以前，每當(dāng)看到家里的音箱功放上的幾排小燈，隨著播放的音樂(lè)如波浪般跳躍，或者在電腦上打開(kāi)千千靜聽(tīng)這個(gè)音樂(lè)播放軟件時(shí)，看到那動(dòng)感的頻譜跟隨音樂(lè)節(jié)奏優(yōu)美的舞動(dòng)著時(shí)，不禁思緒萬(wàn)千，要是自己某天能親手用普通的單片機(jī) DIY 這么一個(gè)東東，那將是多么有成就感的事情，至少對(duì)我們電子愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，這是許多人曾經(jīng)夢(mèng)想過(guò)的。伴隨音箱里傳來(lái)的美妙音樂(lè)，原本只能“聽(tīng)”的音樂(lè)，現(xiàn)在卻還能“看”，給人帶來(lái)視覺(jué)上的炫酷享受。

本文將帶領(lǐng)你動(dòng)手探究其中的奧秘，讓我們給音樂(lè)賦予一個(gè)完美的視聽(tīng)極限。

一、理論篇

（一）理論基礎(chǔ)概述

1）什么是頻譜？什么是頻譜顯示？

說(shuō)到“頻譜”這個(gè)詞，它好像是一種很神秘的東西，究竟什么是“頻譜”？這便要從波形本身的來(lái)源說(shuō)起。我們知道，一切聲音都是由振動(dòng)產(chǎn)生的。聲音之所以千變?nèi)f化各不相同，是因?yàn)樗鼈兊恼駝?dòng)各不相同。看看琵琶，吉他或者其他的弦類樂(lè)器，可以發(fā)現(xiàn)它的每一根琴弦的直徑都是不一樣的。琴弦越細(xì)，音調(diào)也就越高。反之則越低。顯然粗的弦就不如細(xì)的弦振動(dòng)得快或者說(shuō)是振動(dòng)的頻率高。產(chǎn)生音調(diào)高低的不同，就是由于振動(dòng)的頻率不同。很顯然頻率越高，音高也就越高。

頻率的單位是赫茲（簡(jiǎn)寫(xiě)為 Hz），赫茲 (1857-1894)，是德國(guó)物理學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)了電磁波，為了紀(jì)念他，人們用它的名字來(lái)做為頻率的單位。所謂的一赫茲，就是一秒鐘振動(dòng)一次。那么 440Hz 呢，當(dāng)然就是每秒振動(dòng) 440 次，這個(gè)聲音就是音樂(lè)中的標(biāo)準(zhǔn) A 音，是樂(lè)器定音的標(biāo)準(zhǔn)。而鋼琴中央 C 的頻率則是 261.63Hz。

我們?nèi)说亩淠軌蚵?tīng)到的頻率范圍，是 20Hz 到 20000Hz。低于這個(gè)頻率范圍的聲音叫次聲波，而高于這個(gè)頻率范圍的聲音叫做超聲波。所以我們能聽(tīng)到的音樂(lè)的頻率，即都在人耳可聽(tīng)到的這個(gè)范圍之內(nèi)，約從 20Hz 到 20KHz。

比如，下面的表格中是我們常見(jiàn)的一些人聲的基頻范圍
? 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

根據(jù)傅立葉分析，任何聲音可以分解為數(shù)個(gè)甚至無(wú)限個(gè)正弦波，而它們往往又包含有無(wú)數(shù)多的諧波分量。而它們又往往是時(shí)刻在變化著。所以一個(gè)聲音的構(gòu)成其實(shí)是很復(fù)雜的。將聲音的頻率分量繪制成曲線，就形成了頻譜。

