音频信号分析仪设计
音频分析仪
音频分析仪音频分析仪是一种用于分析、处理和测量声音信号的仪器。
它可以帮助我们深入了解声音的特性和特征，从而应用于各种领域，如音乐、语音识别、语音合成、声音效果设计等。
本文将介绍音频分析仪的原理、应用以及发展趋势。
音频分析仪的原理基于信号处理和频谱分析。
它通过接收声音信号，并将其转换为数字信号进行处理。
然后，它使用不同的算法和技术来分析声音信号的频谱、波形、能量分布等特性。
通过这些分析结果，我们可以了解声音信号的频域、时域以及各种参数的变化情况。
音频分析仪在音乐领域中有着广泛的应用。
音乐制作过程中，我们可以使用音频分析仪来分析乐器的音色特征，以及乐曲中各个音轨的频谱分布和能量衰减情况。
通过这些分析结果，我们可以对声音进行混音、均衡器、压缩器等处理，从而达到更好的音质效果。
此外，音频分析仪还可以帮助我们分析音乐的节奏、音高以及和声等参数，从而提供更多的音乐信息。
在语音识别和语音合成领域，音频分析仪也发挥着重要的作用。
在语音识别中，音频分析仪可以帮助我们提取音频信号的特征向量，以便用于识别和辨别语音。
通过分析声音的频谱、波形以及声学特征，我们可以将声音信号与语音库中的模板进行比对，从而实现准确的语音识别。
而在语音合成中，音频分析仪可以帮助我们分析和合成不同音节、音调和音色的声音，从而实现自然流畅的语音生成。
除了音乐和语音领域，音频分析仪还可以应用于声音效果设计、噪声控制、通信系统等多个领域。
在声音效果设计中，音频分析仪可以帮助我们对声音进行特效处理，如回声、混响、剧院音效等。
在噪声控制方面，音频分析仪可以帮助我们分析噪声的频谱和能量分布，以便采取相应的降噪措施。
在通信系统中，音频分析仪可以帮助我们分析语音信号的质量和可理解度，对通信质量进行评估和优化。
随着科技的不断发展，音频分析仪也在不断演进和创新。
一方面，随着计算能力的提升，音频分析仪可以处理更复杂的音频信号，并提取出更多的声学特征。
另一方面，借助机器学习和深度学习的技术，音频分析仪可以实现更准确、自动化的音频处理和分析。
音频信号分析仪的设计
输
入
图 １ 系统总 体框 图
ｌ 系统 硬 件 电路 设 计
本系统 的硬件 电路 主要 由信号 预 处理 模块 、 号采 集 信 模块 、 号 的频 谱分 析模 块 、 钟触 发信 号 、 信 时 系统控 制模 块 和键 盘显示 模块 ６ 部分组 成 。系统组 成框 图如 图 １ 所示 。
Ｋｅ ｗ ｒｓ ａ ｄｏ ｆｅ ｕ ｎ ｙｓｇ ａ； ＦＦ ｙ ｏ ｄ ： ｕ ｉ ｒｑ ｅ ｃ ｉｎ ｌ Ｔ； ａ ａｙ ｉ ｆｆｅ ｕ ｎ ｙ ｎ ｌｓｓｏ ｗｅ ｎ ｌｓｓｏ ｒｑ ｅ ｃ ；ａ ａｙ ｉ ｆｐ ｏ ｒ
Ｏ 引
言
音频信 号分析 仪是 一种 用来 对 被测 信 号进 行 频率 、 频 谱及 波形分 析 的 重要 测 量 工 具 。它 主要 利 用 频 谱 分 析 原 理， 频谱 分析是 把 信 号 的能 量 用 频 率 的 函数 显 示 出来 ， 该 仪器广 泛应用 于 电声 测 量 、 频 制 作 、 号 分 析 乃 至 振 动 音 信
维普资讯
电
子
测
量
技
术
第３卷 第 ９ １ 期
２０ 年 ９ ０８ 月
Ｅ ＬＥＣ ＴＲ０ＮＩ Ｃ Ｍ ＥＡＳ ＵＲＥ Ｅ Ｍ ＮＴ ＴＥ ＣＨ Ｎ０Ｌ０ＧＹ
音 频 信 号 分 析 仪ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的 设 计
王金庭 夏春华
４０ ０ ） ３ ２ ５ （ 北经济学院电子３ 程 系 武汉 湖 － 摘
