FFT计算后的2048个点舍去，故可节省一半的资源，由于2 048x16 bitx2=8．192 k，故最大取N=4 096个点作FFT。本系统将频率分辨力设定为20 Hz，如果取采样频率fs=40kHz，那么此FFT的频率分辨力△f=fs／N=10 Hz。但在实际情况下，由于FFT只能分析有限个点，必须对连续时间的信号进行截断，相当于在时域信号加了一个窗，使信号频谱向两边扩散产生频谱泄漏效应；再加上FFT的频率分辨力有限，使信号频谱不能完全与FFT的谱线重合，从而产生栅栏效应，这两种效应使分析出来的谱线扩散分布；对两个相距只有20 Hz的信号，所以可采取提高FFT的频率分辨力△f即减小采样频率或提高FFT点数，或通过加窗的方法来更精确地分析频谱。本系统将所采集信号的频率分成两段，当信号频率较高时，可利用fs=40 kHz的采样频率采样，当所采集信号的频率较低时，通过输入装置改变采样频率至fs=20kHz，这样FFT的采样频率甚至可提高到△f=fs／N=5 Hz，通过此方法可提高整体系统的频率分辨力，而分析FFT的点数受到硬件资源的限制，最后也可通过加窗的方法来提高分析精度。
3．2．2 窗函数的选择
不同的窗函数对信号会产生不同的作用，旁瓣幅度比较小的窗函数有利于减小频谱泄漏，对信号频谱幅值的测量较为准确，但这种窗函数的主瓣宽度较大，会使分析出来的谱线向两边扩散得比较多，导致测量单频，多频信号频率的准确度下降，如blackman窗，Flattop窗等。而旁瓣幅度衰减较弱的窗函数主瓣宽度较窄，这样有利于对频率准确度的测量，如矩形窗，也有兼顾两者的如banning窗，bumming窗等。所以频率与幅度的测量准确性是矛盾的。本系统利用matlab仿真初步估计应选用的窗函数，所分析的信号为单频率函数

将此信号加上各窗函数后的matlab仿真结果如下：图7为加blackman窗后的频率谱线，图8为加hanning窗后的频率谱线。

根据上图可以看出1 000 Hz和1 005 Hz的频谱被分成了几根幅值比较高的谱线，这是由于泄漏效应与栅栏效应所造成的，当加banning窗时，信号频率刚好是FFT频率分辨率fs／N=10 Hz的整数倍时，信号谱线分成了7根幅值比较高的谱线。当加blackman窗时，谱线分成了将近20根幅值较高的谱线。但在实际情况下，当加hanning窗时，中心谱线处分成了3或4根幅值比较大的谱线，比仿真结果要好些，但加blaekman窗谱线分布得比仿真结果更广，但计算出来的幅度值会比banning窗的精度稍微高些，为了提高音频分析仪的频率分辨力，应尽量使相邻的谱线不相互重叠，这样才能计算各个频率信号的功率和提高频率分辨力，经过综合考虑，本系统选择加hanning窗。

4 测试方法与测试结果
4．1 测试环境及测试仪器
对该音频信号分析仪在30℃室温下进行测试，测试仪器如下：南京盛普40 M函数发生器2台，泰克60 M数字示波器1台，晶体管毫伏表DA-16，失真度测试仪ZC4128。
4．2 信号功率谱的测量
使用两台函数发生器产生两路信号进行叠加后测试，A，B两路输入电压为VppA=2．000 V(0．04 W)，频率为1 kHz，VppB=3.000V(0．09 W)，频率为1 kHz。表1为测试的结果，可知单信号功率谱测量误差在0．2％之内，而总功率测量误差也在0．2％左右。

4．3 信号频率分辨率及周期性的测量
通过函数发生器输入一般的周期信号，输入50 Hz的正弦波，以及1 000 Hz的方波，三角波，锯齿的周期波和非周期噪声信号，表2为测试结果，可见对一般的信号的周期性判断很准确，频率测试误差在1％以内。

4．4 信号失真度的测量
用函数发生器分别产生1 000 Hz、100 Hz、20 Hz的三角波以及1 000 Hz、100 Hz、20 Hz的方波，并将各信号分成两路，一路送失真度测试仪，一路送音频信号分析仪，通过对比所得结果来判断测试的精度。表3为测试结果，可见由于1 k左右的的谐波分量较高，抗混叠滤波器将高次谐波的能量滤除，故会使失真度偏差较大，当信号的频率降低时，失真度会测量得比较准确。

5 结束语
本系统利用快速傅里叶变换(FFT)的算法，综合外围采样电路，利用两块MSP430F1611单片机对信号进行处理，并借助了matlab工具进行预估计和判断，有效地减小了软件设计的盲目性。并通过加缓冲电路减小了前后级电路的相互影响，使音频信号分析仪的精度得到了有效地提高。
在测试较高频率信号的失真度时，如果能适当提高抗混叠滤波器的低通截止频率，那么失真度的准确率会显著的提高。此设计成本低廉，体积小，外围电路简单，具有广泛的市场空间。