對(duì)頻譜進(jìn)行分析的儀器就是頻譜分析儀，早期頻譜儀都是模擬分析的。頻譜儀的原理就是將聲音以信號(hào)通過(guò)一系列不同中心頻率的模擬帶通濾波器。每個(gè)帶通濾波器相當(dāng)于一個(gè)共振電路，其特性由中心頻率（步進(jìn)的）、頻帶寬度及響應(yīng)時(shí)間表示。在聲音信號(hào)通過(guò)濾波器后，經(jīng)過(guò)平方檢波器，并進(jìn)行平均之后，在每個(gè)頻率上測(cè)定所傳輸?shù)墓β?#xff0c;從而得到信號(hào)的頻譜。然而，傳統(tǒng)的頻譜儀受到濾波器性能的制約，因?yàn)槟M電路本身的特性所局限，濾波器的帶寬和響應(yīng)時(shí)間成反比，也就是說(shuō)模擬濾波器的頻率分辨力與時(shí)間分解能力之間存在矛盾。因?yàn)轭l譜儀所測(cè)量的往往都是非穩(wěn)態(tài)聲，一般來(lái)說(shuō)，都是使用若干個(gè)濾波器來(lái)覆蓋整個(gè)頻率范圍，并將信號(hào)同時(shí)并聯(lián)地輸入到這些濾波器上去。或者使用中心頻率能夠從低到高連續(xù)變化的濾波器。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在我們所使用的基本不再是那些笨重而不準(zhǔn)確的模擬儀器的頻譜儀，取而代之的是基于處理器的軟件分析法。它分析的數(shù)據(jù)來(lái)源其實(shí)是經(jīng)過(guò)了 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器件）轉(zhuǎn)換后得出的數(shù)字信號(hào)，所以頻譜儀軟件所測(cè)量的信號(hào)準(zhǔn)確度，很大程度取決于數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的性能。比起模擬濾波器，數(shù)字濾波器應(yīng)該要更加迅速和精確。

2) 什么是均衡器和音樂(lè)頻譜顯示？在我們欣賞音樂(lè)的過(guò)程中有什么樣的作用？

對(duì)于錄音棚等專業(yè)級(jí)別的音樂(lè)制作來(lái)說(shuō)，通常都需要對(duì)錄制的音頻信號(hào)進(jìn)行頻譜分析來(lái)輔助音頻的加工制作。當(dāng)然對(duì)于我們普通的愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，不需要那么精確的頻譜分析，我們更多的是用來(lái)略顯音樂(lè)節(jié)奏，美化環(huán)境，增添氣氛。于是，大多數(shù)的音樂(lè)播放軟件(如圖一)，手機(jī)，mp3，高檔的音箱設(shè)備等，都有了音樂(lè)頻譜顯示。

圖一 千千靜聽(tīng)播放音樂(lè)時(shí)的頻譜顯示

當(dāng)高級(jí)組合音響在工作時(shí)，你可以看到其中有一個(gè)部件上有一排一、二十個(gè)高高低低的推式調(diào)紐按頻率高低自左而右排列，顯示一種頻率分布圖；或者是還有一、二十個(gè)高高低低的光柱在不斷地上下跳，時(shí)而中間起一個(gè)高峰，時(shí)而并排突起兩、三個(gè)高峰，而且與音樂(lè)的高低和強(qiáng)度同步，高音越是強(qiáng)，高峰就偏右邊；低音越強(qiáng)，高峰就偏左邊，這就是均衡器及其聯(lián)結(jié)的頻譜顯示。有時(shí)，也用一排色彩不同的條紋來(lái)顯示，條紋的色彩亮度隨聲音的強(qiáng)弱而同步地改變。

我們知道，實(shí)際上每一種音樂(lè)聲，包括哪怕是一個(gè)人的獨(dú)唱，一件樂(lè)器的獨(dú)奏，都包括了一系列從低到高不同頻率的聲波，更不要說(shuō)是樂(lè)隊(duì)演奏了。如果聲音中低頻成分多，聽(tīng)起來(lái)就較厚實(shí)；如果是高音成分多，聽(tīng)起來(lái)就比較明亮。有的人喜歡聽(tīng)低音成分多些，有些人喜歡聽(tīng)高音成分多些，各不相同。因此，以前的收錄機(jī)上就有一個(gè)調(diào)節(jié)高低音的旋鈕。把旋鈕指向高音部位，高音就比較強(qiáng)；把旋鈕指向低音部位，低音就比較強(qiáng)，這就是一個(gè)簡(jiǎn)單的均衡器。