要：本文介绍 了音频信号频谱分析的原理以及音频分析仪的硬件结 构和软件设计 。该设计是基于快速傅立叶变
换（ Ｆ 的方法对采集 的音频信号进行频谱分析 ， 到音频信号 的频率及功率 。Ｆ Ｔ算 法采用凌 阳 Ｓ Ｃ ０ １ Ｆ Ｔ） 得 Ｆ Ｐ Ｅ ６ Ａ单片 机 Ｃ语 言实现 ， 以完成 ２ ６ 的 Ｆ Ｔ运算 ， 可 ５点 Ｆ 频率 分辨率达 到 １０ Ｈｚ输入 信号 电压 （ ０ ， 峰峰值 ） 以达 到 １０ｍＶ～ 可 ０ ４Ｖ， 检测 出的各频率分量的功率之和不小于总功率值 的 ９ ， ６ 单个频率功率误 差小 于 ８ 可测量被测正弦信号的失 ％，
音频信号分析仪设计
调 理 模 块 、 混 叠 滤 波模 块 、 Ｄ ３ 抗 Ａ ６７检 波 模 块 、 ／ Ａ Ｄ采 样 模 块 等模 块 构 成 。 采 用 数 字信 号 处 理 技 术 ． Ｆ Ｇ 内部 完 在 ＰＡ 成 了 ２０ ８点 的 浮 点 型 Ｆ 计 算 ， 准 确 判 断 频 率 成 分 在 ２ ～ ０ｋ ｚ 幅 值 范 围 在 ０１ 一 ０Ｖ 的 输 入 信 号 的 功 ４ 丌 能 ０Ｈｚ １ Ｈ 、 ． ｍＶ １ 率谱 及 其 总 功 率 ， 率分 辨 力 最 高 可 达 １ ｚ 并 能 分 析 正 弦 信 号 的失 真 度 。系统 对 待 测 量 ５Ｓ 新 一次 并 可 实 时 显 频 ０Ｈ ， 刷 示 。 另 外 还 增 加 了掉 电存 储 回放 显 示及 信 号 频 谱 显 示 的功 能 。
１ 引 言
音频分 析是 以数字 音频信 号为分 析对象 ， 以数 字
抗混 叠滤波模块 、 Ｄ ３ Ａ ６ ７检波模 块 、 ／ ＡＤ采样模块等模 块 构成 ， 一步 提 高 了频 率 分辨 力 ， 进 扩展 了数 据 的掉 电存储 与频 谱显示 的功能 。
ｄ ｔ ｒ ｎ ｈ ｒ ｑ ｅ ｃ ｏ ｏ ｅ ｔ ｏ ｈ ０Ｈｚ ｌ Ｈｚ ｎ ｅ ｐ ｗ ｒ ｓ ｅ ｔ ｍ ｎ ｅ ｔｔ ｌｐ ｗｅ ｆｔ ｅ ０ １ ｍＶ一 ｅ ｅ ｍｉ ｅ ｔ ｅ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｓ ｆ ｔｅ ２ ￣ Ｏｋ ．ａ ｄ ｔ ｏ ｅ ｐ ｃｒ ｈ ｕ ａ ｄ ｔ ｏ ａ ｏ ｒｏ ． ｈ ｈ １ ｉ ｐ ｔ ｓ ｎ １ ａ ｄ ｔ ｅ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｒ ｓ ｌ ｔ ｎ ｉ ｕ ｏ ０ Ｈｚ Ｔ ｅ ｓｎ ｓ ｉ ａ ｉｎ ｌ ｄ ｓ ｒ ｏ ｉ ａ ａｙ ｅ ａｓ ． Ｏ Ｖ ｎ ｕ ｉ ａ ． ｎ ｈ ｒ ｑ ｅ ｃ ｅ ｏ ｕｉ ｓ ｐ ｔ １ ． ｇ ｏ ｈ ｉ ｕ ｏｄ ｌ ｓｇ ａ ｉｔ ｔ ｎ ｓ ｎ ｌｚ ｄ ｌ ｏ ｉ ｏ
音频信号分析仪设计
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关键 字 ： ３４ Ｂ Ｘ Ｓ Ｃ ４ Ｏ；频谱 分 析 ： Ｆ ＤＴ 中 图分 类 号 ：Ｔ ３ ８２ Ｐ ６ ． 文 献标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１ ７ — ７ ２ （０ ７９ ０ ４ — ２ ６ １ ４ ９ 一 ２ ０ ）— ０ ８ ０
Ａｂ ｔａ ｔ ｈ ｓ ｓ ｓ ｅ ｓ Ｆ ｅ ｈ ｉ ｓ ｔ ｎ ｌ ｓ ｕ ｉ ｒ ｑ ｅ ｃ ． Ｔ ｅ ｙ ｔ ｍ ｕ ｅ Ｓ Ｃ ４ Ｏ ｓ ｔ ｅ ｋ ｒ ｅ ， ｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｉ ｙ ｔ ｍ ｕ ｅ Ｄ Ｔ ｔ ｃ ｎ ｃ ｏ ａ ａ ｙ ｅ ａ ｄ ｏ ｆ ｅ ｕ ｎ ｙ ｈ Ｓ ｓ ｅ ｓ ３ ４ Ｂ Ｘ ａ ｈ ｅ ｎ ｌ
