（光学工程专业论文）环境噪声自动监测终端的研究.pdf

摘要 城市环境噪声监测是目前环境监测系统的三大主要监测项目之一，要想改善 城市声环境质量，就必须加强环境噪声的监测工作。目前，我国大多数城市的噪 声监测都沿用一年监测若干频次和时段的手工监测方法，这种方法的实时性和连 续性都很差，不能及时发现突发性的噪声污染事故，不利于环保部门宏观掌握总 体的环境污染水平。开展环境噪声自动在线监测已成为我国噪声监测发展的必然 趋势。环境噪声自动监测系统主要由设在前端的数个全天候噪声监测终端、传输 线路和噪声数据管理中心组成，它是传感技术、微机电技术和现代通信技术相结 合的产物。本课题针对环境噪声自动监测的实际需求，提出了整体的系统设计方 案，并完成了相应的软件编程和硬件电路设计工作，实现了对环境噪声的自动监 测以及噪声值数据的实时传输、存储和显示。最后，本文还提出了频率计权数字 化的方案，在d s p 开发板平台上对设计方案进行了验证，得到了正确的结果， 并完成了相应的d s p 芯片p c b 的设计。 论文主要完成了以下工作； ( 1 ) 针对环境噪声监测的实际需求进行分析，提出了环境噪声自动监测终端的 整体设计方案，并根据需要选择了合适的硬件芯片； ( 2 ) 完成了系统中数据采集模块、g p r s 传输模块、u 盘存储模块、人机交互 模块以及l e d 显示模块的设计，实现了噪声值数据的实时传输、存储和 显示，通过人机交互模块还可对系统的参数进行设置； ( 3 )以c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机作为系统的主控制器，编写程序实现了其对系统中 各个模块的控制功能，从而保障了噪声监测的实时性和连续性。样机制成 后，在实际应用中效果良好，能够在户外长时间稳定的工作； ( 4 ) 提出了频率计权数字化的方案，编写程序在d s p 开发板平台上进行了验 证，得到了正确的结果，并完成了实现计权网络的d s p 芯片的p c b 设计； 关键词：环境噪声自动监测频率计权d s p a bs t r a c t t h ec i t ye n v i r o n m e n t a ln o i s em o n i t o r i n g i so n eo ft h et h r e ep r i m a r y e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g t oi m p r o v et h ee n v i r o n m e n ti nc i t y ，w eh a v et oe n h a n c e t h ee n v i r o n m e n t a ln o i s em o n i t o r i n g t h ec i t y e n v i r o n m e n t a ln o i s ep o l l u t i o n i s i n s t a n t a n e o u sa n di t ss p a t i a ld i s t r i b u t i o ni sd i s c o n t i n u o u s ，s oo n l yt h em u l t i s a m p l e m e t h o da n dt h ei m p r o v e m e n to fm o n i t o rf r e q u e n c i e sc a nm a k e t h er e s u l tr e s p o n d i n g t h ea c t u a le n v j r o 肿e n t a ln o i s ep o l l m i o nl e v e l a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n y d e f i c i e n c l e s i nt h ei t e mo fe n v i r o n m e n t a ln o i s em o n i t o r i n g ，s ot h ee n v i r o n m e n t a ln o i s ea u t o m a t l c m o n i t o r i n gs y s t e mb e c o m e st h el a t e s tt r e n do ft h en o i s em o n i t o r i n gi no u rc o u n t r y i t i sc o m p o s e do fs e v e r a ln o i s em o n i t o r i n gt e r m i n a l s ，t h e n o i s ed a t aa d m i n i s t e r i n g e e n t e ra n dt h et r a n s m i s s i o nc o n n e c t i o n ，i tc o m b i n e st h es e n s o rt e c h n i q u ew i t h t h e c o m p u t e rt e c h n i q u ea n dt h em o d e m c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e t h i sp a p e