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[应用方案] FFT算法的音频频谱分析

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 楼主| uptown 发表于 2023-7-13 21:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
51单片机, 单片机, 基于51单片机, fft, fft算法, 谱分析, 音频
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  1. ypedef unsigned char uint8;
    

  2. typedef unsigned int  uint16;
    

  3. #define  channel  0x01     //设置AD通道为 P1.0
    

  4. #define ADC_POWER   (1<<7)
    

  5. #define ADC_SPEEDHH (0x03<<5)
    

  6. #define ADC_START   (1<<3)
    

  7. #define PADCH       (1<<5)
    

  8. #define ADC_FLAG    (1<<4)
    

  9. #define P_3 P3 //32列扫描控制
    

  10. sbit sw=P1^2;//74HC154组切换控制位
    

  11. //放大128倍后的sin整数表（128）
    

  12. code char SIN_TAB[128]={0,6,12,18,24,30,36,42,48,54,59,65,70,75,80,85,89,94,98,102,
    

  13.                         105,108,112,114,117,119,121,123,124,125,126,126,126,126,126,
    

  14.       125,124,123,121,119,117,114,112,108,105,102,98,94,89,85,80,75,
    

  15.       70,65,59,54,48,42,36,30,24,18,12,6,0,-6,-12,-18,-24,-30,-36,-42,
    

  16.       -48,-54,-59,-65,-70,-75,-80,-85,-89,-94,-98,-102,-105,-108,-112,
    

  17.       -114,-117,-119,-121,-123,-124,-125,-126,-126,-126,-126,-126,-125,
    

  18.       -124,-123,-121,-119,-117,-114,-112,-108,-105,-102,-98,-94,-89,-85,
    

  19.       -80,-75,-70,-65,-59,-54,-48,-42,-36,-30,-24,-18,-12,-6};
    

  20. //放大128倍后的cos整数表（128）
    

  21. code char COS_TAB[128]={127,126,126,125,124,123,121,119,117,114,112,108,105,102,98,94,
    

  22.                         89,85,80,75,70,65,59,54,48,42,36,30,24,18,12,6,0,-6,-12,-18,-24,
    

  23.       -30,-36,-42,-48,-54,-59,-65,-70,-75,-80,-85,-89,-94,-98,-102,
    

  24.       -105,-108,-112,-114,-117,-119,-121,-123,-124,-125,-126,-126,-126,
    

  25.       -126,-126,-125,-124,-123,-121,-119,-117,-114,-112,-108,-105,-102,
    

  26.       -98,-94,-89,-85,-80,-75,-70,-65,-59,-54,-48,-42,-36,-30,-24,-18,
    

  27.       -12,-6,0,6,12,18,24,30,36,42,48,54,59,65,70,75,80,85,89,94,98,102,
    

  28.       105,108,112,114,117,119,121,123,124,125,126,126};
    

  29. //采样存储序列表
    

  30. code char LIST_TAB[128] = {0,64,32,96,16,80,48,112,8,72,40,104,24,88,56,120,4,68,36,100,20,84,52,116,
    

  31.                            12,76,44,108,28,92,60,124,2,66,34,98,18,82,50,114,10,74,42,106,26,90,58,
    

  32.          122,6,70,38,102,22,86,54,118,14,78,46,110,30,94,62,126,1,65,33,97,17,81,49,
    

  33.          113,9,73,41,105,25,89,57,121,5,69,37,101,21,85,53,117,13,77,45,109,29,93,61,
    

  34.          125,3,67,35,99,19,83,51,115,11,75,43,107,27,91,59,123,7,71,39,103,23,87,55,
    

  35.          119,15,79,47,111,31,95,63,127};
    

  36. uint8 LED[32]={0x80,0x00,0xC0,0x00,0xE0,0x00,0xF0,0x00,
    

  37.                0xF8,0x00,0xFC,0x00,0xFE,0x00,0xFF,0x00,
    

  38.                0xff,0x80,0xff,0xC0,0xff,0xE0,0xff,0xF0,
    

  39.       0xff,0xF8,0xff,0xFC,0xff,0xFE,0xff,0xFF,};
    

  40. uint8 COUNT=15,COUNT1=0,ADC_Count=0,LINE=15,G=0,T;
    

  41. uint8 i,j,k,b,p,anum,led=0;               
    

  42. int Temp_Real,Temp_Imag,temp;                // 中间临时变量
    

  43. uint16 TEMP1,max=0;
    

  44. int xdata Fft_Real[128];
    