ｓ ｓｐ ｔｒ ｍ ｒ ｎｇｅ ｅｃ ｕ ａ ｆｒ ｌ Ｈｚ Ｏ ｔ ｏｍ ＯＯ －ｌ Ｋｔｚ， ｄｉ ｔｉ ｕｉ ｅ ｉｃ ｎｃ ａｔ ａｉ ２０ Ｚ． ｓ ｎｇ ｓｈ ｆｆ ｉｅ ｙ ｔ ｎ Ｈ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：Ｓ Ｃ ４ Ｏ ； Ｓ ｅ ｔ ｕ ｎ ｌ ｓ ｖ ｒｓ ３ ４ Ｂ Ｘ ｐ ｃ ｒ ｍ Ａ ａ ｙ ｅ；Ｄ Ｔ Ｆ
仪 析 分 丐 口
信
设
计
（ 江西理工大学机 电工程学院 ，江 西 赣州
Ｇ ｎ ｈ ｕ ３ １０ ） ａ ｚ ｏ ４ ０ ０
基于MSP430的FM音频频谱分析仪设计与实现
ｘ （ ｋ ） ＝ Ｄ Ｆ Ｔ ［ ｘ （ ｎ ） 】 ＝ ∑ｘ （ ）
２， ｖｋ
，
＿
（ ｋ ＝ ０ ， １ ， … ， Ｎ 一 １ ）
，
（ １ ）
～
图 ２ 频 谱 分 析 仪 系 统 框 图
式ｌ 中，
：
称 为旋 转因子 ，并 有：
＝ 哝 ，
ｉ ＝ 一 。
—
（ ｎ ）
：
（ ２ ）
Ｎ
． ． ，
＋
（ ２ ｎ ＋１ ） ｚ ”
＇ 一 液晶ｍ ） ６ ６ ７ ７ ２
按键 串口
（ ２ ）
＝
∑ （ ２ 一 ） 嗡 ＋ Ｅｘ （ ２ ｎ ＋ ｌ
ｎ ＝ ０ ｎ ＝ ０
一
（ ＝ ０ ， １ ， … ， Ｎ 一 １
ｘ （ Ｏ ） Ｘ （ ０ ）
万 。
２ 频 谱 分析 仪 设 计 原 理 由 于 在 数 字 系 统 中 处 理 的 数 据 都 是 经 由 采 样 得 到 ， 所 以 得 到 的 数 据 必 然 是 离 散 的 。 对 于 离 散 的 数 据 ， 适 用 离 散 傅 立 叶 变 换， 是 离 散 傅 里 叶变 换 的快 速 算 法 ， 也 可 用 于 计 算 离 散 傅 里 叶 变 换 的 逆 变 换 ， 目前 已被 数 字 式 频 谱 仪 广 泛 采 用 。 对 于长 度 为Ｎ 的复数序列 Ｘ ｏ ， ｘ 一 ， ｘ ， 离散 傅 里 叶 变 换 公 式 为 ：
进行调整和改进。
【 关键 词 】 音 频 频 谱 分 析 ；快 速 傅 立 叶 变换 ；数 字信 号处 理
１ 前 言 易 看 出 特 征 了 ，这 就 是 频 谱 仪 的一 般 原理 。 在 实 际 的 广 播 电视 发 射 工作 中 ，新 的 发 射 机 的 进 场 测 试 ， 发 射 ３ ． 频谱 分 析 仪 的 实 现 机 的 日常 指 标 测 试 等 都 涉 及 ｌ 『音 频 的测 试 。本 文 设 计 的 音 频 频 谱 分 本文介绍 了一种基于Ｆ Ｆ Ｔ 的 的 数 字 音 频 频 谱 分 析 仪 的实 现 ， 通 过 析 仪 就 是 从 信 号 源 的 角 度 出 发 ， 测 量 音 频 信 号 的 频 谱 ， 从 而 确 定 各 Ａ Ｄ Ｃ 采 样 输 入 的 音 频 信 号 ，Ａ Ｄ Ｃ 采 样 完 成 以后 ，将 数据 进 行 倒 序 排 列 并 频 率 成 分 的大 小 ， 为 调 频 广 播 的 各 项 音 频 指 标 的提 供 参 考 。 进行Ｆ Ｆ Ｔ 运算，结果通过Ｔ Ｆ Ｔ 液 晶 显 示 出来 。系 统 的框 图 如 图 ２ 所 示。 在 本 文 中 主 要 讨 论 了 以Ｍ Ｓ Ｐ ４ ３ 处 理 器 为 核 心 的 音 频 频 谱 分 析 仪 的 设计 与 实 现 。 以 数 字信 号 处 理 的 相 关 理 论 知 识 为 指 导 ，利 用Ｍ Ｓ Ｐ ４ ３ ０ 处 理 器 的优 势 来进 行 音 频 频 谱 的 分 析 ，并 最 终 在 Ｔ Ｆ Ｔ 液 晶Ｈ Ｄ ６ ６ ７ ７ ２ 上面
