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1、基于DSP的音频信号分析仪的设计毕业论文基于TMS320C5402的音频信号分析仪的设计及实现 基于TMS320C5402的音频信号分析仪的设计及实现摘 要随着DSP技术的普及，DSP已越来越广泛地被应用于各个领域，例如：语音处理、图像处理、模式识别及工业控制等，并且日益显示出其巨大的优越性。DSP是专门的数字信号处理芯片。它以数字计算的方法对信号进行处理，具有处理速度快、精确、抗干扰能力强、体积小及可靠性高等优点，满足了对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。因此，我们设计一种基于DSP芯片TMS320VC5402的数字信号分析仪。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
2、率等特征信息的实时提取。系统采用数字方法直接由模拟/数字转换器（ADC）对输入信号取样，再经FFT处理后直接获得频谱图的方法，设计实现了音频信号分析仪。前端信号经放大滤波和16位的声卡采样后，利用DSP芯片TMS320VC5402为数据处理核心，STC89C51作为控制器引导并控制DSP芯片。采集音频信号（20Hz20KHz）进行1024个点的实时FFT变换，DSP对信号的主频率成分进行实时分析，并把分析结果通过HPI总线传给单片机STC89C51进行处理,然后通过数据线在计算机上显示数据。关键词: DSP，音频信号分析仪，AD采样，FFT，单片机STC89C51THE SIGNAL ANAL
3、YSIS INSTRUMENT OF AUDIO FREQUENCY BASED ON TMS320C5402 DESIGN AND REALIZEABSTRACTWith the popularization of DSP technology，DSP has already been more and more applied to each field widely, for example: pronunciation processing, imagery processing, pattern-recognition and industrial control，etc., and
4、 demonstrates its enormous superiority day by day.DSP is the special chip that deals digital signal. It deals with the signal by method of digital computation, and it has many advantages，as the processing speed fast, precise, anti-interference ability strongly，small and reliability that is high，and
5、so on, which have met the requirements for processing signal fast, precise, real-time processing and control,so we design a kind of analysis instrument of digital signal that is based on DSP chip TMS320VC5402. This text uses the advantage of analytical method in frequency rang, which is real-time to
6、 realize to extract for general pronunciation information and characteristic information of pronunciation frequency. The system uses the digital method to take a sample for the input signal by simulation / digital converter ADC directly, and after through the FFT processing to obtain the spectrograp
7、h directly ,which design and realize the signal analysis instrument of the audio frequency. After enlarged and samplied by AIC23B ,front signal uses DSP chip TMS320VC5402 as data processing core and STC89C51 as the controller to lead and controls DSP chip .Gathering the signal of the audio frequency
8、 20Hz20KHz is real-time to make FFT transformation for 1024 points .DSP analyzes the main frequency composition of the signal in real-time,and gives analysis result to one-chip computer STC89C51 to deal through the HPI bus, and computer demonstrates the data by data line.KEY WORDS：DSP, The signal an
