基于TMS320F2812的音频信号分析仪的硬件设计学生姓名：陆敏 班级：040421指导老师：张先庭摘要：音频信号分析是指通过采集处理技术对音频信号成分进行分析，随着信息处理技术的不断发展，处理分析音频信号的设备也日渐增多。目前，音频信号分析仪在很多领域都有着广泛的应用，包括工业检测、医疗设备、军事、通信、消费电子等诸多领域。本音频信号分析仪以TI公司的高速数字信号处理器DSP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TFT480234-6.2高分辨率LCD对信号的频谱进行显示。系统主要由音频信号预处理模块、A/D转换模块、键盘和显示模块组成。其中，音频信号预处理模块是对输入信号进行平滑滤波等处理，A/D转换模块是对信号进行量化采集，键盘和显示模块是对处理完的信号进行显示和人机对话。该系统能够精确测量的音频信号频率范围为200Hz-10KHz，其幅度范围为100mVpp-5Vpp，分辨力分为20Hz。测量功率精确度高达1%,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：音频信号分析仪 TMS320F2812 FFT快速傅氏变换指导老师签名：Hardware design for Audio Signal Analyzer based on the TMS320F2812Student name:Lu Min Class:040421Supervisor:Zhang Xian TingAbstract: It is the Audio signal analysis that analysis the audio signal components through the acquisition and processing technology ,with the continues development of information processing technology , equipments, which analysis and processing the audio signal are also increasing. At present, the audio signal analyzer have a wide range of applications in many fields,including industrial inspection, medical equipment, military, communications, consumer electronics and other fields.The audio signal analyzer is controlled by DSP，TIs high-speed digital signal processor, through the AD converter, sampling the audio signal, discrete the continuous signal, and then through the FFT fast Fourier transform computing, analysis and processing the audio signal in the time domain and frequency domain and the various frequency components Power and other indicators , and then display the spectrum signals through TFT480234-6.2 high-resolution LCD . The System is mainly composed of the audio signal preprocessing module, A / D converter module, keyboard and display modules. The audio signal preprocessing module,which processing the input signal, such as smoothing filter, A / D converter module is to quantify the signal acquisition, keyboard and display module is to display the signal processing and human-machine dialogue.The system can accurately measure the frequency range of audio signals for 200Hz-10KHz, its range to 100 mVpp-5Vpp, resolution is divided into 20 Hz. Power measurement accuracy of up to one percent, and it can accurately measure the cycle of the Periodic signal, it is the ideal solution for audio signal analyzer.Keyword: Audio Signal Analyzer TMS320F2812 FFT fast Fourier