音频频谱分析仪设计
信号处理实验实验八：音频频谱分析仪设计与实现一、实验名称：音频频谱分析仪设计与实现二、实验原理：MATLAB是一个数据信息和处理功能十分强大的工程实用软件，其数据采集工具箱为实现数据的输入和输出提供了十分方便的函数和命令。
本实验可以用MATLAB进行音频信号频谱分析仪的设计与实现。
1、信号频率、幅值和相位估计(1)频率(周期)检测对周期信号来说，可以用时域波形分析来确定信号的周期，也就是计算相邻的两个信号波峰的时间差、或过零点的时间差。
这里采用过零点(ti)的时间差T(周期)。
频率即为f = 1/T，由于能够求得多个T值(ti有多个)，故采用它们的平均值作为周期的估计值。
(2)幅值检测在一个周期内，求出信号最大值ymax与最小值ymin的差的一半，即A = (ymax - ymin)/2，同样，也会求出多个A值，但第1个A值对应的ymax和ymin不是在一个周期内搜索得到的，故以除第1个以外的A值的平均作为幅值的估计值。
(3)相位检测采用过零法，即通过判断与同频零相位信号过零点时刻，计算其时间差，然后换成相应的相位差。
φ=2π(1-ti/T)，{x}表示x的小数部分，同样，以φ的平均值作为相位的估计值。
频率、幅值和相位估计的流程如图所示。
其中tin表示第n个过零点，yi为第i个采样点的值，Fs为采样频率。
2、数字信号统计量估计(1) 峰值P的估计在样本数据x中找出最大值与最小值，其差值为双峰值，双峰值的一半即为峰值。
P=0.5[max(yi)-min(yi)](2)均值估计式中，N为样本容量，下同。
(3) 均方值估计(4)方差估计2、频谱分析原理时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简单波形外，很难明确提示信号的频率组成和各频率分量大小，而频谱分析能很好的解决此问题。
（1）DFT与FFT对于给定的时域信号y，可以通过Fourier变换得到频域信息Y。
Y可按下式计算式中，N为样本容量，Δt = 1/Fs为采样间隔。
便携式现场音频信号检测仪设计
统 总体 结构 如图 １
舢
Ｐ 』２２２ ‘ ＝ （十＋＋） 击 Ｕ ¨ｄ ｆ ｔ
式 中 ｕ 、 ２ ｕ … 为 各频 率 分 量 的 幅值 。 １ｕ 、３ 积 分 为零 ， 进 一 步 推得 功率 为 ： 可
式 中的 ｖ １为基 频 有 效 值 电压 ，２、３ … 、ｍ 为 各 次 谐 波 ｖ ｖ、 ｖ
的有 效 值 电压 。 Ｆ Ｔ变 换 后 所 得实 部 虚 部 的 平方 和 为 ｖ（ ｌ 经 Ｆ ｉｉ ， ＝
度 的频谱 和各 种 参 数 测量 结 果 ，要 求 测 试 仪 器 自身具 有 较 高 的
１ 系统 参 数 分 析计 算
２ １ 总 体结 构设 计 ．
由 于 音 频 信 号 范 围 覆 ２ Ｈ － ０ Ｈ ，要 求 分 辨 率 达 到 ０ ｚ ２Ｋ ｚ
２ Ｈ， 同时 要 能 准 确 地 测 量输 入信 号 的 总功 率 和 各 频 率 分 量 的 ０ 频 率 和 功 率 ， 能 够测 量 失 真 度 。 以系 统 采用 Ｆ Ｔ算 法 进行 运 并 所 Ｆ 算 ，其 运 算 量 相 对 较 大 ，同时 考 虑 便 携 式 低 功 耗 的特 点 ，所 以
频 率 分 辨 率 达 ２ Ｈｚ ０ 。
关 键 词 ： 频 信 号 ， Ｓ ８ ５ 快 速傅 里 叶 变换 ，ＭＳ ２ Ｆ ８ ２ 音 ＡＤ ７ ０ ， Ｔ ３ ０ ２ １