好的聲音效果，其各段頻率成分應(yīng)該有一定的比例，錄音的時(shí)候，錄音師操作調(diào)音臺(tái)就可以使各段頻率的成分得到調(diào)整。由于各種樂(lè)器的基頻高低是不同的，所以，也可以使各種樂(lè)器之間的聲音比例得到調(diào)整，常見(jiàn)的是把頻率由低至高分成 5 段或 7 段、10 段或 15 段，有經(jīng)驗(yàn)的錄音師或音樂(lè)家能聽(tīng)出哪里（哪個(gè)頻率段）“空”了，即這個(gè)頻段弱。哪里“鼓了個(gè)包”，即這個(gè)頻段過(guò)強(qiáng)。通過(guò)均衡器可以把這些予以彌補(bǔ)。又因?yàn)槊總€(gè)人對(duì)音樂(lè)中頻率分布的欣賞標(biāo)準(zhǔn)是不同的，因此，各位錄音師掌握的尺度也不同，顯示出各自的風(fēng)格。

錄音師也可以在錄音時(shí)做些“手腳”，例如，有的錄音機(jī)低音部分不太好，于是在錄音時(shí)就把低音部分加強(qiáng)，這樣，在這臺(tái)錄音機(jī)上播放時(shí)，低音就得到了補(bǔ)嘗，因此，你播放購(gòu)買(mǎi)收錄機(jī)隨機(jī)奉送的“試機(jī)帶”時(shí)，聽(tīng)起來(lái)常常總是非常動(dòng)人的，但在播放正常的磁帶時(shí)，往往就不行了。所以在正式試驗(yàn)整機(jī)和評(píng)比設(shè)備、磁帶、唱片時(shí)，是不準(zhǔn)用均衡器而且要用標(biāo)準(zhǔn)試機(jī)帶的。由于每個(gè)人的欣賞和愛(ài)好的不同，有人喜歡低音“濃”些，有人則崇尚自然，也有人有時(shí)要強(qiáng)調(diào)某種樂(lè)器。因此在高級(jí)的放音設(shè)備上也有均衡器，可以根據(jù)每人不同的愛(ài)好去隨心所欲地調(diào)整頻率響應(yīng)。同時(shí)，這也可以彌補(bǔ)錄音帶質(zhì)量上的某些缺陷，例如，除了頻響不平衡外，可以抑制某個(gè)頻段上突出的噪聲等。

3) 制作音樂(lè)頻譜顯示需要用到什么基礎(chǔ)知識(shí)

首先，我們采用是基于微處理器的軟件分析法，微處理器是本制作的核心部分，因此，選擇一個(gè)合適的性能與配置的微處理器是關(guān)鍵，我選擇增強(qiáng)型的 8051 單片機(jī)便能夠滿足本次制作的要求。軟件上的分析法核心是快速傅立葉算法，簡(jiǎn)稱 FFT。

4) 什么是 FFT？

FFT（Fast Fourier Transform）即離散傅立葉變換的快速算法。在數(shù)字信號(hào)處理中常常需要用到離散傅立葉變換(DFT)，以獲取信號(hào)的頻域特征。盡管傳統(tǒng)的 DFT 算法能夠獲取信號(hào)頻域特征，但是算法計(jì)算量大，耗時(shí)長(zhǎng)，且要求相當(dāng)大的內(nèi)存，不利于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，限制了DFT 的應(yīng)用。直到 Cooley& Tukey 在1965 年提出的快速離散傅立葉計(jì)算方法被發(fā)現(xiàn)，快速傅立葉變換算法才在實(shí)際的工程中得到廣泛應(yīng)用。需要強(qiáng)調(diào)的是，FFT 并不是一種新的頻域特征獲取方式，而是 DFT 的一種快速實(shí)現(xiàn)算法，可用來(lái)將一個(gè)信號(hào)從時(shí)域變換到頻域。多數(shù)的復(fù)雜信號(hào)在進(jìn)行頻域變換之后，變換的目的實(shí)際上是從頻域里來(lái)看同一個(gè)信號(hào)，從而容易分析出其信號(hào)的特性。這也是很多信號(hào)分析采用 FFT 變換的一個(gè)重要原因。另外，
FFT 能將一個(gè)信號(hào)的頻譜提取出來(lái)，這在頻譜分析方面也是經(jīng)常使用的。

