论文研究-基于FFT算法的音频信号分析仪 .pdf
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2019-08-18
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基于 FFT 算法的音频信号分析仪
邓晓平,张贤,谭书伟,尹朝亮
武汉大学电子信息学院，武汉（430079）
E-mail：dxp190000@163.com
摘 要：系统基于快速傅立叶变换(FFT)算法，以单片机和FPGA为控制与数据处理核心，实现
对频率范围在20Hz
~10KHz音频信号频率成分的分析。系统由控制与运算核心、程控放大器、
滤波和采样等模块组成。通过对程控放大器增益的调整将系统可测电压(峰-峰值)的动态范
围扩展到10mV
~８V；通过改变模数转换器的采样频率，系统能实现频率分辨力100Hz、20Hz
两挡可调；频谱分析结果可按序存储，并使用点阵式液晶屏实时显示；通过对频谱数据特征
的提取判断信号的周期性，并实现对信号的失真度分析。另外，可通过点阵式液晶屏以图形
方式显示信号各频率分量及其相对大小。
关键词：频域分析 FFT PGA 失真度
1. 引 言
音频信号的分析是语音通信、语音识别、语音合成、语音增强等技术的前提与基础。
只有将语音信号分析成表示其特性的参数，才可能利用这些参数进行高效的语音通信，才可
能建立用于语音合成的语音库和用于语音识别的模版或知识库
[5]
。而且，语音合成音质的好
坏、语音识别率的高低，都取决于对语音信号分析的正确性与准确性。
音频信号分析可分为时域、频域、倒谱域等方法。时域分析方法简单、运算量小、物理
意义明确；但为有效的方法是在频域的分析。傅立叶变换在信号处理中具有十分重要的作用，
它可使信号的某些特性变得很明显，而在原始信号中这些特性可能不明显。本文利用了频域
分析方法的优点，实现对一般语音信号幅度、基音频率等特征信息的实时提取。
2.方案设计与论证
2.1 控制与运算核心的选择
方案一：单片机作为控制与运算核心。
方案二：FPGA 作为控制与运算核心。
方案三：单片机与 FPGA 联合作为运算与控制核心。
单片机具有控制灵活简单的优点，但逻辑资源少，运行速度不能做得很高;FPGA 相对
于单片机在逻辑资源和速度上有绝对的优势，但不便于调试。若将两者联合起来，可以充分
发挥各自的优势，有可补充对方的缺点。故选择方案三。
2.2 程控放大器
方案一：使用集成可变增益放大器 AD603。只要改变控制端电压就可以控制 AD603 的
增益，但要实现增益的精密控制还必须与位数较高的 D/A 配合使用。
方案二：使用模拟开关或继电器选择则不同的电阻值，作为放大器的反馈电阻，实现不
同量程的放大倍数。这种方案控制简单，只要运放的增益带宽积和噪声抑制能力足够大，每
级的增益是恒定的。但继电器分布参数较大；而模拟开关存在一定的导通电阻。
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