rp r o p o s e da 5 f t n l c t u r ea n dr e a l i z a t i o ns c h e m eo ft h ee n v i r o n m e n t a ln o i s ea u t o m a t i cm o n i t o r i n g s v s t e mw h i c hc a ns a t i s f y a l lt h er e q u i r e m e n t so ft h ec i t y e n v i r o n m e n t a ln 0 1 s e m o n i t o r i n g i nt h ee n d ，t h em e t h o do ft h ed i g i t i z a t i o no ff r e q u e n c yw e i g h t i n g 1 s p r o p o s e d ，w h i c hi si m p l e m e n t e di nt h ef l o a t i n g - p o i n td s pd e v e l o p m e n t b o a r d t h e d e s i g no ft h ed s p c i r c u i ti sc o m p l e t e d t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sl i s t e db e l o w ： f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h en e e do fe n v i r o n m e n t a ln o i s ea u t o m a t i cm o n i t o r i n g ，a n o v e ls t r u c t u r ea n dr e a l i z a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d s e c o n d l y t h ed e s i g no ft h eg p r sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t h eu - d i s ks t o r a g e m o d u l 厶t h em a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o nm o d u l ea n dt h el e dd i s p l a ym o d u l e o ft h e s y s t e mi sc o m p l e t e d t h i r d l y , t h ep r o g r a md e s i g no ft h ec 8 0 5 1f12 0s i n g l e c h i pi sc o m p l e t e d ，t h e m a s t e ro fa 1 1t h em o d u l e si nt h es y s t e mb yc 8 0 5 1f12 0i sr e a l i z e d t h ep a t t e mc a n w o r kw e l li np r a c t i c e l a s t l v t h en l e t h o do ft h ed i g i t i z a t i o no ff r e q u e n c yw e i g h t i n gi sp r o p o s e d ，i t i s t o t a l l vi m p l e m e n t e di nt h ed s pd e v e l o p m e n tb o a r d ，a n dt h ed e s i g no f t h ed s pc i r c u i t i sc o m p l e t e d k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a ln o i s e ，a u t o m a i t cm o n i t o r i n g ，f r e q u e n c yw e i g h t i n g ， d s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另u ：b n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 岳骞 签字日期：2 0 0c | 年s 月弓f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 岳蜜 ”状态码后，发送测得的噪声数值，以“0 x o a 作结束，若发送 成功会收到“s e n do k ”的状态码，至此即完成一次噪声值数据的发送。 c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机与s i m 3 0 0 模块之间是通过r s 2 3 2 串口进行通信的，串口 通信成功的前提是两者具有相同的波特率，而s i m 3 0 0 模块串口的波特率一开始 未知，但可以通过计算机的超级终端对其进行设置，将其波特率设置为9 6 0 0 b p s 。 