  45. int xdata Fft_Image[128];               // fft的虚部
    

  46. uint8 xdata LED_TAB2[16];    //记录 漂浮物 是否需要 停顿一下
    

  47. uint8 xdata LED_TAB[16];    //记录红色柱状
    

  48. uint8 xdata LED_TAB1[16];    //记录 漂浮点
    

  49. /////////////shop60610364.taobao.com/////////
    

  50. void FFT()//基2fft
    

  51. {               
    

  52.     for( i=1; i<=7; i++)                            /* for(1) */
    

  53.     {
    

  54.         b=1;
    

  55.         b <<=(i-1);                                 //碟式运算，用于计算隔多少行计算例如 第一极 1和2行计算
    

  56.         for( j=0; j<=b-1; j++)                      /* for (2) */
    

  57.         {
    

  58.             p=1;
    

  59.             p <<= (7-i);           
    

  60.             p = p*j;
    

  61.             for( k=j; k<128; k=k+2*b)               /* for (3)  */
    

  62.             {
    

  63.                 Temp_Real=Fft_Real[k];
    

  64.     Temp_Imag=Fft_Image[k];
    

  65.     temp=Fft_Real[k+b];
    

  66.                 Fft_Real[k]=Fft_Real[k]+((Fft_Real[k+b]*COS_TAB[p])>>7)+((Fft_Image[k+b]*SIN_TAB[p])>>7);
    

  67.                 Fft_Image[k]=Fft_Image[k]-((Fft_Real[k+b]*SIN_TAB[p])>>7)+((Fft_Image[k+b]*COS_TAB[p])>>7);
    

  68.                 Fft_Real[k+b]=Temp_Real-((Fft_Real[k+b]*COS_TAB[p])>>7)-((Fft_Image[k+b]*SIN_TAB[p])>>7);
    

  69.                 Fft_Image[k+b]=Temp_Imag+((temp*SIN_TAB[p])>>7)-((Fft_Image[k+b]*COS_TAB[p])>>7);          // 移位.防止溢出. 结果已经是本值的 1/64              
    

  70.                 Fft_Real[k] >>= 1;            
    

  71.                 Fft_Image[k] >>= 1;
    

  72.                 Fft_Real[k+b] >>= 1;               
    

  73.                 Fft_Image[k+b] >>= 1;
    

  74.                                                                               
    

  75.             }   
    

  76.         }
    

  77.     }
    

  78. for(j=0;j<16;j++)//16分频           
    

  79. {                    
    

  80.   TEMP1=((((Fft_Real[j+1]* Fft_Real[j+1]))+((Fft_Image[j+1]*Fft_Image[j+1])))>>1);//求各频段幅值
    

  81.   if(TEMP1<1)TEMP1=0;
    

  82.   LED_TAB[j]=TEMP1;
    

  83.   if(LED_TAB[j]>max)max=LED_TAB[j];
    

  84. }
    

  85. if(max>16)//分级量化
    

  86. {
    

  87.    max/=16;
    

  88.    for(j=0;j<16;j++)LED_TAB[j]/=max;
    

  89. }      
    

  90. }
    


  91. 

  92. void delay2us(void)   //2us延时
    

  93. {
    

  94.     unsigned char a,b;
    

  95.     for(b=1;b>0;b--)
    

  96.         for(a=3;a>0;a--);
    

  97. }
    


  98. 

  99. void Init()
    

  100. {
    


  101. 

  102. //-----------------------------------------------------------------------------------
    

  103.      P1ASF = 0x02;                 //0000,0010, 将 P1.1 置成模拟口
    

  104.      AUXR1 &=0xFB;                 //1111,1011, 令 ADRJ=0
    

  105.   EADC=1;        //AD中断打开
    

  106.   ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDHH | ADC_START | channel;//1110 1001   1打开 A/D （ADC_POWER）转换电源；11速度为90周期一次；
    

  107.                                                       //0中断标志清零；1启动adc(ADC_START);001AD通道打开（这里为P1.1）;
    

  108. //-----------------------------------------------------------------------------------
    


  109. 

  110.   P2M0=1;
    

  111.      TMOD=0X12;      
    

  112.   TH0=0xb0;                                      
    

  113.   TL0=0xb0;
    

  114.   TH1=0xfe;              
    

  115.   TL1=0Xd4;
    

  116.   ET0=1;            //定时器0 打开
    

  117.   TR0=0;            //关闭定时器
    

  118.   ET1=1;
    

  119.   TR1=1;
    

  120.   PT1=0;
    

  121.   PT0=1;
    

  122.      IPH=PADCH;
    

  123.   IP=PADC;        //中断优先级
    

  124.   EA=1;         //总中断打开
    

  125. }
    

  126. //----------------------------------------------------------------------------------------
    


  127. 

