基于FFT的音频信号频率和失真度分析仪.doc

音频信号频率和失真度分析仪音频信号频率和失真度分析仪摘要音频信号频率和失真度分析仪利用频谱分析原理来分析被测信号的频率、频谱及波形。常用的频谱分析方法有：扫频法、数字滤波法、FFT法。这里采用一种基于FFT方法的音频信号频率和失真度分析仪设计方案，通过快速傅里叶变换(FFT)把被测的音频信号由时域信号转换为频域信号，将其分解成分立的频率分量，在此基础上对其进行各种分析。本设计基于AlteraCycloneII系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)处理器软核，代替传统DSP芯片或高性能单片机，实现了基于FFT的音频信号分析。系统由控制与运算核心、程控放大器、滤波和采样等模块组成。并在频域对信号的总功率，各频率分量功率，信号周期性以及失真度进行了计算。并在FPGA中嵌入了数字低通滤波器，代替传统有源模拟滤波器实现了性能优异的音频滤波。关键词：频谱分析；时域分析；频域分析；数字滤波；信号失真音频信号频率和失真度分析仪AudioSignalFrequencyAndDistortionAnalyzerAbstractAudiosignalfrequencyanddistortionanalyzertoanalyzethetheoryusingthemeasuredspectrumofthesignalfrequency,spectrumandwaveform.Spectralanalysismethodscommonlyused:sweepalgorithm,digitalfiltering,FFTmethod.HereuseamethodbasedonFFTaudiosignalfrequencyanddistortionanalyzerprogram,throughthefastFouriertransform(FFT)totheaudiosignalfromthemeasuredtimedomainsignalintofrequencydomainsignal,establisheditsdecompositioncomponentsfrequencycomponent,inthisbasedontheirvariousanalysis.ThedesignisbasedonAlteraCycloneIIfamilyofembeddedhigh-performanceFPGAembeddedIPcore(Nios)softcoreprocessorinsteadofthetraditionalhigh-performanceDSPchipormicrocontrollertorealizeFFT-basedaudiosignalanalysis.Systemcontrolandoperationbythecore,programmableamplifiers,filtering,andsamplingandothermodules.Andthetotalfrequencydomainsignalpower,thepowerateachfrequency,thesignalperiodicityandthedistortioniscalculated.FPGAembeddedinadigitallowpassfilter,insteadofthetraditionalactiveanalogfilterstoachieveahighperformanceaudiofilter.Keywords:spectrumanalysis；timedomain；frequencydomain；digitalfilter；Signaldistortion音频信号频率和失真度分析仪目录1绪论.11.1音频信号分析仪的国内外发展背景.11.2音频信号分析仪的现状.21.3论文研究的内容和意义.31.4章节结构安排.42音频信号分析理论基础.521数字信号处理基础.52.1.1傅立叶变换.62.1.2信号的采样.822音频信号分析.92.2.1时域分析.102.2.2频域分析.112.2.3失真分析.123方案的选择与论证.153.1整体方案选择.153.2采样和滤波.153.3信号周期性判断及周期测量.153.4正弦信号的失真度测量.163.5信号功率的计算.163.6总体结构确定.164音频信号分析仪硬件构成.174.1前级放大电路.174.2抗混叠滤波.184.3A/D转换部分.184.4FPGA模块的实现.204.4.1FPGA电路.204.4.2FPGA配置芯片-EPC2LC20.20音频信号频率和失真度分析仪4.4.3选通器74HC245.214.4.4存储芯片HM628512.224.4.56.144M晶振.234.4.6IIR滤波器.245音频信号分析仪软件设计.245.1数字滤波器的设计.255.1.1寄存器模块.255.1.2乘累加器模块.265.2FFT运算.285.3键盘控制和液晶显示.306仿真测试结果.336.1仿真方法.336.2测试仪器.336.3输入阻抗测量.346.4信号总功率及各频率分量功率测量.346.5失真度测试.346.6动态范围测试.356.7周期性测试.35参考文献.36致谢.37附录.39附录一总电路图.38附录二程序清单.39音频信号频率和失真度分析仪第1页共62页1绪论目前，大多数音频信号分析仪不但体积大而且价格贵，在一些特殊方面难以普及使用，而嵌入式系统具有小巧可靠的特点，所以开发基于特殊功能的音频是语音识别的基础，具有很好的现实意义。信号分析原理是将信号从时间域转换成频率域，使原始信号中不明显特性变得明显，便于分析处理。对于音频信号来说，其主要特征参数为幅度谱、功率谱、失真度。该音频认号分析仪的工作过程为：对音频信号限幅放大、模数转换、快速傅里叶变换(FFT，时域到频域的转换)、特征值提取；从到音频信号的幅度谱，进而得到音频信号的功率谱。1.1音频信号分析仪的国内外发展背景目前，音频信号分析仪在国内外都有成型的产品，例如：美国ADP的PIP双通道音频信号分析仪、日本松下的VP7726A双声道音频信号分析仪、台湾泰仕的TES-1358音频信号分析仪等，这些分析仪能够完成音频信号的很多指标测试，但是，其产品的价格往往是很昂贵的，通常在几万元左右【1】。另外，成型的音频信号分析仪尽管能够测试很多的音频指标，但这些指标未必是每个用户都感兴趣的，因此，往往出现成型分析仪中的某些指标没有被利用，而用户感兴趣的指标在成型分析仪中又无法测试的问题。鉴于以上两个原因，音频信号分析系统的个性化虚拟仪器如火如荼的发展起来。音频信号分析的发展是随着一般信号分析仪器的发展而不断改进的。信号分析仪的发展至今已经经历了三个阶段，50年代发展的以波的干涉、谐振和滤波原理制成的模拟式分析仪，它们功能少，分析速度慢，目前已经很少使用。但是这类仪器分析时能量集中，分析精度高且分析方法有特色。因此，许多数字化仪器保留了模拟式分析仪的部分功能【3】。60年代，随着计算机技术的发展，信号处理由模拟式向数字式转换，发展的是以FFT计算原理制成的数字式信号分析仪。这类仪器功能多，分析速度快，是使用中的主流，典型的产品有丹麦的BK2034、日本的CF920和美国的SD375等。新的产品仍层出不穷，分析功能也越来越多，而操作则更简洁方便【2】。音频信号频率和失真度分析仪第2页共62页第二代仪器的缺点是功能恒定，不能满足用户的特殊要求，同时分析功能无法更新换代。近年来，出现了一批基于PC机的虚拟的信号分析仪，这些分析仪器的硬件借助在科研及大专院校都很普及的微型计算机，软件依赖于用户的自行编程【1】。这样，即提高了微机的利用率，又可以使得信号分析仪的功能能够和用户要求相匹配。在这个基础上，又出现了一批高速专用数字信号处理芯片（DSP），如TM320C30每秒可完成3300万次浮点运算。DSP芯片的出现，为通用计算机为主体的智能信号分析仪的产生和发展奠定了基础。智能仪器分析功能由软件设定，可以不断的升级换代，用户也能自行修改，同时还能与人工智能技术和数据库技术能计算机应用技术相结合，使用起来非常方便。1.2音频信号分析仪的现状音频是多媒体应用的一种重要媒体。我们能够听见的音频信号的频率范围大约是20Hz-20kHz,其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的，声音经过模拟设备记录或再生成为模拟音频信号，再经数字化成为数字音频信号，本文所提到的音频分析就是以数字音频信号为分析对象，以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取音频在时域、频域内一系列特征的过程【1】。各种特定频率范围的音频分析有各自不同的应用领域。例如对于300Hz-4kHz之间的语音信号的分析主要应用于语音识别，其用途是确定语音内容或判断说话者的身价。而对于20Hz-20kHz之间的全范围的语音信号分析则可以用来衡量各类音频设备的性能，所谓音频设备就是从将实际的刻录机的状态遥控的声音拾取到将声音播放出来的全部过程中需要用到的各类电子设备，例如话筒、扬声器、和刻录机等【2】。