具体的操作过程如图2 2 4 所示，也是采用a t 指令完成的。 c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机控制s i m 3 0 0 模块传输数据的程序主要包括底层的串口驱 动程序和通信过程状态机程序两部分。 ( 1 ) 底层串口驱动程序的设计：由于s i m 3 0 0 模块与单片机之间的通信采取了 流量控制机制，因此底层串口驱动程序中也要对流控信号做出处理。在每 次发送数据前先查询s i m 3 0 0 模块的状态，如果c t s 为低则发送，如果 为高则等待，接收数据前需要先将r t s 置低以允许s i m 3 0 0 模块发送数据。 ( 2 ) 通信过程状态机的设计：通信过程主要包括建立t c p 连接、发送数据和 关闭连接等操作。s i m 3 0 0 模块存在着若干种状态，当s i m 3 0 0 模块执行 某条a t 指令时会返回相应的状态码和执行结果给单片机，单片机需要根 第二章监测终端的基本工作原理及组成结构 据不同的返回数据决定相应的程序执行顺序。因此需要设计一个状态机来 控制s i m 3 0 0 模块的正常通信，并且需要能够处理正常和异常事件。异常 事件主要是指在现场工作时突然出现的断电或者系统中的某个模块重启 的情况，还有就是噪声数据管理中心的突然断网，这些异常的细节问题在 设计状态机程序时都需要考虑进去。 表2 4 s i m 3 0 0 模块的常用a t 指令集 命令功能描述 + c i p s 弋氏r 飞 连接到服务器 a t + c i p s e n d 发送数据到服务器 a t + c i p c l o s e 关闭t c p u d p 连接 a t + c i p s h u t 关闭移动场景 a t + c l p o r t 设置本地端口号 a t + c s t t 启动任务并设置a p n ，u s e rn a m e ，p a s s w o r d a t + c l l c r 激活移动场景 甑七c i f s r 获得本地l p 地址 a t + c i p s t a l l s 查询当前状态 a t + c d n s c f g配置d n s 的i p 地址 a t h ：d n s g l p 域名解析，获得l p 地址 a t + c d n s o i u p 设置连接域名或i p 地址 a t + c i p h e a d 设置接收的数据头 a t + c i p a t s 设置自动发送时间 a t + c i p s p r t 设置在a t + c i p s e n d 后是否跟有发送提示符 a t + c i p s e r v e r 配置为服务器 a t + c i p c s g p 设置为c s d 或g p r s 连接以及相关参数 a t + c lp c c o n设置当前的连接 a t + c i p f l p 是否固定本地端口号 a t 屺i p s r l p 设置是否显示发送方的i p 地址和端口号 a t + c i p d p d p 设置是否定时检测g p r s 网络状态 第二章监测终端的基本工作原理及组成结构 嚣鬈嚣r 。 图2 2 4 通过计算机的超级终端对s i m 3 0 0 模块进行初始化的过程 2 4 硬件电路的p c b 设计 p c b ( 印制电路板) 是电子产品中电路元件和器件的支撑件，提供电路元件 和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展，p c b 的密度越来越高。p c b 设计的好坏对抗干扰能力影响很大。若印制电路扳设计不当，即使电路原理匿设 计正确，也会对电子产品的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行 线靠得很近，则会形成信号被形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声1 2 0 l 。因 此，在设计印制电路扳时，应注意采用正确的方法，遵守p c b 设计的一般原则， 还应符台抗干扰设计的要求。 2 4 1p c b 设计的一般原则 要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局及导线的布设报重要。为了设计 质量好、造价低的p c b 应该遵循以下一般性原则。 一、布局原则“1 ： 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使 信号方向尽可能保持一致。 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整 齐、紧凑地排列在p c b 上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 在高频下工作的电路，耍考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使 元器件平行捧列。这样不但美观，而且装焊窖易，易于批量生产。 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2 r a m 。电路板的最佳形 第二章监测终端的基本工作原理及组成结构 状为矩形，长宽比为3 ：2 或4 ：3 。