9、alysis instrument of audio frequency, AD samples, FFT, One-chip computer STC89C51 目录前 言1第一章 系统描述31.1 系统方案选择3 系统总体方案选择3 各模块的方案选择61.2 总体方案描述6第二章 信号频谱分析仪的硬件设计82.1 DSP芯片8 DSP芯片特点8 电路设计时应注意的问题102.2 串行口McBSP11 McBSP简介11 McBSP的作用122.3 主机接口HPI13 主机接口的传统解决方案13 HPI的简介14 HPI作用15第三章 信号频谱分析仪的外设173.1 89c51芯片17 89
10、c51简介17 89c51的控制作用203.2 A/D转换电路213.3 串口描述22第四章 信号频谱分析仪设计的算法254.1 FFT算法简介254.2 快速傅里叶变换的原理254.3 功率谱测量方法284.4 采样参数的选择29第五章 系统软件设计315.1 DSP程序设计31 芯片选择31 FFT算法设计315.2 单片机程序设计32第六章 系统调试346.1 Keil调试程序34 Keill 软件简介34 Keil C51开发系统基本知识35 Keil C51软件的使用方法356.2 集成开发环境CCS36 CCS概述36 用CCS制作下载程序文件376.3 调试环境与测试结果42 D
11、SP程序转化为单片机程序42 运行结果43结 论44参考文献45致 谢46附 录47附录1 DSK5402开发板47附录2 DSP开发板原理图48外文资料翻译49前 言音频信号分析是语音通信、语音识别、语音合成、语音增强等技术的前提与基础。音频分析仪就是一套辅助人们更方便进行音频信号处理的系统。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-2OkHz，其中语音大约分布在300Hz4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。音频信号分析仪是一种用来对被测信号进行频率、频谱及波形分析的重要测量工具1。它主要利用频谱分析原理。频谱分析是把信号的能量用频率的函数显
12、示出来，音频信号分析广泛应用于电声测量、音频制作、信号分析乃至振动测试等领域。如,对于300Hz4 kHz 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等,能否优质完成功能,取决于语音信号分析的正确性和准确性。在DSP 芯片出现之前,频谱分析是依靠模拟滤波的方法来完成的, 这类多通道滤波器式频谱仪有一个明显的缺点, 即提高频率分辨率和带宽,需要增加滤波器的数目,且制作符合要求的滤波器在工程上比较困难。数字信号处理技术的发展为频谱分析提供了新的解决方法, 其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。科学发展到今天，我们可以用许多方法测量一个信号，不管它是什么
13、信号。通常所用的最基本的仪器是示波器，观察信号的波形、频率、幅度等。但信号的变化非常复杂，许多信息是用示波器检测不出来的从技术实现来说，目前有两种方法对信号频率进行分析。其一是对信号进行时域的采集，然后对其进行傅里叶变换，将其转换成频域信号。我们把这种方法叫作动态信号的分析方法。特点是比较快，有较高的采样速率，较高的分辨率。即使是两个信号间隔非常近，用傅立叶变换也可将它们分辨出来。但由于其分析是用数字采样，所能分析信号的最高频率受其采样速率的影响，限制了对高频的分析。目前来说，最高的分析频率只是在10MHz或是几十MHz，也就是说其测量范围是从直流到几十MHz。是矢量分析。这种分析方法一般用于
14、低频信号的分析，如声音，振动等另一方法原理则不同。它是靠电路的硬件去实现的，而不是通过数学变换。它通过直接接收，称为超外差接收直接扫描调谐分析仪。我们叫它为扫描调谐分析仪是将信号从时间域转换成频率域，使原始信号中不明显特性变得明显，便于分析处理。对于音频信号来说，其主要特征参数为幅度谱、功率谱。该音频信号分析仪的工作过程为：对音频信号限幅放大、模数转换、快速傅里叶变换 FFT，时域到频域的转换 、特征值提取；从到音频信号的幅度谱，进而得到音频信号的功率谱。目前，大多数音频信号处理仪不但体积大而且价格贵，在一些特殊方面难以普及使用，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
15、的音频分析仪器是语音识别的基础，具有很好的现实意义。基于DSP单片机技术的音频信号分析具有性能稳定、电路简单、速度快、成本低、体积小的特点，适用于需要音频信号分析的嵌入式系统中，可以在更多领域进一步推广和应用，如环境监测、语音识别、智能系统的控制等。,使原始信号中不明显特性变得明显,便于分析处理。对于音频信号来说,其主要特征参数为幅度谱、功率谱。该音频信号分析仪的工作过程为:对音频信号限幅放大、模数转换、快速傅里叶变换 FFT ,时域到频域的转换 、特征值提取;从到音频信号的幅度谱,进而得到音频信号的功率谱。音频分析利用时域分析、频域分析、失真分析等方法,通过测量各类音频参数来评价音频系统的性能。音频分析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、频域内的一系列特性的过程,在频域图中信号的某些特性变得很明显。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。文中利用TMS320C5402作为数据处理器，STC89C51作为控制器引导并控制DSP芯片。采集音频信号（20Hz20KHz），并使用FFT等方法对信号的主频率成分进行实时分析，测量各频率成分的频率值和功率值，并显示在