衡量音频设备的主要技术指标有频率响应特性、谐波失真、信噪比、动态范围、互调失真等等。目前市场上已经出现了可用于测量音频设备的各类音频分析仪器,例如失真度分析仪、频谱分析仪、频率计数器、交流电压表、直流电压表、音频示波器等。这些基于各种功能电路的机架式传统分立硬件仪器使用简便,测量精度较高,目前己经获得了广泛的应用。但是经过分析和在工厂中实际调研不难发现,在新的形势下,这些用于音频分析的硬件仪器有许多自身难以克服的固有缺陷,主要表现如下：（1）功能较为单一，每种仪器都只有少数几种功能,要进行一次完整的测试必须人工整合数种不同的仪器,这显然给使用者带来了一定的困难。（2）图形显示功能较差。在对音频设备进行音频测试分析时,需要用到大量的曲线图表,传统的硬件仪器虽然能够提供一定的时域波形显示及频谱显示功能,但读数困难图音频信号频率和失真度分析仪第3页共62页形的可操作性差,难以满足用户的要求。（3）存储打印功能不强。音频测试中会产生大量测试数据和分析结果，对于这些有价值的数据，传统的硬件仪器难以提供方便的存储功能。（4）可扩展性差。仪器功能不能灵活增减，用户购置的硬件仪器一旦过时就难以升级，只能购置新的仪器。（5）价格昂贵。进行一次完整的音频测试及分析至少需要用到高精度音频信号源、交直流电压表、频率计、示波器、失真度测量仪和频谱分析仪等多种硬件仪器，购买整套的测试系统花费极大。据此有必要寻求一种新的仪器设计技术，这种技术能够针对传统仪器的缺点加以改进。基于FPGA嵌入Nios核的思想，就是在仪器设计领域引入全新的设计理念，采用全新的设计方法使得传统的硬件仪器的固有局限得到完全的克服。1.3论文研究的内容和意义论文以数字信号处理为理论基础，将详细地阐述音频信号在时域和频域中的分析和评价方法，同时又将其理论应用到实际中，研发音频信号和频率失真度分析仪，主要研究内容如下:设计、制作一个可分析音频信号频率成分，并可测量正弦信号失真度的仪器。要求设定输入阻抗、）输入信号电压范围（峰-峰值）、输入信号包含的频率成分范围、频率分辨力、分析时间。能检测输入信号的总功率和各频率分量的频率和功率，检测出的各频率分量的功率之和大，各频率分量功率测量的相对误差小，总功率测量的相对误差的绝对值小于。信号各频率分量应按功率大小依次存储并可回放显示，同时实时显示信号总功率和至少前两个频率分量的频率值和功率值，并设暂停键保持显示的数据。测量被测正弦信号的失真度。本课题拟有机综合运用了数字信号处理、虚拟仪器技术、测控技术及计算机等多方面的技术知识，实现了对DVD刻录机的在线精密测试，从而大大地满足了提高测试效率、适应了大批量生产及测试的需要，且保证稳定可靠的工作，为公司争取到了更多的市场份额，同时为今后获得更多的客户订单提供了坚实的技术基础【2】。如获成功，具体而言有以下几个方面的意义：(1)有效地提高生产效率，将公司原有的测试方法更新，新的测试系统能满足生产线在线测试的目的，单件测试周期由原来的4小时降低为30分钟，提高效率8倍；(2)在提高生产效率的同时，保证了测试精度；音频信号频率和失真度分析仪第4页共62页(3)降低DVD刻录机装配测试成本.本章系统的介绍了音频信号分析仪的发展背景和现状，分析了传统音频信号分析仪的缺点，通过采用FPGA嵌入Nios核来克服这些缺点来实现音频信号分析。1.4章节结构安排第一章主要介绍了音频信号分析仪的发展背景和现状，并提出了论文的主要研究内容以及论文研究的意义。第二章本章主要介绍数字信号处理的基础理论，以傅里叶变换和信号采样为基础，进行时域分析、频域分析和失真度分析。是整个系统的理论基础。第三章本章主要对音频信号分析仪进行总体方案选择及论证，对信号的采样方法、周期性测量、失真度测量以及功率的计算给出了实现方法。第四章本章分别对音频信号分析仪的各个硬件模块进行了设计，分别对信号放大模块、抗混叠滤波、A/D采样、FPGA的实现进行了系统的设计。第五章本章进行了音频信号的软件设计。主要有整体流程图、IIR数字滤波器、FFT变换和键盘控制流程。第六章本章为系统的仿真测试结果。分别对信号的频率和失真度等参数进行测试，得出结果。音频信号频率和失真度分析仪第5页共62页2音频信号分析理论基础音频信号的分析主要以数字信号处理为基础，数字信号处理系统灵活、精确、抗干扰强，速度快，这些特点都是模拟信号处理系统所无法比拟的。对音频信号的确分析可以从时域分析、频域分析、失真度分析等几个方面进行。21数字信号处理基础自20世纪60年代以来，