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ
Ｔ ｓ ｈｉ ｐａ ｐｅｒ ｎｒ ｄｕ ｓ ｈ ｍｅａ ｕｒｍ ｅ ｔ ｈ ｏｒ ｈ ｄ ｉｔｏ ｃｅ ｔｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｙ．ａｒｗａｒ ｓｒ ｔ ｅ ｎ ｓ ｆｗａｅ ｌｗｃ ａｒ ｎ ｈｉ ｙ ｔ ． ｄｅ ｃ ｉ ｓ ｅ ｔｕｃｕｒ ａ ｄ ｏ ｔ ｒ ｆ ｏ ｈ ｔ ｔ ｓ ｉ ｓ ｓｅｍ Ｉ ｔ ｓｒ ｂｅ ｓｇｎ ｌ ｃ ｉ ａ ａ ｑｕｉｉｏｎ ｉ ｉ ａ ｉ ａｌｓ ｍ ｐｌ ｇ ｉ ｉ ｂａ ｅ ｏｎ ｓｔ ｃｒ ｔ ｎｄ ｓｇｎ ａ ｉ ｃｕ ｓ ｉ ｃｒ ｔ ｎ ｃｕ ｓ ｓｄ ＤＳＰ ａｎ ｄ ＡＤＳ３ ０． ｎ ｒ ｇｒ ｍ ａ ｄ ａ ｉ ｓ ｓ ｒ ｃｅ ｓ — ８２ Ｍａｉ ｐ ｏ ａ ｎ ｖ ｒ ｏｕ ｅｖｉ ｕｂ ｒ ｔ ｅｓ ｏｕ ｉ ａｂ ｔ ｌｃ ｒ ｐｏ ｎ ｏｕ ｅｅ ｔｉ ｃ ｗｅｒ ｐａ ａ ｒ ｍｅｔｒ ｅｔｃ ｉ ｂａ ｅ ｏ ＦＦ ｉ ｐｒｓ ｔｄ Ｆｎａｌ ｍｅ ｕｅｍｅｎ ａ ｕｒｃ ｉ ａ ｅ ｄ ｅ ｔ ｏｎ ｓｄ ｎ Ｔ ｓ ｅ ｅｎｅ ｉ ｌ ｙ， ａｓ ｒ ｔ ｃｃ ａ ｙ ｎ ｐｐｌ ａ ｉｎ ｉ ｔｏ ｃ ｗａｓ ｎ ｌｚ ａ ｓｙ ｅｄ． ｐ ｉ ｅ ｔ ｈ ｗｅｄ ｈ ｔｉ ｖ ｌ ｇｅ ｒ ｃｉｉｎ ｅ ｃｈ ０５０ｆｅｑ ｎ ｙ ｅ ｏｌｔ ｉ ａ ｖ Ｈｚ． Ｅｘ ｅｒ ｍ ｎｓ ｓ ｏ ｔ ａ ｔ ｏｔ ｓ ａ ｐ ｅ ｓｏ ｒ ａ ｓ 。ｒ ｕｅ ｃ ｒｓ ｕｉ ｏｎ ｓ ｂｏ ｅ ２０
基于FFT算法的音频频谱仪设计
基于FFT算法的音频频谱仪设计音频频谱仪是一种用于分析音频信号频谱特征的工具，能够显示音频信号在频域上的能量分布情况。
其中，FFT(快速傅立叶变换)算法是一种用于对连续时间域信号进行频谱分析的算法，通过将时域信号转换为频域信号，能够高效地进行频谱分析。
一、基本原理FFT算法的基本原理是将N点的离散时间序列转换为N/2个频率序列，从而实现时域信号到频域信号的转换。
其核心思想是将连续信号进行离散化处理，然后通过计算傅立叶系数来得到频域信号的能量分布情况。
具体而言，FFT算法将时域信号表示为由N个采样点组成的离散序列，然后将序列进行重排列、分解为偶数序列和奇数序列，并通过递归地进行分解和求解傅立叶系数，最终得到频域信号的能量分布。
二、设计要点1.采集音频信号：通过音频输入设备（如麦克风）采集音频信号，并将其转换为数字信号。
2.分帧：将连续的音频信号分成多个帧，每帧包含若干个采样点。
常用的帧长度为1024、2048等。
3.加窗：对每帧采样点进行加窗处理，常用的窗函数有汉宁窗、汉明窗等。
窗函数的作用是减小边界效应，使得频谱分析更加准确。
4. 快速傅立叶变换：对加窗后的每帧信号应用FFT算法进行频谱分析，得到每帧的频域信号。
常用的FFT算法有Cooley-Tukey算法等。
5.平滑处理：对每帧的频谱信号进行平滑处理，以减小噪声对频谱分析的影响。
常用的平滑算法有加权平均法、中值滤波法等。
6.显示频谱：将每帧的频谱信号按照频率进行展示，通常使用图表或图像显示方式。
横轴表示频率，纵轴表示能量。
三、设计步骤1.初始化：初始化音频输入设备，并设置采样率、帧长度等参数。
2.采集音频信号：使用音频输入设备采集音频信号，并将其转换为数字信号。
3.分帧：将采集到的音频信号分成多个帧，每帧包含若干个采样点。
4.加窗：对每帧信号进行加窗处理，选择合适的窗函数。
