单片机实现音乐频谱.pdf

文/张孝虎 以前，每当看到家里的音箱功放上的几排小灯，随着播放的音乐如波浪般跳跃，或者在电脑上打开 千千静听这个音乐播放软件时，看到那动感的频谱跟随音乐节奏优美的舞动着时，不禁思绪万千， 要是自己某天能亲手用普通的单片机DIY 这么一个东东，那将是多么有成就感的事情，至少对我们电子爱好 者来说，这是许多人曾经梦想过的。伴随音箱里传来的美妙音乐，原本只能“听”的音乐，现在却还能“看”， 给人带来视觉上的炫酷享受。 本文将带领你动手探究其中的奥秘，你会发现她不再神秘，只要跟着我一步一步动手做，你一定可以 成功做出来。让我们给音乐赋予一个完美的视听极限，你还在等什么？马上动手吧！ 一、 理论篇 下面我们将讲解与制作有关的基础理论知识，我将力求使音乐频谱显示的原理通俗易懂。当然，你如果 实在等不及了，或者暂时没时间弄明白也可以快速跳过本节，在制作篇直接跟我动手开始做。 (一) 理论基础概述 正在阅读本文的你可能会问，制作这么神奇的东西，她到底是什么原理，需要用到些什么理论吗？我 能明白其中的原理吗？ 1) 你问：什么是频谱？什么是频谱显示？ 我答：说到“频谱”这个词，它好像是一种很神秘的东西，究竟什么是“频谱”？这便要从波形本身 的来源说起。我们知道，一切声音都是由振动产生的。声音之所以千变万化各不相同，是因为它们的 振动各不相同。看看琵琶，吉他或者其他的弦类乐器，可以发现它的每一根琴弦的直径都是不一样的。 琴弦越细，音调也就越高。反之则越低。显然粗的弦就不如细的弦振动得快或者说是振动的频率高。 产生音调高低的不同，就是由于振动的频率不同。很显然频率越高，音高也就越高。 频率的单位是赫兹（简写为Hz ），赫兹 (1857-1894) ，是德国物理学家，他发现了电磁波，为了纪 念他，人们用它的名字来做为频率的单位。所谓的一赫兹，就是一秒钟振动一次。那么440Hz 呢，当 然就是每秒振动440 次，这个声音就是音乐中的标准A 音，是乐器定音的标准。而钢琴中央C 的频率 则是261.63Hz。 我们人的耳朵能够听到的频率范围，是20Hz 到20000Hz。低于这个频率范围的声音叫次声波，而 高于这个频率范围的声音叫做超声波。所以我们能听到的音乐的频率，即都在人耳可听到的这个范围 之内，约从20Hz 到20KHz。 比如，下面的表格中是我们常见的一些人声的基频范围 • 男低音 80 －320Hz • 男中音 96 －387Hz • 男高音 122 －488Hz • 女低音 145 －580Hz • 女高音 259 －1034Hz 根据傅立叶分析，任何声音可以分解为数个甚至无限个正弦波，而它们往往又包含有无数多的谐 波分量。而它们又往往是时刻在变化着。所以一个声音的构成其实是很复杂的。将声音的频率分量绘 制成曲线，就形成了频谱。 对频谱进行分析的仪器就是频谱分析仪，早期频谱仪都是模拟分析的。频谱仪的原理就是将声音 信号通过一系列不同中心频率的模拟带通滤波器。每个带通滤波器相当于一个共振电路，其特性由中 心频率（步进的）、频带宽度及响应时间表示。在声音信号通过滤波器后，经过平方检波器，并进行平 均之后，在每个频率上测定所传输的功率，从而得到信号的频谱。然而，传统的频谱仪受到滤波器性 能的制约，因为模拟电路本身的特性所局限，滤波器的带宽和响应时间成反比，也就是说模拟滤波器 的频率分辨力与时间分解能力之间存在矛盾。因为频谱仪所测量的往往都是非稳态声，一般来说，都 是使用若干个滤波器来覆盖整个频率范围，并将信号同时并联地输入到这些滤波器上去。或者使用中 心频率能够从低到高连续变化的滤波器。 随着科学技术的不断进步，现在我们所使用的基本不再是那些笨重而不准确的模拟仪器的频谱仪， 取而代之的是基于处理器的软件分析法。它分析的数据来源其实是经过了ADC （模数转换器件）转换 后得出的数字信号，所以频谱仪软件所测量的信号准确度，很大程度取决于数模转换电路的性能。比 起模拟滤波器，数字滤波器应该要更加迅速和精确。 2) 你问：那什么是均衡器和音乐频谱显示？在我们欣赏音乐的过程中有什么样的作用？ 我答：对于录音棚等专业级别的音乐