声音频谱采集器设计

-声音频谱采集器的研究与设计摘要语音信号的采集与频谱图的采样分析技术是一科涉及范畴十分广的交错综合型科学，它的应用成长和语音学、信号滤波器技术以及信号处理等学科都紧密结合在一起。本次的课题是用到滤波器和采用单片机对声音进行快速傅里叶变换，通过显示屏显示声音频谱来分析频谱，想办法计算噪声比等一系列在实际应用中可以得到的数据。单片机的语音系统的处理方式具有时时性能好、功率消耗低、体积形态小、并且对语音信号保留高效率的保真度等特点。这种系统设计可以制作用在音频制作、音频信号分析等方面，必然有十分巨大的科学价值和市场利益等价值。关键词：语音采集，频谱图，单片机，信号滤波器-i-AbstractSamplecollectionandanalysisofthespeechsignalspectrumisaverybroadscopeofsubjectsinvolvingstaggeredintegratedscience,itsapplicationgrowthandphonetics,signalfilterandsignalprocessingtechnologyandotherdisciplinesarecloselylinked.Engineersusesoftwaretocreateabettersolutiontreatmentoptionsneededtomeetgrowingsocialdemands.TheissueistousefiltersandusingSCMfastFouriertransformofthesound,thesoundspectrumdisplaybyanalyzingthespectrum,tofindwaystonoiseratioandaseriesofcalculationsinpracticalapplicationscanbeobtained.SCMsystemshandlingvoicealwayshasgoodperformance,lowpowerconsumption,smallvolumeform,andretainthefidelityofthevoicesignalhighefficiencycharacteristics.Thissystemisdesignedtomakeuseinaudioproduction,audiosignalanalysis,theremustbeaverygreatscientificvalueandthemarketvalueoftheinterests.Keywords:VoiceAcquisition；spectrum；SCM；Signalfilter-ii-目录摘要.1Abstract.2前言.3第一章绪论.41.1课题研究背景.41.2课题研究意义.41.3课题发展的状况.41.4设计任务.4第二章系统方案设计.62.1系统总体设计与原理.62.1.1声音采集.62.1.2采样频率定理.62.2系统硬件的选择.72.2.1处理器的选择.72.2.2采样模块的选择.72.2.3快速傅里叶算法的原理和特点.72.2.4显示屏的选择.8第三章系统硬件设计.93.1选择的单片机电路设计.93.1.1单片机ADC转换模块.103.2显示屏点阵图显示.113.2.1数码管显示工作原理.113.2.28X8点阵显示电路.113.2.38X8点阵图的硬件连接.113.3声音采集模块.123.4滤波电路.123.5滤波器设计.133.5.1滤波器原理.133.5.2滤波器的种类与选择.133.5.3带通滤波器的设计.133.5.4简单的带通滤波器设计目标.133.6设计方案.143.7系统软件具体设计.16-iii-3.7.1滤波器设计要求.163.7.2电路测试要求.163.7.3电路原理.173.7.4带通滤波器设计.173.7.5带通滤波器在multisim软件中的仿真.173.7.6带通滤波器在multisim的仿真测试.183.7.7电路测试.20第四章系统软件设计.214.1系统软件总体设计.214.2系统软件具体设计.214.2.1系统的准备和系统初始化.214.2.2ADC采样子程序.224.2.2系统主程序.22第五章实验结果和分析.255.1实物图.255.2实验结果分析.26第六章总结与展望.286.1课题总结.286.2进一步开发的展望.28参考文献.30致谢.31附录.32一：主程序代码.32二：系统初始化程序.35第4页前言本文课题主要研究的是声音频谱采集器的设计，能够通过采集人的声音在显示屏上显示实时的频谱图片，本设计要求实现将环境中的声音进行频谱分析显示，并可能检测当前环境的噪声比和噪声强度。