5.快速傅立叶变换：对加窗后的每帧信号应用FFT算法进行频谱分析，得到每帧的频域信号。
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音频信号分析仪设计学院：电子信息学院专业：电子信息工程姓名：学号：指导老师：摘要本音频信号分析仪由STM32为主控制器，通过AD转换，对音频信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过FFT快速傅氏变换运算，在时域和频域对音频信号各个频率分量以及功率等指标进行分析和处理，然后通过高分辨率的LCD对信号的频谱进行显示。
该系统能够精确测量的音频信号频率范围为20Hz-10KHz，其幅度范围为50mVpp-5Vpp，分辨力分为20Hz和100Hz两档。
测量功率精确度高达5%,并且能够准确的测量周期信号的周期，是理想的音频信号分析仪的解决方案。
关键词：FFT STM32 音频信号分析AbstractThe audio signal analyzer is based on a STM32 microprocessor, through the AD converter for audio signal sampling, the continuous signal discrete, and then through the FFT fast Fourier transform computing, in the time domain and frequency domain of the various audio frequency signal weight and power, and other indicators for analysis and processing, and then through the high-resolution LCD display signals in the spectrum. The system can accurately measure the audio signal frequency range of 20 Hz-10KHz, the range of 50mVpp-5Vpp，resolution of 20 Hz and 100 Hz correspondent. Power measurement accuracy up to5%, and be able to accurately measuring the periodic signal cycle is the ideal audio signal analyzer solution.Key words:FFT STM32 audio signal analyzing目录一、系统设计方案与论证 (1)1.1 系统总体设计 (1)1.2 CPU的选择 (1)1.3 前端信号调理电路 (2)1.4 AD转换模块 (2)1.5 LCD液晶显示模块 (2)二、硬件设计 (2)2.1 阻抗匹配电路 (2)2.2 峰值检测电路 (3)2.3 电压抬高电路 (4)2.4 可变增益放大电路 (4)2.5 低通滤波电路 (6)三、软件设计 (6)3.1 FFT程序 (7)3.2 功率谱测量方法 (8)3.3 周期性判断方法 (9)3.4 ADC采样程序 (9)3.5 LCD显示程序 (10)四、系统调试 (10)4.1 硬件调试 (10)4.2 软件调试 (13)4.3 总体调试 (14)五、测试结果 (15)六、总结 (16)附录 (16)参考文献 (20)一、系统设计方案与论证1.1 系统总体设计总体设计思路：信号经过电压跟随器后进入峰值检测然后经过两个电压比较器把输入信号分2段，然后分别进入不同的增益放大电路进行放大，经过电压抬升后进入ADC进行采样，然后利用STM32进行软件编程来进行FFT计算，判断是否为周期信号，求出输入信号的频率、功率、频谱等，然后在同步显示在液晶屏上。