  128. void ADC_Finish() interrupt 5
    

  129. {    ADC_CONTR &= !ADC_FLAG;
    

  130.      Fft_Real[LIST_TAB[ADC_Count]]=(int)((ADC_RES)<<1)+(ADC_RESL>>1)*2;//按LIST_TAB表里的顺序，进行存储采样值
    

  131.    if(ADC_Count<=127)ADC_Count++;
    

  132.    else {EADC=0;TR0=0;}               
    

  133. }
    

  134. //---------------------------------------------------------------------------------------
    

  135. void LED_Display() interrupt 3      //中断一次显示一列
    

  136. {   
    

  137.   TH1=0xfe;            
    

  138. TL1=0Xd4;      
    

  139.     G++;         
    

  140.     if(G==33)G=1;
    

  141. switch(G)             //往点阵屏填充一列的数据
    

  142.    {
    

  143.   case 1:sw=1;anum=LED_TAB[0];P_3=0x00;break;
    

  144.   case 2:anum=LED_TAB[0];P_3=0x01;break;
    

  145.   case 3:anum=LED_TAB[1];P_3=0x02;break;
    

  146.   case 4:anum=LED_TAB[1];P_3=0x03;break;
    

  147.   case 5:anum=LED_TAB[2];P_3=0x04;break;
    

  148.   case 6:anum=LED_TAB[2];P_3=0x05;break;
    

  149.   case 7:anum=LED_TAB[3];P_3=0x06;break;
    

  150.   case 8:anum=LED_TAB[3];P_3=0x07;break;
    

  151.   case 9:anum=LED_TAB[4];P_3=0x08;break;
    

  152.   case 10:anum=LED_TAB[4];P_3=0x09;break;
    

  153.   case 11:anum=LED_TAB[5];P_3=0x0a;break;
    

  154.   case 12:anum=LED_TAB[5];P_3=0x0b;break;
    

  155.   case 13:anum=LED_TAB[6];P_3=0x0c;break;
    

  156.   case 14:anum=LED_TAB[6];P_3=0x0d;break;
    

  157.   case 15:anum=LED_TAB[7];P_3=0x0e;break;
    

  158.   case 16:anum=LED_TAB[7];P_3=0x0f;break;
    

  159.   case 17:sw=0;anum=LED_TAB[8];P_3=0x00;break;
    

  160.   case 18:anum=LED_TAB[8];P_3=0x10;break;
    

  161.   case 19:anum=LED_TAB[9];P_3=0x20;break;
    

  162.   case 20:anum=LED_TAB[9];P_3=0x30;break;
    

  163.   case 21:anum=LED_TAB[10];P_3=0x40;break;
    

  164.   case 22:anum=LED_TAB[10];P_3=0x50;break;
    

  165.   case 23:anum=LED_TAB[11];P_3=0x60;break;
    

  166.   case 24:anum=LED_TAB[11];P_3=0x70;break;
    

  167.   case 25:anum=LED_TAB[12];P_3=0x80;break;
    

  168.   case 26:anum=LED_TAB[12];P_3=0x90;break;
    

  169.   case 27:anum=LED_TAB[13];P_3=0xa0;break;
    

  170.   case 28:anum=LED_TAB[13];P_3=0xb0;break;
    

  171.   case 29:anum=LED_TAB[14];P_3=0xc0;break;
    

  172.   case 30:anum=LED_TAB[14];P_3=0xd0;break;
    

  173.   case 31:anum=LED_TAB[15];P_3=0xe0;break;
    

  174.   case 32:anum=LED_TAB[15];P_3=0xf0;break;
    

  175.      
    

  176.   }
    

  177.     for(led=0;led<=anum;led++)     //递增
    

  178.       { P0=LED[2*led+1];
    

  179.      P2=LED[2*led];
    

  180.      delay2us();
    

  181.    
    

  182.    }           //递减
    

  183.     for(;led>=0;led--)
    

  184.       { P0=LED[2*led+1];
    

  185.      P2=LED[2*led];
    

  186.      delay2us();
    

  187.    }
    

  188. }
    

  189. //------------------------------------------------------------------------------------------------------------
    

  190. void Ad_Control() interrupt 1      //控制采样率
    

  191. {
    

  192. ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDHH| ADC_START | channel;  //开始AD采集
    

  193. }
    

  194.          
    

  195. //===============================================================================================================
    

  196. void main()
    

  197. {
    

  198.     uint8 i;
    

  199.   Init();
    

  200. while(1)
    

  201. {  
    

  202.   ADC_Count=0;
    

  203.   TR0=1;
    

  204.   EADC=1; //开启定时器中断0，开启ADC
    

  205.   while(ADC_Count<128);
    

  206.         for(i=0;i<128;i++)
    

  207.         {
    

  208.          Fft_Image[i]=0;
    

  209.         }
    

  210.   FFT();//FFT运算并转换为各频段幅值        
    

  211.   
    

