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。