电路板面尺寸大于2 0 0 m m x l 5 0 m m 时，应 考虑电路板的机械强度。 二、布线原则 输入端和输出端所用导线应尽量避免相邻平行。最好在线间加地线，以免发 生反馈耦合。 印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的 电流值决定。当铜箔厚度为0 5 m m 、宽度为l m m 1 5 m m 时，通过2 a 的电 流，温度不会高于3 。c 。因此，导线宽度为1 5 m m 可满足要求。对于集成电 路，尤其是数字电路，通常选0 0 2 m m - 4 ) 3 m m 导线宽度。当然，只要允许， 还是尽可能用宽线，尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况 下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，可使 间距小于5 m i l 8 m i l 。 印制导线的拐弯处一般取圆弧形，直角或夹角在高频电路中会影响电气性 能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨 胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔 与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。 2 4 2 电路抗干扰措施 一、地线设计 在电子产品设计中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结 合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子产品中地线结构大致有系统地、机壳 地( 屏蔽地) 、数字地( 逻辑地) 和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点： 数字地与模拟地分开 电路板上既有高速逻辑电路又有线性电路时，应将它们尽量分开。两者的地 线不要混接，而应分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接 地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地， 地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状的大面积地箔。要尽量加大线性电路 的接地面积。 接地线应尽量加粗 若接地线用很细的线条，则接地电位随电流的变化而变化，致使电子产品的 信号电平不稳，抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于 印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3 m m 。 接地线构成闭环路 设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭路可以 第二章监测终端的基本工作原理及组成结构 明显地提高抗噪声能力。其原因在于：印制电路板上有很多集成电路元件，尤其 遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地线上产生较大的电位差， 引起抗噪能力下降，若将接地线构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的 抗噪声能力。 二、退耦电容配置 在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电 路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流， 形成瞬变的噪声电压。配置退耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制 电路板可靠性设计的一种常规做法，配置原则如下： 电源输入端跨接1 0 1 x f - 1 0 0 灯的电解电容器。 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0 0 1 p f 的瓷片电容，如遇印制板空隙 不够，可每4 个8 个芯片布置一个l p f 10 p f 的钽电容。 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如r a m 、r o m 存储器件，应 在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。 2 4 3 单片机与实时时钟芯片的p c b 设计 根据以上原则设计出的单片机和实时时钟芯片p c b 分别如图2 2 5 和图2 2 6 所示，为了便于观察先去除了敷铜。p c b 的尺寸均为1 0 8 9 6 m m ，装配孔直径为 3 m m ，孔距为10 0 * 8 5 m m ，取整数便于设计装配箱。 针对单片机板的说明如下： ( 1 ) 主体结构、布线层次与s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司提供的c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机 开发板的基本一致，去除了开发板中没有用到的多余接口。 ( 2 ) 由于电路中单片机i o 引脚需要引出的插针数目较多，为了减小p c b 的 面积，布线时信号线不能布得太宽，一般都设为1 0 m i l 。但电源和地线都 尽量加宽，在本系统中一般都设为7 0 m i l 左右。 ( 3 ) 将液晶显示模块、实时时钟芯片和u 盘文件读写模块需要用到的单片机 i o 引脚共同组成了一个标准接口，即图2 2 5 中的j 2 接口，与时钟电路 板中同样的标准接口相连，以防止电路板连接时凌乱的连接线。 ( 4 ) p c b 采用两层板设计，上下都用敷铜处理。电源部分、模拟电路部分以 及数字电路部分分别敷铜与各自的地相连，各地层连接处都采用磁珠相连 以防止干扰。 第二章监测终端的基本l 作原理厦组成结构 图2 - 2 5单片机p c b 针对时钟板的说明如下； ( i ) 为实时对钟芯片专门设计一块p c b 的原因是如果将实时时钟芯片与 c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机放置在同一块电路扳上那么这块电路板上将会出现 1 2 v 、5 v 和33 v 三种电压信号，布局布线比较苦难。因此单独为单片机 设计一块p c b ，将使用1 2 v 和5 v 电压的器件放在一起，以减少对单片机 的影响。 ( 2 ) 时钟板也采用两层板设计，顶层包括电源电路、实时时钟芯片以及与键盘、 液晶显示模块、l e d 显示屏和u 盘存储模块的接口。 ( 3 ) 图2 - 2 5 中的j 2 接v i 与图2 2 6 中的j 2 接口定义一致。 第一章监测终端的基车工作原理及组成结构 图2 2 6实时时钟芯片p c b 第三章频率计权的数字化 第三章频率计权的数字化 3 1 频率计权的数字化 3 1 1 频率计权概述 声学测量仪器频率计权的基本定义是指其恒幅稳态正弦输入信号级与显示 装置上指示信号级之间作为频率函数关系而规定的差值，频率计权用分贝( d b ) 表示【2 2 】。声学测量仪器的频率计权通常有a 、b 、c 三种，其中a 、b 、c 计权 分别近似地模拟4 0 方、7 0 方和1 0 0 方三条等响曲线，由于a 计权更能表征人耳 的主观特性，因此在噪声测量中常用a 计权声级表示噪声的大小。声级计的a 、 c 频率计权及相应的允差一般用1 3 倍频程的中心频率以列表的方式给出，详见 表3 1 。 国家标准中规定了声级计对于频率计权的性能要求，其中包括： ( 1 ) 通用声级计至少应提供指示a 频率计权和f 时间计权声级的方法。积分 平均声级计至少应提供指示a 计权时间平均声级的方法。积分声级计至 少应提供指示a 计权声暴露级的方法。声级计提供的设计功能应满足相 应的性能要求。 ( 2 ) 声级计应该有频率计权a 。符合1 级允差的声级计还应有频率计权c ，至 少对型式评定试验。测量非稳态声峰值c 声级的声级计也应能测量稳态 声的c 计权声级，至少对型式评定试验。z e r o ( 零) 频率计权( z 计权) 是任选的。 c 计权特性由频率f 1 处的两个低频极点、频率厶处的两个高频极点和0 h z 处的两个零点来实现。通过这些极点和零点，c 计权特性的功率响应，相对于参 考频率f r = l k h z 的响应，在频率点f l = 1 0 15 h z 和f h = 1 0 3 9 h z 处降低了d 2 = 1 2 ( 约 3 d b ) 。在c 计权任意频率( ) 上的c ( f ) 可用式( 3 1 ) 计算，修约到0 1 d b ： 厂2 ，2 一 a ) _ 2 0 1 虹矿矗褊1 - c l o o o ( 3 _ 1 ) a 计权特性是在c 计权上加两个耦合的一阶高通滤波器来实现，每个高通 滤波器的截止频率为f a = 1 0 2 a 5 h z 。在a 计权任意频率( h z ) 上的a ( f ) 可用式 ( 3 2 ) 来计算，修约到0 1 d b ： 第三章频率计权的数字化 彳厂= 2 。1 9 z 芦_ ：了手j 乙i _ _ 了i ；乏毛芦_ ：了予而卜彳l o o o 3 - 2 ( 2 + z 2 ) ( 厂2 + 疗) 尼( 厂2 + 霄) 於( 厂2 + 行) 表3 1声级计的频率计权及允差 标称频率 频率计权允差最大扩展 d bd b 不确定度 h z ac 1 级2 级 ( d b ) 1 07 0 41 4 3+ 3 5 ：一0 0+ 5 5 ：一 1 2 56 3 411 2+ 3 0 ：一o o+ 5 5 ：一 1 65 6 78 5+ 2 5 ：- 4 5+ 5 5 ：一o o 2 05 0 56 22 53 5 2 54 4 74 4 + 2 5 ；- 2 0 3 5 3 1 53 9 43 o2 03 。