李憶燕

（國家新聞出版廣電總局654臺，新疆呼圖壁，831200）

便攜式音頻信號分析儀的設計淺談

李憶燕

（國家新聞出版廣電總局654臺，新疆呼圖壁，831200）

本文分析的便攜式音頻信號分析儀的設計過程包括系統(tǒng)設計和軟件設計兩個方面，采用AduC7026集成混合處理器和FFT技術來進行設計，設計系統(tǒng)經(jīng)過實驗測試后，可以精確的對功率、頻譜結構、失真度等音頻信號指標進行精確的分析，此系統(tǒng)具有電路簡單、穩(wěn)定性好，性能價格比高等一系列優(yōu)點，可以供相關便攜式音頻信號儀設計領域進行參考。

便攜式；音頻信號分析儀；設計；電子測試

對便攜式音頻信號分析儀的設計是一個系統(tǒng)的設計過程，音頻信號儀的設計是基于集成混合處理器AduC7026以及FFT技術，進行系統(tǒng)設計時采用了增益可編程放大器模擬前端，針對輸入信號動態(tài)范圍大的特點，系統(tǒng)可以滿足此要求。進行信號的測量與分析由集成混合處理器AduC7026完成，許多音頻信號指標如功率、失真度、頻譜結構等都顯示在LCD顯示器上。系統(tǒng)設計完成后，可以對20-20KHZ音頻范圍內的信號的指標如功率、頻譜結構、失真度等進行測量。

在音頻信號分析領域一般都采用FFT技術，在客戶處理器上進行編程，運用C語言、Matlab等編寫程序來處理音頻信號，但是這樣做無法做到便攜式。如果用DSP芯片來設計音頻信號分析儀，可以提高音頻信號分析儀的性能，并且可以實現(xiàn)儀器的便攜式，但是DSP芯片對開發(fā)環(huán)境和開發(fā)技術的要求較高，也使此芯片在音頻分析儀領域應用受到限制。提高音頻信號分析性能和實現(xiàn)便攜式，最好的選擇是嵌入式的處理器。下面對便攜式音頻信號分析儀的具體設計過程進行介紹。

1　系統(tǒng)設計

根據(jù)奈奎斯特音頻信號采樣原理，要完集的采集和分析20KHZ的信號，采樣的頻率要達到2*20KHZ，也就是音頻信號的2倍。根據(jù)相關的信號處理理論，達到20HZ的音頻分辨率，如果采樣頻率是2*20KHZ，則需要進行1024點的FFT運算。根據(jù)設計的系統(tǒng)構成圖，可以看出對數(shù)據(jù)進行控制和處理的核心是AduC7026型混合信號處理器，系統(tǒng)由信號放大電路、采樣電路、信號處理裝置、數(shù)據(jù)輸入裝置（鍵盤）和LCD顯示器等組成，其中信號放大電路是由CS3310芯片構成的，此芯片可以進行編程操作，是一款高保真的音響芯片，調節(jié)放大器的增益是通過對音頻信號的大小進行調節(jié)來實現(xiàn)的，這樣可以滿足輸?shù)囊纛l動態(tài)信號范圍較大的特點。

對音頻信號進行一系列的處理，需要采用FFT技術在混合信號處理器AduC7026的平臺上實現(xiàn)，AduC7026混合數(shù)字處理器是一種模擬微控制器中，具有12位的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此控制器包括45MIPS的ARM7TDMIMCU核、1MSPS的ADC（此模塊具有12通道，同時具有12位的數(shù)據(jù)采集功能）和12位的軌間電壓輸出DAC，系統(tǒng)內還有容量為62KB的可編程閃存電路和容量為8KB的SRAM。要運用FFT技術進行1024點的運算，要對存儲器進行擴展。

采用FFT技術進行運算的運算量較大，考慮到便攜式音頻信號儀的便攜性，所以CPU采用的是32位定點高性能、低功耗的處理器，主頻可以達到150MHZ，采樣的速率可以達到60ns，可以滿足系統(tǒng)的精度和實時性的需要。

在轉換電路中采樣的輸入信號要達到阻抗的要求，所以在轉換電路添加了一個音頻信號調理電路。如果是一般的信號調理，只要是差動運放電路就可以滿足阻抗要求，但是這樣的差動運放電路的精密度太差，如果要對差動運放電路放大增益，要對電阻進行調整，影響了系統(tǒng)的放大精確度。所以為了避免以上的缺點采用了低功耗的信號放大器，這樣就不用考慮電阻的范圍，只要根據(jù)相關的公式求取電阻值即可。阻抗匹配后，加一個濾波電路，會使信號轉換的效果更好。

對于采樣電路，采用高精度的模數(shù)轉換器可以滿足信號轉換速度的要求，模數(shù)轉換器的性能價格比較高，軒換頻率可以達到100KHZ。采樣模塊按照采用間隔值定時對信號調整模塊的輸出進行周期采用。在使用時要保證轉換的采樣頻率和并口傳輸速率的設置協(xié)調性，保證在下一個采樣間隔里處理器可以有足夠的時間來讀取采用數(shù)據(jù)。