transformSignature of supervisor:目录第1章 绪论1.1 选题的背景及意义11.2 音频信号分析仪的现状和趋势11.3 主要研究内容和整体结构2第2章 音频信号的综合概述2.1 音频信号42.2 音频信号的特点42.3 音频信号分析的基本原理42.4 音频信号分析方法5第3章 音频信号分析仪的总体设计3.1 设计要求83.2 方案比较8第4章 系统芯片介绍4.1 DSP芯片104.2 TMS320F2812124.3 ADS7805芯片154.4 TFT480234-6.2液晶显示17第5章 系统硬件设计5.1信号预处理模块195.2模数转换模块235.3键盘及显示模块26第6章 系统软件设计第7章 系统调试总结35参考文献36致谢37附录38第1章 绪论1.1选题的背景及意义 音频是多媒体中的一种重要媒体。我们能够听见的音频信号的频率范围大约是20Hz-20kHz，其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成为数字音频。这里所说的音频分析就是以数字音频信号为分析对象，以数字信号处理为分析手段，提取信号在时域、频域内一系列特性的过程。 各种特定频率范围的音频分析有各自不同的应用领域。例如，对于3004kHz之间的语音信号的分析主要应用于语音识别，其用途是确定语音内容或判断说话者的身份；而对于2020kHz之间的全范围的语音信号分析则可以用来衡量各类音频设备的性能。所谓音频设备就是将实际的声音拾取到将声音播放出来的全部过程中需要用到的各类电子设备，例如话筒、功率放大器、扬声器等，衡量音频设备的主要技术指标有频率响应特性、谐波失真、信噪比、动态范围等。在目前的大学本科实验教学中，如专业基础课通信原理和数字信号处理等，都是以音频信号作为示例，对信号进行分析。但往往由于成型仪器的价格昂贵，使得这部分的实验无法得以实施。这是我们研究该课题的意义之所在，希望通过研究，能够建立一个性价比高的音频信号分析系统，并将该结果应用于大学的本科实验教学中，可以让学生理解信号分析的概况。1.2音频信号分析仪的现状和趋势早期专业的音频分析仪种类很少，在做音频测量时一般是利用万用电表、频率计、示波器及频谱仪等组合成一套音频测试系统。这种测试系统中间环节多，各环节之间接口匹配较为困难，使用起来比较麻烦，测量结果往往也不精确。近年来出现的音频分析仪器也与仪器的主流发展趋势一致，朝着高度集成化、智能化的方向发展，这些仪器集成了复杂音频信号发生装置、功率放大装置等，具备了一些初步的图形化分析功能，使用户很容易组建音频测量系统。RS公司的“精灵系列”音频分析仪UP300&UP350就是这类仪器的典型代表，如图所示。该仪器集成了交直流电压测量、频率测量、信噪比测量，也可以测量频率响应、电平线性度或者谐波失真，可测量双向信道串扰，可产生双音信号，用于调制失真分析和差频失真测量，且测量范围宽，精度较高。该仪器除具备一般的音频参数测量外，UP350还可分析数字音频信号，采样率高达192kHz，可用于数字音频设备测量和模拟/数字混合接口的相关应用。目前，音频信号分析仪在国内外发展都很快，例如：美国ADP的PIP双通道音频信号分析仪、日本松下的VP7726A双声道音频信号分析仪、台湾泰仕的TES-1358音频信号分析仪等，这些分析仪能够完成音频信号的很多指标测试，但是，其产品的价格往往是很昂贵的，通常在几万元左右。另外，成型的音频信号分析仪尽管能够测试很多的音频指标，但这些指标未必是每个用户都感兴趣的，因此，往往出现成型分析仪中的某些指标没有被利用，而用户感兴趣的指标在成型分析仪中又无法测试的问题。鉴于以上两个原因，音频信号分析系统的个性化虚拟仪器如火如荼的发展起来。音频信号分析的发展是随着一般信号分析仪器的发展而不断改进的。信号分析仪的发展至今已经经历了三个阶段，50年代发展的以波的干涉、谐振和滤波原理制成的模拟式分析仪，它们功能少，分析速度慢，目前已经很少使用。但是这类仪器分析时能量集中，分析精度高且分析方法有特色。因此，许多数字化仪器保留了模拟式分析仪的部分功能。60年代，随着计算机技术的发展，信号处理由模拟式向数字式转换，发展的是以FFT计算原理制成的数字式信号分析仪。这类仪器功能多，分析速度快，是使用中的主流，典型的产品有丹麦的BK2034、日本的CF920和美国的SD375等。新的产品仍层出不穷，分析功能也越来越多，而操作则更简洁方便。第二代仪器的缺点是功能恒定，不能满足用户的特殊要求，同时分析功能无法更新换代。近年来，出现了一批基于PC机的虚拟的信号分析仪，这些分析仪器的硬件借助在科研及大专院校都很普及的微型计算机，软件依赖于用户的自行编程。这样，即提高了微机的利用率，又可以使得信号分析仪的功能能够和用户要求相匹配。在这个基础上，又出现了一批高速专用数字信号处理芯片（DSP），如TM320C30每秒可完成3300万次浮点运算。DSP芯片的出现，为通用计算机为主体的智能信号分析仪的产生和发展奠定了基础。智能仪器分析功能由软件设定，可以不断的升级换代，用户也能自行修改，同时还能与人工智能技术和数据库技术能计算机应用技术相结合，使用起来非常方便。1.3 主要研究内容和整体结构本文将DSP技术引入到音频处理的设计中，改变了传统的设计方法。通过运用FFT快速傅里叶算法对音频信号的基波频率和各谐波频率进行分析并对各频率点的幅度进行计算，这样的音频处理器不仅完成了其基本功能，而且也为今后的应用搭建好了一个音频信号处理平台。在理论方案验证通过的基础上，完成了音频处理器硬件设计和软件设计，最终开发出一套实用的音频信号分析仪。具