5) 如何使用 FFT？

首先，我們用 ADC 去采樣一個(gè)模擬信號(hào)之后，使之變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。根據(jù)采樣定理，因音頻信號(hào)的最高頻率約為 20Khz,若 adc 的采樣頻率設(shè)置為 40Khz，既有采樣頻率大于信號(hào)頻率的兩倍，就能基本滿足要求。其次，將采樣得到的數(shù)字信號(hào)，送入 FFT 進(jìn)行變換處理。通常，若我們?nèi)?N 個(gè)采樣點(diǎn)，經(jīng)過(guò) FFT 運(yùn)算之后，就可以得到 N 個(gè)點(diǎn)的 FFT 結(jié)果。但通常為了方便進(jìn)行 FFT 運(yùn)算，通常 N 取 2 的整數(shù)次
方。設(shè) Fs 為 ADC 的采樣頻率,N 為傅立葉變換的點(diǎn)數(shù).則有最小分辨頻率 f=Fs/N，因此頻譜顯示的最低頻率就是 f Hz,以后每向右移一個(gè)點(diǎn),頻率值將增加 f Hz. 由于 FFT 結(jié)果的對(duì)稱性，通常只使用前 N/2 個(gè)采樣點(diǎn)的結(jié)果。

簡(jiǎn)而言之，使用 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行采樣以后，經(jīng)過(guò) FFT 變換，然后取某些頻率項(xiàng)的幅值，量化顯示，驅(qū)動(dòng) LED 點(diǎn)陣，點(diǎn)亮相應(yīng)的 LED 燈。

關(guān)于采樣點(diǎn)數(shù)的選擇，要根據(jù)自己選擇單片機(jī)的實(shí)際資源情況。比如STC12A32S2 單片機(jī)，只有 1280B RAM，我們?nèi)?64 點(diǎn)的 FFT 就可以滿足要求，還達(dá)到更好的視覺(jué)效果，更高的刷新頻率，以及為以后軟件擴(kuò)展留下余地。

（二）電路原理圖

幾個(gè)電路設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

雙音頻插孔設(shè)計(jì)，不影響正常的音頻輸出，省去了音頻分線器；

去掉音頻輸入處理的電平移動(dòng)電路，簡(jiǎn)化電路，并加入軟自動(dòng)增益控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)根據(jù)音樂(lè)的聲音大小調(diào)節(jié)顯示幅度；

采用食人魚(yú) LED 來(lái)顯示，不僅特別的亮，而且比用普通的草帽狀 LED 效果更美，耐電流也更大，還省去了部分限流電阻,食人魚(yú) LED 有四個(gè)引腳，便于手工焊接，大量減少跳線

圖二 MCU 部分的原理圖

圖三 點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路圖

(三）編程思路

在主函數(shù)中，單片機(jī)通過(guò) AD 對(duì)音頻數(shù)據(jù)采樣，然后存放到數(shù)據(jù)緩存區(qū)進(jìn)行預(yù)處理，完成 AD 濾波處理，自動(dòng)增益控制信息掃描以及其他信息處理。接著，將緩存區(qū)數(shù)據(jù)送入 快速傅立葉變換（FFT）處理子函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。處理完后，從緩存區(qū)取出運(yùn)算結(jié)果，根據(jù)得到幅值計(jì)算出點(diǎn)陣的顯示數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到顯示緩存區(qū)。

在中斷函數(shù)中，根據(jù)顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容對(duì)點(diǎn)陣顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)刷新點(diǎn)亮。

(四) 程序流程圖

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的51DIY音乐频谱显示的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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