这里是对单片机和ARM材料项目相对少，计算速率慢等特点，提出一种现实可行的快速傅里叶变换算法来现实得到频谱图的。全文共分为六章。其中绪论为第一张，系统总体方案设计为第二章，系统硬件设计为第三章，系统软件设计为第四章，实验结果与分析为第五章，总结与展望为最后一章第六章。第5页第一章绪论1.1课题研究背景课题研究主要集中在家庭影院、KTV等音响系统中，及时达到显示音乐信号的频谱图将为音响系统增很多的视觉和感官的打击感的目的。目前市场上制作的的大部分音响系统产品里面，大多都是采用以下两种方式来实现音频频谱显示的：一种是利用滤波器和模数转换器来处理的；另一种是DSP或者MATLAB等技术对音频信号做出处理得到频谱显示。第一种方法实现比较简单，但是硬件成本比较高，第二种软件和硬件实现都比较困难。1.2课题研究意义目前，某些的音频信号处理仪器不仅体积大并且价钱贵，在一些特殊的方面难以遍及使用，但嵌入式系统分析仪具有小巧且可靠等特点，以是开发基于特殊功能单片机的音频信号分析器是语音辨别的根本，具有良好的现实意义和普遍的价值。1.3课题发展的状况很久以前的声音频谱采集测量时，用到频率测量计、示波器等一系列器材组合成语音测试系统。这样的复杂系统，中间环境多就会造成各个环节之间的难以结合交流，操作实现起来非常的困难。传统的语音频谱测试仪器是可以接受一定带宽的输入信号，通过低通滤波器等滤波处理，得到输出信号的频谱图。最近几年来声音采集器发展的趋势非常快，而且是想着高度集成嵌入式系统，高性能智能化的方向发展，这样的仪器不但可以处理非常困难的信号，具有很多功能，让人可以初步分分析理解系统信号变成的图形功能。比较高级的有用快速傅里叶算法讲被测量信号，具有更高更快的能力，这样的新型声音频谱分析仪，采样ADC转换对输入信号采集，通过滤波器和傅里叶算法得到频谱分布图。1.4设计任务1、完成声音频谱图的大体框架，有信号和电压的确定，还有确定硬件系统电路的明确研究方向。第6页2、学习各类滤波器的工作方式与设计仿真出一类滤波器，可以大体的滤波出人声的频谱的范围，消除某些机械和环境的简单频率噪声。3、学习了解频谱图的分析方法，了解傅里叶的相关原理，理解快速傅里叶算法的优缺点，使用傅里叶算法计算得到当前某段语音信号的频谱。4、争取设计出一个简单的实物，显示出语音频谱图，尽量做到一定的美观效果。5、争取拓展出目前市场上还不完善或者还没开发完全来全面应用的某些语音功能。第7页第二章系统方案设计2.1系统总体设计与原理本系统准备用单片机来做主要的处理器和控制器、结合语音信号数据的采集电路（可以用喇叭或者小型麦克风来实现）、频谱显示电路等组合形成。主要有三个部分在这个系统中间：（1）语音数据采样，做到信号量化滤波等处理，包括语音采集和变换。（2）利用单片机方案处理，运用优化的傅里叶变换算法计算得到语音信号频谱图。（3）使用频谱显示模块在显示屏上显示。本系统最想做到的是某些声音频段的频谱分析，但也可以做到音频信号的频谱图，但做这些的频谱分析或者研究拓展。最主要的是滤波器滤波频段和傅里叶算法的特点和应用。图一为设计流程图：信号输入滤波器处理过的信号单片机ADC转换处理是傅里叶变换频谱图显示屏显示图1系统设计框图2.1.1声音采集本次声音采集模块决定使用驻极体话筒，驻极体话筒优点有体积小、结构简单不复杂、电声性能较好、频率范围大、保真度强还有价格比较低等特点。它在通讯设备和家用电器等电子产品中大量的使用到，所以选择使用驻极体话筒。2.1.2采样频率定理根据频率采样定理可以得知，采样频率必须大于两倍采样信号的带宽，不妨我们取信号的带宽值是200Hz，人们为了避免混叠现象，采样频率必须大于400Hz，当然这个这第8页是打个比方。简而言之，就是采样频率大于2倍采样信号频率，否则语音信号就不可以从信号采样中恢复到原始的采样信号。