?

?

　　本系統將采用集成有μC/OS-Ⅱ操作系統的單片機，利用快速傅里葉變換并加窗函數的方法來實現對音頻信號各項參數的分析。

　　1 系統總體方案

　　信號首先通過8階有源巴特沃茲濾波器進行抗混疊處理，然后通過放大衰減，電平搬移緩沖網絡后，送單片機處理。

　　系統的2片MSP430F1611單片機，一片負責對模擬信號進行采樣，并對采集得到的信號進行4096點的FFT計算，另一片負責控制顯示設備以及完成對信號功率譜，周期性，失真度的分析。

　　系統的總體方框圖如圖1所示。

?

　　2 系統各硬件設計

　　2.1 抗混疊濾波器的設計

　　根據Nyquist定理，AD模數轉換器以fs的頻率采樣輸入信號時，頻率f>fs/2的信號將被關于fs/2的頻率鏡像到2fs-f處，帶外雜散信號所引起的混疊現象如果沒有經過適當的濾波處理，這些頻率成分將會影響到帶內數據采集的性能指標。本系統選擇了約40 kHz的換檔采樣頻率，而輸入信號最高為10 kHz，過采樣率較低，故對濾波器提出了比較高的要求?？紤]到巴特沃茲濾波器平坦的帶內幅頻特性，使用了連續時間有源濾波器MAX274設計了8階的巴特沃茲濾波器(如圖2所示)，使20 kHz外的信號得到有效地衰減，經過試驗，效果比較好。

?

　　2.2 前端放大器的設計

　　由于輸入音頻信號的幅度可能會較大，我們假設外界給予的信號能達到10 V峰峰值，而MSP430F1611單片機片內AD采集信號范圍為0～2.51 V，故需將信號進行壓縮。經綜合考慮，本系統分為4檔，并保證每檔都有重疊的部分。100 mV以下通過低失調運放op07放大27.6 dB(24倍)，90 mV～2.5V范圍內直通，而在2～5 V范圍內通過電阻分壓衰減6.02 dB(2倍)。同樣在4～10 V范圍內衰減12.04 dB(4倍)，然后通過輸入設備進行手動選檔，控制每路繼電器的通斷，選擇到最適合的檔位，再將此信號經過電平搬移電路后緩沖輸入單片機采樣進行FFT計算。本模塊在級聯時注重了對前后級的隔離，加入了緩沖級，使測量信號幅度的誤差減小，如圖3所示。

?

　　2.3 音頻信號周期性的判斷及周期測量

　　本系統通過設定功率門限值，能有效地判斷所送入的信號是否具有周期性，并計算出周期信號的周期值。對于一般的周期信號f(t)，將f(t)展開成傅里葉級數得：

?

　　將式(1)兩邊取傅里葉變換得：

?

　　可看出一般的周期信號是由一系列的沖激函數組成的離散頻譜，且沖激發生在信號的諧波頻率處(0，±w1，±2w2...)，而非周期信號的頻譜是連續的，所以信號頻譜分布較分散，在頻譜上不可能有大的階躍，這樣可通過設定一功率門限值，如果有大于此門限值的頻譜存在就是周期信號，反之則不是，當判斷信號為周期信號時，將信號送入比較器，產生的脈沖信號送入單片機計數從而判斷其周期。經過多次試驗，選擇一個較好的門限值，這樣就能判斷很大部分的信號(如三角波、鋸齒波、正弦波)是否具有周期性，從而準確計算出信號的周期。