总体设计框图如下：图1-1 系统总体框图1.2CPU的选择本设计中MCU使用的CPU是STM32F103xx增强型系列。
STM32系列微控制器是由ST意法半导体公司一ARM Cortex-M3为内核开发生产的32位微控制器（单片机），专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计。
工作频率为72MHz，内置高速存储器（最高可达512K字节的内存和64K字节的SRAM），可以用于存储程序和节点在工作过程中采集到的数据。
具有丰富的增强型I/O端口和连接到两条高性能外设总线（Advanced Peripheral Bus，APB）的外设。
该系列单片机还内置了快速的中断控制器，使得中断间的延迟时间大大降低。
因此系统设计中选用STM32F103微处理器拥有如下如下优点：7组16位GPIO口、5组USART串口、多个外部中断口；外设包含多个定时器、SPI通信口、FSMC液晶控制口、12位ADC转换口；最大功耗118mW，待机功耗7uW，属于高性能低功耗微处理器。
1.3 前端信号调理电路由于设计指标要求输入阻抗为50欧姆，所以在前端电路信号输入处加了一个跟随电路，利用一个50欧姆的电阻与一运放的输入端并联，满足50欧姆输入阻抗的要求，在选择运放方面，可选择带宽增益积较高、输入失调电压较小比较适合音频信号的NE5532。
直接利用运放电路来搭建各种增益放大电路，利用比较器和继电器来选择不同的信号的不同放大倍数，可以满足要求，电路元件较小且较容易控制，实现了小信号大增益，大信号小增益。
音频信号的频率范围是20Hz 到10KHz，为了有效的滤除各种干扰信号，可加入一个10KHz的低通滤波器，利用OP07及其外围元件设计一种有源低通滤波器。
1.4AD转换模块STM32F10XXX微控制器产品系列，内置最多3个先进的12位A/D转换模块，转换时间最快为1us,这个ADC模块还具有自校验功能，能够在环境条件变换时提高转换精度。
ADC基本参数为12位分辨；输入范围0至3.6V。
完全可以满足本次设计的需要。
1.5 LCD液晶显示模块采用3.2寸TFT模块ILI9320，具有8080时序16bit并行总线接口，分辨率320乘以240，显示面板16M色彩。
具有很高的稳定性。
二、硬件设计2.1阻抗匹配电路在NE5532的同相端，也即信号输入端并联一50欧姆的电阻，满足50欧姆的输入阻抗。
图2-1 阻抗匹配电路图2-2 阻抗匹配电路仿真结果2.2峰值检测电路为了很好的实现不同信号的不同放大倍数，在比较电路前加了一峰值检测电路，如图所示，利用的是二极管的单向导电性和电容的充放电特性来检测并保持峰值的。
当输入信号大于二极管的导通电压时，二极管导通给电容充电，当信号达最大后开始变小时，利用电容的电压不突变特性保持峰值且输出到后级电路，利用场效应管和三极管电路在一定时间内释放掉所保持的峰值，接着检测随后的峰值。
图2-3 峰值检测电路图2-4 峰值检测电路仿真结果2.3 电压抬高电路由于STM32的ADC负参考电压为0，故需将电压抬升到0以上，该电路实现了1.5V的电压抬升。
图2-5 电压抬高电路2.4 可变增益放大电路放大电路同时设置了×5，×0.5两个放大通道，分别对50mv到300mv，300mv 到5V的峰峰值范围内的信号进行不同放大，这样将可测量信号的动态范围扩展到了50mV；控制器通过继电器来选择不同的放大通道。
