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1、基于SC声音频谱分析系统设计 作者： 日期：摘要频谱分析是将信号表示成不同频率的正弦分量或虚指数分量的叠加，即从频率的角度分析信号，它在声音处理、图像处理、数字音频、地震勘探等方面有着广泛的应用。快速傅立叶(FFT)算法和S3C2410芯片的出现，为频域分析的实时处理提供了有效的解决方案。本文对基于S3C2410的声音信号频谱分析系统进展了开发，主要工作如下：首先，对声音信号的时域和频域处理方法进展了分析，根据声音信号短时平稳的特点，详细阐述了其短时分析方法，并探讨了声音信号的基音周期检测方法。然后，详细介绍了本系统采用的主要硬件设备的功能和特点，包括S3C2410芯片。在此根底上，完成了系统
2、的硬件和软件设计，给出了核心程序实现过程及局部原代码，实现了一种基于S3C2410的声音频谱分析系统。该系统构造简单、使用方便，可利用ARM9强大的数据处理功能对声音信号进展频谱分析。最后，对此设计方案进展了理论分析和仿真实验，并在S3C2410上就一些相关问题做了实验，取得较为满意的结果，验证了该系统的可行性。关键词：声音频谱分析；声音处理；快速傅立叶变换；S3C2410AbstractSignal is regarded as superposition of different frequency sine component or virtual function component
3、in spectrum analysisSpectrum analysis is applied extensively in the speech processing，image processing，digital audio，seismic exploration etcSince fast Fourier transform(FFT)and S3C2410chip appeared，it provides effective solutions for real-timeprocessing of spectrum analysisThis thesis developed spec
4、trum analysis system based on speechS3C2410Major works areas follows：First，the timedomain processing and frequency-domain processing of speech signal are introduced in this thesisAccording to shortterm stationary characteristics of speech signal，the thesis exposition shortterm analysis method in det
5、ailAnd also discuss the pitch detectionmethod based on speech signalSecondthe functions and features of main hardware equipments are introducedThis system include S3C2410 .The systems hardware and software design are completed and part of source code about core procedure are providedWe developed the
6、 spectrum analysis system of speech signal based on S3C2410The system has a simple structure and is easy to usewhile we use the powerful processing function of S3C2410 to analyze speech signalFinally，the total scheme of this system is demonstrated in theory and is tested on the S3C2410，and results i
7、s satisfactoryAnalysis results prove that the system is feasibleKey Words：Spectrum Analysis；Speech Processing；FFT；S3C2410目录摘要1Abstract2引言51 绪论61.1 课题研究的背景和意义6频谱分析系统的开展现状7本课题的主要任务82 声音信号的时域分析92.1 声音信号的抽样及其数字化9声音信号的时间依赖102.3 短时自相关函数112.3.1 自相关函数的定义和性质11短时自相关函数12基音周期估计方法122.4.1 基音检测预处理13自相关法基音检测算法13基音检
8、测的后处理143 声音信号频域分析153.1 频谱分析原理与方法15频谱分析原理15频谱分析方法17傅里叶变换的原理及算法183.2.1 傅立叶变换的根本定义18离散傅立叶变换19快速傅立叶变换20短时傅立叶变换21基于短时傅立叶变换的语谱图22基音同步分析方法233.5.1 短时频谱用于基音检测23基音同步频谱分析244 S3C2410微处理器简介26概述26芯片功能及内部构造26芯片功能单元26系统管理27和触摸屏接口操作274.3.1 构造图274.3.2 触摸屏接口举例284.4 功能描述294.4.1 A/D 转换时间294.4.2 触摸屏接口工作模式295频谱分析系统设计与实现31