2.1.3频率采集范围虽然人的耳朵可以听到的频率是20-20000hz，但是人的声音可以发出的是300-3000hz。具体分为男声和女声的低音、中音、高音、中音，低音、高音。频率范围由低到高的大概范围64-1200hz，人平常说话最主要的声音频率范围是从1000-3000hz。所以我设计主要采集的频率范围应该是300-3000hz。2.2系统硬件的选择2.2.1处理器的选择这次主要设计本体不在单片机，选择的处理器是新手最容易上手的51单片机。鉴于8051系列单片机便于实验的是12MHZ的晶振，它的一个时钟周期就是1us。这样的处速度比较慢，并且在模数转换的时候需要很多时间。因此这种类型的单片机不适用。常见的升华版的51单片机有stc12和cygnal的系列。综合处理速度，实验要求和价格等等的约束，我也选择了国内较为普通内常见升级版单片机stc12c560s2单片机作为此次试验的微处理器。选择的晶振是32.768Mhz。信号的滤波处理也在这个模块进行处理。2.2.2采样模块的选择选用的单片机里存在模数转换模块，所以不用设计就可以方便使用，内部存在的模数转换的采样速率很快，所以单片机的ADC模块就用来当作采样模块。2.2.3快速傅里叶算法的原理和特点傅里叶变换在很多科学研究中有着巨大的作用，傅立叶变换的物理意义是将一个在时间域当中的信号所包含的所有频率分量（主要指其各频率分量的幅度和相位）用一个以角频率为自变量的函数表示出来，称其频谱。并且它的原理是将难以处理的时域信号改成相对不算太复杂地转换成比较容易分析的频域信号。我们可以使用一些工具对那些频域信号作出处理，变换加工，然后信号可以转化为能够对其进行各种数学变化的算法第9页公式，就能稍微容易的对其处理。在一定条件的它可以做到某个函数表示成正弦基函数的线性组合或者积分。但是在运算上面非常复杂，有非常庞大的运算过程，那些简单的功耗低的处理器，是很难处理的，所以傅里叶变换就演变形成了快速傅里叶变换，它相对于傅里叶变换，显示出了太多的优越性能。它使得傅里叶变换大为简化，在不牺牲耗电量的条件下提高了系统的运算速度，增强了系统的综合能力，提高了运算速度。因此在科学研究与社会生产生活中都有着巨大的作用，有着普遍性的意义。2.2.4显示屏的选择综合考虑，本次准备采用8X8点阵图来作为显示屏，条件允许可以用很多种其他多位的显示屏，虽然做的简单，但是只要美观实用而且价格合理感觉就可以了。第10页第三章系统硬件设计3.1选择的单片机电路设计图2stc12c5a60s2单片机连接框图本设计准备用的微处理器是stc12c5a60s2单片机，它具有时钟周期，高速、低功耗、抗干扰能力强，AD转换速度快等优点的新一代单片机。电路包含晶振电路、复位电路等。晶振在单片机系统里面的功能非常大，它是存在单片机内部的电路，能够产生单片机工作时所必须的时钟频率，单片机编程程序的执行都是建立在这个基础上的，晶振可以提供的时钟频率相对高，相应的单片机的运行速度就会相对更快。stc12c5a60s2的内部晶振电路可以提供最大的晶振是大约33Mhz。第11页图3stc12c5a60s2单片机内部结构3.1.1单片机ADC转换模块因为stc12c5a60s2单片机里有设计好的ADC转换模块，所以可以直接用来做ADC转换使用，而且内部采样模块采集速度最高可以到达每秒250K，完全符合设计的要求，还可以省略掉使用外部ADC电路的复杂设计过程。鉴于单片机内部PWM外接模块就可以DA转换得到模拟信号输出的技术也很成熟，而且这次的设计主体不需要做这些，就不做这方面的论述了。第12页图4stc12c5a60s2单片机外部结构3.2显示屏点阵图显示3.2.1数码管显示工作原理数码管显示LED是有二极管控制发光来显示，以文字、图片、视频等在显示屏上显示。LED显示屏按照显示器件可分为：LED数码显示屏和点阵图两种方式显示。七段码数码管是实现LED数码显示屏的；点阵图是有很多的均匀密布的发光二极管来展现显示模块。常见的8X8点阵LED。64个均匀排放的8X8发光二极管组成的，以高低电平的变换使得发光二极管的亮与灭。也可多用几个级联起来，也可自己动手做立体的光立方，为了方便就选择8X8电子LED发光屏了。