一種基于MSP430的FM音頻頻譜分析儀的設計方案

1.前言

在實際的廣播電視發(fā)射工作中，新的發(fā)射機的進場測試，發(fā)射機的日常指標測試等都涉及了音頻的測試。本文設計的音頻頻譜分析儀就是從信號源的角度出發(fā)，測量音頻信號的頻譜，從而確定各頻率成分的大小，為調頻廣播的各項音頻指標的提供參考。

在本文中主要提出了以MSP43處理器為核心的音頻頻譜分析儀的設計方案。以數(shù)字信號處理的相關理論知識為指導，利用MSP430處理器的優(yōu)勢來進行音頻頻譜的設計與改進，并最終實現(xiàn)了在TFT液晶HD66772上面顯示。

2.頻譜分析儀設計原理

由于在數(shù)字系統(tǒng)中處理的數(shù)據(jù)都是經(jīng)由采樣得到，所以得到的數(shù)據(jù)必然是離散的。對于離散的數(shù)據(jù)，適用離散傅立葉變換來進行處理。

快速傅里葉變換，是離散傅里葉變換的快速算法，也可用于計算離散傅里葉變換的逆變換，目前已被數(shù)字式頻譜儀廣泛采用。對于長度為N的復數(shù)序列 0 1 1 ， ， ， N ？ x x L x ，離散傅里葉變換公式為：

于是一個序列的運算被分解成兩個運算的和的形式， （ ） 1 X k 和（ ） 2 X k 可以繼續(xù)向下分解，最終分解為兩點的FFT運算。如果想要FFT運算后的輸出為自然順序排列，則輸入序列需要按位倒序來排列。

圖1為8點FFT的運算圖。

經(jīng)過FFT運算后，可以將一個時域信號變換到頻域。有些信號在時域上是很難看出什么特征的，但是如果變換到頻域之后，就很容易看出特征了，這就是頻譜儀的一般原理。

3.頻譜分析儀的設計及實現(xiàn)

本文介紹了一種基于FFT的的數(shù)字音頻頻譜分析儀的設計方案，通過ADC采樣輸入的音頻信號，ADC采樣完成以后，將數(shù)據(jù)進行倒序排列并進行FFT運算，結果通過TFT液晶顯示出來。系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

3.1 音頻頻譜分析儀硬件實現(xiàn)

為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能，采用16bit處理器MSP430來高效處理輸入的數(shù)據(jù)流。MSP430自帶ADC12模塊，ADC12的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過運算，通過65K色的液晶顯示頻譜圖。本系統(tǒng)硬件系統(tǒng)圖如圖3所示。

電源模塊為整個系統(tǒng)提供供電。系統(tǒng)還能響應用戶按鍵事件，并進行相應的處理。串口模塊為系統(tǒng)的擴展預留。

3.2 音頻頻譜分析儀的系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)上電后首先進行系統(tǒng)初始化System_Init（），對看門狗、系統(tǒng)時鐘、定時器、I/O端口、ADC等各模塊進行初始化。接下來ADC12對連續(xù)的模擬信號進行采樣，得到離散化的數(shù)字信號，由處理器讀取該數(shù)字信號并進行相應的處理。采樣頻率過高，采樣點數(shù)過多，會占用大量寶貴的處理器內存，降低數(shù)據(jù)處理速度；采樣頻率過低，又會使采樣數(shù)據(jù)失真而無法恢復原始連續(xù)信號。因此，必須根據(jù)信號的頻率范圍來設置采樣頻率，同時要滿足采樣定理的要求。

當采樣頻率一定時，增加采樣點數(shù)可以提高頻率分辨率，但數(shù)據(jù)存儲空間和計算量也相應增大。一般可根據(jù)實際需要進行采樣點數(shù)的選取，通常設置為2的整數(shù)次冪，以便于進行后續(xù)的FFT譜分析，本系統(tǒng)采樣點數(shù)為N=16.ADC12采樣流程圖如圖4所示。

采樣后的FFT數(shù)據(jù)處理是系統(tǒng)的又一個重點和難點，一方面，為了得到正序FFT，需要對原始自然序列進行碼位倒序排列；另一方面，為了減少處理器的浮點運算時間，旋轉因子kN W 計算采用查表實現(xiàn)。圖5為FFT運算的倒序流程圖。

如果提前將余弦和正弦計算出來作為全局變量，計算kN W 就可以直接調用進行加減計算，減少了大量的浮點運算時間，會以犧牲一點存儲器的代價獲得快速的系統(tǒng)響應。表1是編制的N=16時的余弦和正弦表。