9、声音采集软硬件设计方案31声音采集硬件系统设计方案31声音采集软件系统设计32基于S3C2410声音频谱分析系统的软件设计32基于S3C2410处理器器的LCD显示原理32驱动程序设计34的程序设计35运行效率分析36结论37参考文献38致谢39引言目前，嵌入式技术已经广泛深入的融入到了各行各业当中，日常生活的各个角落都可以看到嵌入式技术的身影。相对于通用PC，嵌入式系统是专门针对某一特定领域进展优化设计的系统，具有软硬件可裁剪，本钱低，体积小，功耗低，可靠性高等特点。手机，PDA， 机，打印机，自动贩卖机等都是典型的嵌入式系统。这里，简单介绍一些嵌入式系统的定义。广义来说，但凡不用于通用目的
10、的可编程计算机设备，就可以算是嵌入式计算机系统。狭义而言，嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为根底，软硬件可裁剪，适于应用系统对功能、可靠性、本钱、体积和功耗要求严格的专用计算机系统。嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，嵌入式处理器目前主要有ARM，Aml86/88，386EX，SC一400，Power PC，68000，MIPS系列等。对于开发者而言，可以根据各自的实际需求选择不同的嵌入式处理器。将嵌入式技术与频谱分析相结合，其功能将更加强大。其中ARM处理器核中自带了DSP功能，既可以执行算法还可以进展事务处理，并且支持广泛的操作系统，适应于未来智能化开展方向。结合ARM技术的信号频
11、谱分析模块，集运算，显示，良好的用户界面为一体，将拥有广阔的应用前景。1 绪论1.1 课题研究的背景和意义自然界的运动和变化都有它们的固有规律，其中很多规律表现为周期性。大至宇宙天体，小至根本粒子，它们的运动都有周期性。人类社会的开展也有周期性，这就是为什么很多历史事件具有惊人的相似性。不管是简单的重复，还是螺旋式的上升，都是周期性的表现。人耳对声音敏感的不是声波本身而是声波的频率，例如男声、女生和低音、高音；人眼对光敏感的不是光波本身，而是光波的频率(颜色)，例如红光、绿光。所以，频率的概念和时间的概念一样重要。这就是为什么人们把频域和时域相提并论。频谱分析在生产实践和科学研究中有着广泛的应
12、用。例如，对各类旋转机械、电机、机床等机器的主体或部件进展实际运行状态下的谱分析，可以提供设计数据和检验设计结果，或者诊断故障，保证设备的平安运行等。在声纳系统中，为了寻找海洋水面船只或潜艇，需要对噪声信号进展频谱分析，以提供有用信息，判断舰艇运行速度、方向、位置、大小等。因此，对频谱分析方法的研究一直是信号处理技术中的一个重要课题。所谓频谱分析就是频域分析，频谱估计就是周期性估计。频谱分析和估计不仅是提醒信号特征的重要方法，也是处理信号的重要手段。这些方法和手段已经广泛地应用于通信、雷达、地震、声纳、生物医学、物理、化学、音乐、经济等领域。地震信号的处理和股票市场的预测就是其中两个例子。如此
13、广泛的应用主要归功于声音处理理论和技术的进步，因为快速傅立叶变换FFT算法和S3C2410芯片的出现，为各式各样的频域问题，提供了一个统一的、经济的、单片继承的解决方法。频谱分析仪，顾名思义它的功能是确定一个变化过程(称为信号)的频率成份，以及各频率成份之间的相对强弱关系。频谱仪是和示波器相对偶的，它们具有同样的重要性。示波器在时域里显示或表征(输入)信号，而频谱仪在频域里显示或表征(输入)信号。传统的频谱分析仪主要依靠硬件来测量频率成份，例如用滤波器来分开各频率成份。对模拟滤波器设计制造有经历的人，不难想象制造高稳定度、高精度的这种频谱分析仪的困难程度。首先是设计所得的元件值，几乎全是非标准
14、的。而且必须先经过“老化。其次是滤波器中心频率会随时间、环境温度“漂移，还有调试等问题。利用S3C2410芯片来设计频谱分析系统那么可以较好解决这些问题。因为频谱分析主要是依靠软件来计算频率成份。1.2频谱分析系统的开展现状频谱分析仪是以模拟或数字方式显示信号频谱的一类信号分析仪。频谱分析仪大体可分为扫描调谐式频谱仪及傅立叶分析仪两大类。扫描调谐式频谱仪如扫频超外差接收机，能分别显示复杂信号中各个不同频率分量的幅度，但不能提供相关相位信息。这类仪器主要用于连续信号和周期信号的频谱分析。其优点是具有大的动态范围及宽的频率范围(5Hz325kHz)，但不适合做瞬态信号及超低频信号的分析。傅立叶分析仪采用数字采样及数学变换(以傅立叶变换为根底)技术得到被测信号的傅立叶频谱。采用傅立叶分析仪能在被测信号存在的有限时间内，提取信号的全部频谱信息，并能显示频率、幅值及相位。傅立叶分析仪根本上用于低频信号(10uHzl00kHz)的分析以及要求实时快速测量的场合。与前一类频谱仪相比，傅立叶分析仪可以十倍、百倍地提高测量速度并能在超低频时保持频率测量精度。由于采用傅立叶分析仪能同时测量每个频率分量的幅值和相位，适合于分析暂态过程，测量多个信号的统计特性，评价两个或多个信号之间的连接特性及相关性等。扫描调谐式频谱分析仪己从早期的单通道频率响应分析仪扩展到多通道，其典型代