3.2.28X8点阵显示电路第13页图53.2.38X8点阵图的硬件连接图63.3声音采集模块驻极体话筒是电容话筒的一种。电容话筒的基本原理就是用一个电容器作为声信号电信号的转化器，这个电容的一个极板可以感应声压的变化，起到声信号摄入的作用。通常这一级由金属化的高分子膜片构成，另一级构成一个极间的距离可以改变的可变电容。在有声压作用时，膜片发生振动，振动强度、振动频率都由即时声压决定，电容容量也相应的随声信号而发生变化。假如此时已经给电容加上了一个恒定的电压，那么电容容量的改变将使得电容上极化的电荷量发生改变，从而在电容两端产生一个电信号，达到声电信号转换。3.4滤波电路如果由于原信号频带很宽或采样频率选得太低，则频域中相邻周期的波形就会发fs生重叠，从而引起误差。这种现象称频率混叠，简称频混。如果一个信号的频谱具有无限的带宽，则不论如何选择采样频率，频混误差都不fs可避免。然而这种信号并不多见，比较常见的是一个有用的低频信号混进了一个高频的噪声信号。因此在采样之前先用低通滤波器滤去高频噪声，这种低通滤波器称为抗混淆滤波器。在现代数字式分析系统中，它已被列为基本组成环节。抗混淆滤波器的截止频第14页率选为。2/fs由采样定理可知：对一个频率为的有限带宽连续信号进行采样，只有当采样fm0频率时，其离散傅里叶变换才不会发生频率混淆，因而只有用这样采样的点才能fm得到离散信号的频谱。人可感知的音频中多不超过12KHz，为了凸显低频声音信号的频谱变化，本系统只分析12KHz以下的音频信号。使用RC滤波器，当，截止频率时，KR2.18z12KHfs电容值C1为：)nf(*f21sC图7取10nF。另外，单片机ADC输入的标准电路还要求加一个截止频率为3.2MHz的滤波器。总体滤波电路图如下：图8滤波电路3.5滤波器设计3.5.1滤波器原理在电子信号当中，一定条件的信号都可以认为是各种频率的正弦波叠加而成的。只允许特定频率范围的信号通过，并且阻止另一大部分的频率信号通过它，这个就是滤波电路。原来在每一个的电子系统当中，都含有自己独特的频带宽度，这样的频率特性表现了这个电子信号系统的特点。滤波器就是改变不同元器件，例如电阻、电容、运放等、来影响电路的频带宽度来设计应用在工程电路当中。3.5.2滤波器的种类与选择如果按元器件的类别来分的话，滤波器可分为：有源滤波器、无源滤波器、锁相环滤波器等。如果是按信号处理的方式分类，滤波器可分为：模拟滤波器、数字滤波器第15页等等。论文的课题要求做的是滤波器滤除掉不需要的频率来得到想要的频率带宽，得到频谱图，我要筛选的是300-3000hz的频率，所以我们得选择的方式是利用最普通的分类方式，即低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、和带阻滤波器（BEF）。3.5.3带通滤波器的设计带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、可以把其他范围的频率衰减到很低水平的滤波器。大多数模拟带通滤波器的滤波器是由电阻、电感、电容、运算放大器等组成的。带通滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来形成。3.5.4简单的带通滤波器设计目标设计一种带通滤波器使它能够让特定范围的频率信号通过。设计目标是让滤波器通过很小频率段的信号，比如当输入一定的电压值，频率小于200hz或者大于3000hz的正弦信号时，滤波器会过滤掉这些信号，但是如果是中心频率附近时，能够显示完整不失真的正弦图像。运用multisim13.0画图软件做出原理图和做出相应的仿真图。3.6设计方案此类型的滤波器的主要作用给特定的频率段通过。不在通频带上下线范围之内的信号都会衰减或者被抑制。其中有的带通滤波器可以从某些二阶低通滤波器中的某些器件改成高通的功能来变成带通滤波器。做好原理图在multisim13.0上显示并且仿真，原理如下图所示：第16页图9（1）当输入频率为400hz时：图10（2）单输入频率为1000hz时第17页图11(3)当输入频率为1500hz时：图12第18页上面的滤波器就是实现了滤波器的中心频率是1050hz，频率为1050hz的波形不失真，改变输入信号的数值为100hz和4000hz，在图上显示的是在0V左右变化的无规则的曲线。