  212. }
    

  213. }


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mollylawrence 发表于 2023-7-22 17:15 | 显示全部楼层
如果采样频率不是标准的采样频率（如44.1kHz或48kHz），则需要进行插值处理，以便获得准确的频谱图。
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benjaminka 发表于 2023-7-22 19:17 | 显示全部楼层
在进行FFT分析之前，需要确保音频信号是完整的，没有出现信号损坏或丢失的情况。否则，可能会导致频谱分析结果不准确。
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sanfuzi 发表于 2023-7-22 19:40 | 显示全部楼层
不同频率分量的幅度或功率可以表示音频信号的频域特征。了解频谱分析的基本原理和特性可以帮助正确解读频谱结果。
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maqianqu 发表于 2023-7-22 19:46 | 显示全部楼层
对于得到的FFT结果，将其转换为幅度谱或功率谱，以便更好地理解频域特征。可通过取FFT结果的模值平方来获取功率谱，或者对数化幅度谱以得到更直观的结果。
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yorkbarney 发表于 2023-7-22 19:55 | 显示全部楼层
在应用FFT之前，通常需要将音频信号分成较短的时间窗口。在每个窗口上应用窗函数可以减小频谱泄漏的影响。常用的窗函数包括汉宁窗、汉明窗等。选择适当的窗函数可以提高频谱分析的准确性。
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biechedan 发表于 2023-7-22 20:09 | 显示全部楼层
频率分辨率由采样率和FFT长度决定。较高的FFT长度可以提供更高的频率分辨率，但也会增加计算复杂度。根据需要平衡计算复杂度和频率分辨率。
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primojones 发表于 2023-7-22 20:29 | 显示全部楼层
确保采样率足够高，以捕捉到音频信号的高频成分。根据奈奎斯特定理，采样率应至少是信号最高频率的两倍。
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janewood 发表于 2023-7-22 20:37 | 显示全部楼层
在进行频谱分析时，要注意噪音的影响。噪音可能会掩盖信号的频谱特征，因此在分析前可以考虑进行预处理，例如降噪处理或滤波。

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iyoum 发表于 2023-7-22 21:59 | 显示全部楼层
可以应用一些平滑算法来减少噪音和提高可读性。
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timfordlare 发表于 2023-7-23 07:20 | 显示全部楼层
在进行FFT分析之前，可以使用信号处理技术来改善音频信号的质量和信噪比，例如去除噪声、增强信号等。
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loutin 发表于 2023-7-23 07:35 | 显示全部楼层
为了可视化和分析方便，可以对频谱进行归一化处理，将其转换为幅度谱或功率谱。
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jkl21 发表于 2023-7-23 07:41 | 显示全部楼层
FFT结果通常以频谱图的形式呈现，需要根据实际需求进行解析和可视化。
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burgessmaggie 发表于 2023-7-23 08:23 | 显示全部楼层
FFT算法的频率分辨率受到采样频率和FFT长度的限制。如果需要更高的频率分辨率，则需要使用更长的FFT长度和更高的采样频率。
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bestwell 发表于 2023-7-23 16:25 | 显示全部楼层
FFT的分辨率由采样率和FFT长度决定。较高的FFT长度可以提供更高的频谱分辨率，但也会增加计算复杂度。根据需要平衡分辨率和计算开销。
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jtracy3 发表于 2023-7-23 17:05 | 显示全部楼层
在应用FFT之前，通常需要对音频信号进行窗函数处理。选择合适的窗函数可以减少频谱泄漏和谐波失真等问题。
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fengm 发表于 2023-7-23 18:10 | 显示全部楼层
FFT算法使用窗函数来减少分析信号时的频率泄漏和能量泄漏。
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maudlu 发表于 2023-7-23 18:25 | 显示全部楼层
FFT算法需要一个确定的采样频率，以便将音频信号转换为频谱图。
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jonas222 发表于 2023-7-23 18:38 | 显示全部楼层
选择合适的数据长度来进行FFT计算。常见的选择是2的幂次方，例如1024、2048、4096等。使用较长的数据长度可以获得更高的频谱分辨率。
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cashrwood 发表于 2023-7-23 18:48 | 显示全部楼层
进行FFT算法的音频频谱分析时，需要注意采样率、窗函数、频谱分辨率、频谱平滑、归一化、显示方式、噪音处理和频谱解释等因素。
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