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单片机实现音频频谱显示的快速算法研究
吴继发,陈特放
中南大学信息科学与工程学院,湖南 (410083)
摘 要:音频频谱显示在音响系统中有着广泛的应用,传统方法往往采用 DSP 器件或专用
芯片实现音频频谱显示,增加了系统复杂度和成本。本文充分利用音响系统中主控单片机
SST89V58RD2 的资源和计算能力,针对单片机RAM 资源少、运算速度慢的特点,提出了
一种切实可行的快速傅立叶变换算法来实现频谱显示,详细说明了该单片机系统的实现方
案。实验结果证明了方法的有效性。
关键词:频谱显示;音频;单片机;快速傅立叶变换(FFT )
中图分类号:TP391
1.引言
在家庭影院、卡拉OK等音响系统中,将音乐信号的频谱实时显示出来,会为系统增添
不少色彩。目前实际生产的音响系统产品,大多采用两种方法实现音频频谱显示:一是利用
硬件滤波器和A/D转换器实现,即先用几个幅频特性不同的滤波器对音频信号滤波,得到不
同频段内的波形,再用A/D转换器量化各频段的幅值,最后用显示器实时显示各个频段的幅
值;二是利用DSP芯片来处理频谱显示。这两种方法,前者实现简单,但增加了硬件成本,
后者实现起来软件和硬件都比较复杂。
事实上,音响系统本身的控制都不太复杂,大多是用单片机来控制,而通常情况下,单
片机还有不少的RAM资源闲置未用。如果能充分利用单片机的RAM资源,采取软件方法实
现频谱显示,则既节省了硬件成本,又降低了系统复杂性,提高了系统利用率。本文针对单
片机RAM资源少、运算速度慢的特点,提出了一种切实可行的快速傅立叶变换算法来实现
频谱显示,详细说明了该单片机系统的实现方案。
2 .整体设计及系统原理
本系统由单片机SST89V58RD2、音频采样电路、A/D 转换电路、频谱显示电路等部分
组成。其系统原理图如图 1 所示。系统从功能上可以划分成三部分:1、音频数据采集电路
实现模拟音频信号的采样保持和量化及与处理,包括音频采样电路和A/D 转换电路;2 、频
谱显示电路实现模拟音频信号频谱的分段显示,它将音频信号频谱划分成 14 段,每段按照
14 级量化,使用VFD 显示器件显示出来;3、主控制器采用SST89V58RD2 单片机,在完
成系统其它控制任务的前提下,充分发掘单片机剩余计算资源,利用优化 FFT 算法实现音
频信号频谱的计算,并将计算结果输出到频谱显示电路。
音频
SST89V FFT算 频谱
数据
58RD2 法计算 显示
采集
单片机 频谱值 电路
电路
图1 系统原理图
3 .音频信号的采集和预处理
3.1 采样频率
- 1 -
根据香农采样定理,一般采样频率至少应该为所采样音频信号最高频率的2 倍。由于人
耳能感受的频率大约为20Hz ~ 20KHz ,所以理论上采样频率最高取40kHz 即可。目前工
业上广泛采样的采样频率大致有三种[1] :44KHz 、16Bit 的声音称作CD 音质;22KHz 、
16Bit 的声音效果近似于立体声广播(FM Stereo ),称作广播音质;11KHz 、8Bit 的声音
称作电话音质。这里为了提高频谱计算的精度,拟采用40KHz 的采样频率和8Bit 的数据位
长。
3.2 样本大小
确定了采样频率之后,还需要确定样本大小,亦即完成一次 FFT 运算所需要的采样点
数。根据数字信号处理的基本原理[2],假设采样频率为F ,采样点数为N
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