進行本系統(tǒng)的設計時，對存儲器進行了擴展，本系統(tǒng)擴展了32KB的SRAM存儲器，通過觀察輸入信號放大器的電路圖可以看出，音頻信號是通過電壓跟隨器來對阻抗進行匹配的。AduC7026混合數(shù)字處理器要求ADC轉換器的輸入模擬電壓為2.5V，所以可以采用可編程增益放大器來對輸入的音頻信號的幅度進行放大，直到達到ADC轉換器的轉換要求。可編程增益放大器的增益和衰減范圍為-95.5-31.5dB，步長是0.5dB，這樣可以對大小不同的信號進行放大。系統(tǒng)在運行時對MCU進行采集，可以通過AD536將音頻信號轉換出直流電壓來實現(xiàn)，可以對輸入信號的幅度大小進行判斷，再對可編程增益放大器進行控制，對音頻信號的幅度進行程控放大，這樣可以滿足ADC的輸入要求，從而提高運用FFT技術進行運算的精度。

2　軟件設計

系統(tǒng)的主程序包括系統(tǒng)初始化、PGA增益控制、數(shù)據(jù)采集以及對功率、頻譜、失真度等性能指標的計算，系統(tǒng)的流程大體是這樣的：啟動系統(tǒng)后進行自我校準，檢測PGA是否為最佳設置，如果不是重要進行校準，如果是最佳設置就進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集完成后進行FFT的運算，并對失真度等指標進行自動運算，最后將運算信息顯示在LED顯示器上。

需要特別說明的是，如果系統(tǒng)進行上電復位，自我校準是一個關鍵的環(huán)節(jié)，主要是對音頻信號的幅度進行檢測，對PGA參數(shù)進行設置，直到最佳狀態(tài)為止。接下來就是對音頻數(shù)據(jù)進行采集，并對采集到的音頻數(shù)據(jù)進行FFT運算，最終得到需要的音頻信號指標。

進行FFT計算是最重要的分析程序，根據(jù)采樣得到的采樣值和頻譜取樣的譜間距，可以推算得到傅立葉變形的離散公式，公式中有兩個重要的參數(shù)是時間序列的頻譜和蝶形因子。通過計算N點的時域采樣值，可以得到N個頻譜條，這便是離散傅立葉變換。由于蝶形因子具有對稱性和周期性，所以對離散傅立葉變換進行運算改進，可以大大減少計算量。將N點的離散傅立葉變換分解為二分之一N點的DFT，這樣2個二分之一N點的離散傅立葉變換的計算量可以減少一半。將這樣的分解循環(huán)下去，將二分之一N點的離散傅立葉變換分解為四分之一N點的離散傅立葉變換，再就四分之一點的離散傅立葉變換分解為八分之一N點。如此循環(huán)反復，如果離散傅立葉變換條件為N=2N，則可以用最小的分解點基數(shù)來進行FFT運算，計算量會大大減少，

3　便攜式音頻信號分析儀設計后的試用結果

實現(xiàn)系統(tǒng)功能后，對計算結果進行分析，音頻信號的輸入采用信號發(fā)生器的正弦信號，輸入信號電壓的幅值不變，觀察在不同的頻率情況下，測量的頻率誤差和電壓誤差。

通過對測試數(shù)據(jù)進行分析可以看出，電壓幅值的最大相對誤差小于0.5%，精度為0.5級，頻率的相對誤差小于0.4%，精度也在0.5級以上，頻率的分辨率也符合設計的要求。

4　小結

本文分析了便攜式音頻信號分析儀的設計原理，包括硬件設計和軟件設計兩個部分，本文進行的便攜式音頻信號分析儀的設計是基于AduC7026混合信號處理器和FFT技術來進行的，對便攜式音頻信號分析儀進行設計時采用AduC7026混合信號處理器進行FFT運算，由可編程增益放大器來組成模擬前端，這樣可以滿足音頻信號動態(tài)范圍大的需求，可以精確的分析20HZ-20KHZ音頻信號的功率、頻譜結構、失真度等音頻信號指標。系統(tǒng)經(jīng)過設計以后進行測試，可以實現(xiàn)較高的智能化水平，性價比也較高，此系統(tǒng)的設計研究希望可以為便攜式音頻信號分析的設計領域提供參考。

［1］ 戴振華.ZOOM-FFT算法在數(shù)字音頻分析儀中的實現(xiàn)，兵工自動化，2007，26（10）：82-83.

［2］ 蘇奎峰.TMS320F2812原理與開發(fā)，北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［3］ 賀昆.基于DSP技術的超音頻感應加熱電源的仿真模型，電氣應用，2006，25（1）：86-89.

［4］ 張偉杰.基于通用型DSP的前端音頻信號的處理方案，電聲技術，2006（2）：58-60.

The design of portable audio signal analyzer

Li Yiyan
（State Press and Publication Administration of radio and television 654，Hutubi Xinjiang，831200）

Based on the analysis of the portable audio signal analyzer design process includes two aspects of system design and the software design，the AduC7026 integrated hybrid processor and the FFT technique to design and system design after the test，can accurately on the power and spectrum node structure，distortion of audio signal indicators for precise analysis，this system has simple circuit and good stability，performance and price ratio higher a series of merits can for portable audio signal analyzer design reference.

portable；audio signal analyzer；design；electronic testing