以上就是简单的带通滤波器的设计实现的结果。3.7系统软件具体设计3.7.1滤波器设计要求（1）电路用双电源供电（2）带通滤波器：通频带是从300hz到3000hz，设计的带通滤波器阶数越高越好，增益设计为20db。（3）功率放大增益为25db。（4）电路用到电阻、电容充放电、运算放大器、等构成功率放大电路。3.7.2电路测试要求（1）得到带通滤波器的频率响应特性，设计出滤波器的上下路截止频率，通频带的增益等。（2）观察各个频率段的示波器仿真图像，做出判断和看出有无失真，得出结论。3.7.3电路原理滤波器电路的设计选用LM358双运放设计电路。LM358是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路。高输入阻抗使得运放的输入电流比较小，有利于增大放大电路对前级电路的索取信号的能力。在信号输入的同时会不可避免地混入噪声和温度漂移和信号放大的影响，所以高共模抑制比更重要的是，低温度漂移的影响。带通滤波器的设计是由上限截止频率的低通滤波器频率3400Hz的级联300Hz的高通滤波器的下限截止频率。因此，设计的电路由一个低通滤波器和高通滤波器组合成一二阶带通滤波器（Butterworth响应）。功率放大电路运用LM386功放，该功放是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。3.7.4带通滤波器设计第19页根据设计要求，通带频率为300HZ3.4KHZ，滤波器阶数不限，增益为20dB，所以采取二阶高通和二阶低通联级的设计方案，选择低通放大十倍。高通不放大。当电容值从0.03uf到20uf之间时，截止频率fc是从1到100hz；当电容值从300pf到0.3uf时，截止频率从100到10000hz；当电容值从10pf到0.03uf时，截止频率从10000到1000000。高通滤波器的截止频率为300HZ，根据上表可得两个电容C=0.03uf，实际取值33nf。然后根据下面公式图13。一般Cfkc1010K图13这样我们就可以求出K值大约为为11，高通滤波器放大倍数为1，增益Av为1，K=11时,实际电阻取R1=12k，R2=24k。低通滤波器的截止频率为3400HZ，用上面的数据可以得到C=0.003uf，则C1=0.006uf，实际取值C=3.3nf，C1=6.8nf。用上面的公式算出K值大约等于10，低通滤波器放大倍数为10。可以看到高通滤波器增益Av为10，K=10时，用到实际电阻R1=4k，R2=24k,R3=30k,R4=270k。3.7.5带通滤波器在multisim软件中的仿真图14第20页3.7.6带通滤波器在multisim的仿真测试图15各个电阻值和电容值是根据理论设计各电阻值和电容值的相近值所确定。仿真如下：以下是幅频特性曲线。（1）1hz时候的仿真图图16第21页（2）300hz时候的仿真图图17（3）3400hz时候的最大幅频特性曲线图图18从图中可以看出在300hz和3400hz的时候明显的衰减，是设计所需的结果。就说明在这个频率段之内的频率可以被很好的采集。3.7.7电路测试输入1kHz、峰峰值为20mV的正弦波，在示波器上波形干净、无失真，且有效的放大。就说明在这个频率段之内的频率可以被很好的采集。多次比较与分析得出第二种设计方法的测量精度高一些和测量频率的带宽大一些，所以如果设计就选择第二种方法好一点。第22页第23页第四章系统软件设计4.1系统软件总体设计这个系统软件最重要的就是语音模块的采集转换和收集来的语音的去噪功能的实现。本章我主要说明语音信号滤波器，实现带通带阻滤波器。程序还包括各模块的初始化以及快速傅里叶变换特点的说明。初始化显示屏初始化ADC定时器采样状态完成？FFT变换采样状态置为采样中显示程序返回开始定时器T0溢出ADC采样结束取采样程序返回是图79系统软件流程总图4.2系统软件具体设计4.2.1系统的准备和系统初始化本模块是对单片机的内部初始化，如ADC转换初始化，定时器初始化，显示屏初始化；具体程序见附录二。第24页4.2.2ADC采样子程序AD采样得到的数据会反映信号的频率，所以AD采样的间隔要有所要求。这里有两种方法来确保时间间