实时噪声频谱仪系统软硬件设计方案及实现

一、项目概述

1.1 引言

随着工业生产、交通运输、城市建筑的发展，以及人口密度的增加，家庭设施（音响、空调、电视机等）的增多，环境噪声日益严重，它已成为污染人类社会环境的一大公害。因此环境噪声的监测已经成为人们密切关注的问题。实时噪声频谱仪是对噪声信号进行测量分析的必备设备，是从事专业噪声监测、音频信号的研究应用的常用工具，应用十分广泛。

传统的模拟音频频谱分析仪有明显的缺点，硬件实现复杂，只能测量频率的幅度，缺少相位信息，而且体积较大，携带不方便，不能在复杂的噪声现场进行实时的测量，因此无法满足现代环境噪声测量的要求。基于快速傅里叶变换（FFT）的现代频谱分析仪，通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的结果。这种新型的频谱分析仪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处理后获得频谱分布图，实现音频的频谱分析。

1.2 项目背景/选题动机

本项目采用的AVR EVK1105开发套件基于AT32UC3A0512微控制器，它内置硬件乘法器，支持DSP指令集，64K SRAM，具有强大的定点运算能力，因此完全可以达到数字信号处理中的数据运算要求；而且AVR EVK1105开发套件上配置有TLV320AIC23B低功耗立体声音频编解码芯片，支持MIC和LINE IN两种输入方式，而且对输入和输出都具有可编程调节增益，集成模数转换（ADC）部件，可在8K到96K的频率范围内提供16bit的采样，能够达到较高的数据采样精度；QVGA（320*240）全彩色LCD显示屏能够很好的实现噪声信号的波形图和频谱图的显示以及良好的用户界面。

因此本项目充分利用AVR EVK1105开发套件提供的软硬件资源，采用数字信号处理的方法实现一个基于Wi-Fi控制的实时噪声频谱仪。该实时噪声频谱仪采用数字的方法直接由模拟/数字转换器（ADC）获取采样数据，运用FIR数字滤波算法以及FFT算法得到实时噪声信号的频谱分布图，同时计算出噪声的相关参数，实现了实时噪声的测量与分析。该噪声频谱仪可以获得良好的线性度和高分辨率，而且增加Wi-Fi无线控制模块，能完成复杂的噪声现场和实验室无人环境的噪声测量任务。设备体积小，操作简单，便于携带使用。

二、需求分析

2.1 功能要求

1）、实现对输入噪声信号的参数测量功能：

a） 显示噪声信号的实时波形图；

b） 显示实时噪声信号的倍频程、1/3倍频程频谱图；

c） 测量实时噪声信号的相关参数：

基于A、C、Z加权的噪声信号的声压级别Lp；

‚最大，最小声压级别测量（A、C加权）、峰值声压级别（C加权）、等效连续声压级别 Leq （A、C加权）；

ƒ噪声信号累计百分n声级Ln（A、C加权）；

2）、基于Wi-Fi的无线网络连接，实现远程设备控制，实现无人环境下的噪声测量；

3）、SD卡实现数据存储、回放功能；

4）、校准：声校准，利用声校准器校准。

2.2 性能要求

（1） 测量范围： 30~120dB;

（2）倍频程带宽： 31.5~16KHz;

（3） 1/3倍频程带宽： 20Hz~20KHz;

（4） 频率分辨率： 20Hz;

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

本系统主要采用AVR EVK1105开发板上的音频数据输入接口或者麦克风获取噪声信号数据，并使用开发板上的TVL3230AIC23B低功耗立体声音频编解码器芯片实现16位的A/D转换，实现模拟信号到数字信号的转换，并运用AT32UC3A0512的DSP指令集实现FIR数字滤波、FFT算法，得到音频信号的频谱数据，计算出实现音频信号的相关参数，并实时的在开发板上的全彩色LCD屏上显示噪声信号的波形图、频谱图以及相关参数的数值。也可以将采集的数据通过开发板上的SD卡插槽存储到SD卡中，以备后续数据回放、分析使用。

该系统还支持基于Wi-Fi的无线网络接口进行设备的远程控制操作，如测量参数设置、测量开始、停止等命令，实现无人环境下的噪声参数的测量。从而完成噪声信号的监测、分析功能。

系统硬件结构框图如图1所示：

图1 系统硬件结构框图

3.2 硬件平台选用及资源配置

1、硬件平台：

系统使用AVR EVK1105开发板， AVR EVK1105是基于AT32UC3A0512的评估套件。

EVK1105开发板硬件资源使用：