图2-6 5倍放大电路及仿真结果图2-7 0.5倍放大电路及仿真结果2.5 低通滤波电路本滤波电路的截止频率为10KHz。
图2-8 低通滤波电路图2-8 低通滤波电路仿真结果三、软件设计在本设计中，控制及计算部分都由STM32来实现。
其中STM32完成液晶显示、FFT算法实现、功率计算、A/D 转换控制，增益选择控制等，系统流程图如下：图3-1 程序流程图3.1 FFT 程序采用FFT 实现采集的音频信号频域分析，得到音频信号中各频率分量的大小。
FFT 运算主要分为位倒置和蝶形运算两个功能部分。
其中位倒置程序流程如图3-2。
蝶形运算设计:由X1(k)、X 2(k)表示X(k)的运算是一种特殊的运算-碟形运算{)()()()()()(2121k X W k X k X k X W k X k X k N k N -=+=实现上式运算的流图称作蝶形运算（N/2个蝶形）。
由上式可以看出蝶形运算主要是系数k N W 的确定。
而第L 级的系数因子为（L=1,2,3...,M ）。
图3-2 位倒置程序流程图J L W 2，（J=0,1,2，...，121--L ）即第L 级的蝶形运算系数因子类型数为12-L 个。
设系统共有M 级，可得L M MML M LJ JJWWW--==2*22*22即有M N 2=，L M J k -=2*。
3.2 功率谱测量方法本设计采用直接的经典功率谱估计法：它是把抽样序列)(n x 的N 个观测数据视为一能量有限的序列，直接计算)(n x 的离散傅立叶变换，得)(k X ，然后再取其幅值的平方，并除以N ，作为序列)(n x 真实功率谱的估计。
有限长序列的傅立叶变换定义为： 正变换：∑-=--==1021,...,1,0,)()(N n nk Nj N k en x k X π (1)反变换：∑-=-==121,...,1,0,)(1)(N n nk N j N k e k X N n x π(2)根据Parseval 定理：一个序列在时域计算的能量与在频域计算的能量是相等的。
即：∑∑-=-==10212|)(|1|)(|N k N n k X N n x ,可得到各个频谱对应的功率与在时域测量功率之间的关系。
⎰-=222)(1)(TT dt t f T t v ⎰⎰--+++==22222221122]sin sin sin [1)(1)(T T TT n n dt t u t u t u T dt t f T t v ωωω T u u uT n ]222[122221+++= 222112)(2n u u u t v ++=∴式中，)(t v 为信号的有效值，n u u u ,,21 为各频点的幅值。
3.3 周期性判断方法信号周期性的判断可利用周期信号所具有的自相关特征。
假设采样所得的时间序列N i T i x i x s 2,1),()(=⋅=,其中s T 为采样周期，利用一长为n 的滑窗来计算该采样序列的结构函数)(n F ，即式中，max 1n n ≤≤，n N M -=，一般取5/max N n ≈,以保证上式中即使在max n n =时，也有较多的数据差值求平均。
)(n F 可以用来表征时间间隔为s nT 的两个时间点处信号的相似性。
假设时间序列是周期性的，其周期s p T n T ⋅=。
当p n n =或p n 的整数倍时，0)(=n F ；即使信号被噪声污染，0)(≠n F ，但在一定的信噪比范围内，在pn n =处，)(n F 仍然会取得最小值，从而也可识别信号的周期性并测量其周期。