5 4 03 4 62 o1 52 5 o 5 5 03 0 21 31 52 5 6 32 6 2- 0 81 52 5 8 0 2 2 5 - 0 51 52 5 1 0 01 9 10 31 52 0 1 2 5一1 6 1 - 0 21 52 o 1 6 01 3 4- 0 11 52 0 2 0 0 1 0 9 0 01 52 o 2 5 08 60 01 41 9 3 1 56 60 o1 41 9 4 0 0- 4 80 01 41 9 5 0 03 2o 01 41 9 0 4 6 3 01 9 0 01 41 9 8 0 00 80 01 41 9 1 0 0 0 0o 0 1 11 4 1 2 5 0+ 0 60 o1 41 9 1 6 0 0+ 1 0 0 ，1 1 62 6 2 0 0 0+ 1 2- 0 21 62 6 2 5 0 0+ 1 3- 0 31 63 1 3 1 5 0+ 1 2o 51 63 1 4 0 0 0+ 1 00 81 63 6o 6 5 0 0 0 + 0 51 3 2 14 1 6 3 0 00 12 0 + 2 1 ；- 2 6 5 1 8 0 0 0 1 1 3 o + 2 1 ；- 3 1 5 6 1 0 0 0 02 5一4 4+ 2 6 ：3 6+ 5 6 ：一 1 2 5 0 0- 4 36 2+ 3 0 ：- 6 0+ 6 0 ：一o o 1 6 0 0 06 68 5 + 3 5 ：17 0+ 6 o ：一1 0 2 0 0 0 09 31 1 2+ 4 0 ：一0 0+ 6 0 ：一0 0 3 7 第三章频率计权的数字化 式( 3 - 1 ) 和式( 3 - 2 ) 中的c l o o o 和a 1 0 0 0 是以分贝表示的归一化常数，等效 于在l k h z 时提供0 d b 频率计权所需的电增益，修正到0 0 0 1 d b 。 以h z 为单位的极点频率f i 和f 4 由式( 3 3 ) 和式( 3 4 ) 所示的双二次方程 求解确定： z ：i - b - 归i 一- 4 c 】l 2 ( 3 3 ) 六： - b + 痧- 4 c m ( 3 4 ) 常数b 和c 由式( 3 5 ) 和式( 3 6 ) 确定： 6 - ( 击彬+ 等22 咧刀哟】 ( 3 - 5 ) c = 露露 ( 3 6 ) 式中d 2 ，f l 和f s 已经在上文中给出，其中d ：+ d z 。 为实现式( 3 2 ) 的a 计权特性而加入高通滤波器后，和t 3 频率响应的极 点可以通过上述高通滤波器的截止频率f a 求出，具体计算公式如下： 五：( 半) 厶 ( 3 - 7 ) 五= ( 竿) 厶 ( 3 - 7 ) 五：( 半) 六 ( 3 - 8 ) 注：实现a 计权特性有两种方法，一是在c 计权特性上加耦合的高通滤波 器，二是在0 h z 处加两个零点和在频率龟和t 3 处加极点，这两种方法是等效的。 c l i o = 一0 0 6 2 d b ，a 1 0 0 0 = 一2 0 0 0 d b ；f i 至厶取近似值，f l = 2 0 6 h z ，= 1 0 7 7 h z ， f 3 = 7 3 7 9 h z ，f 4 = 1 2 1 9 4 h z l 2 3 1 。 由式( 3 1 ) 和式( 3 - 2 ) 可以推导出频率计权的传递函数为： 脚，- ( 击去 2 9 ， 州加鼬，( 去去 式中w l 至w 4 分别为f i 至矗的角频率。 第三章频率计权的数字化 3 1 2 频率计权数字化的优势 传统的频率计权方法是采用集成运放、电阻、电容等器件构成频率计权网络， h s 5 6 3 3 b 型通用声级计中的频率计权网络就是采用这种方法制成的。这种方法 由于采用了大量的模拟器件，稳定性、可靠性、性能指标等都很难提高，调试也 很不方便，采用数字信号处理的方法就可以弥补上述缺点，并显著简化电路的结 构【2 4 1 。与模拟信号处理相比，它还具有以下优点： ( 1 ) 信号处理的动态范围宽，信噪比高 传统的用来记录信号的模拟设备的动态范围只能达到6 0 d b ，而一个1 6 位 a d 组成的数字信号处理系统的动态范围可以达到9 6 d b 。由于模拟信号在模拟 系统中要经过一系列的元器件，元件的热噪声和误差会逐级累加和放大，使得整 个系统的性能指标下降。而数字系统的误差仅受a d 转换的量化误差、有限字 长效应和实际算法的影响，所以可以得到较高的信噪比。 ( 2 ) 抗干扰能力强 数字信号处理系统基本不受外界温度、湿度的影响，没有模拟电路元件老化 快的问题。 ( 3 ) 系统的灵活性好 对于模拟系统，系统的配置和增益都很难改变，每当系统变动后，也很难重 新加以调整。而对数字系统，所有这一切仅仅是改变软件而己，十分容易实现。 事实上，数字系统的灵活性还体现在同一个系统可以完成不同的功能，实现不同 的应用。 ( 4 ) 可实现体积小、重量轻的要求 频率计权网络以往需要大量元件构成，如果采用软件实现，当然使所用元件 大幅度减少，体积也减小，重量变轻。 3 1 3 实现频率计权网络的数字滤波器的设计 数字滤波器，是指输入、输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信 号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的器件。因此，数字滤波的概 念和模拟滤波相同，只是信号的形式和实现滤波方法不同。正因为有这些不同点， 数字滤波器具有比模拟滤波器精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不要求阻 抗匹配以及能够实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能等优点。 从实现的网络结构或者单位脉冲响应来分类，数字滤波器可以分为无限脉冲 响应i i r ( i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 滤波器和有限脉冲响应f i r ( f i n i t ei m p u l s e r e s p o n s e ) 滤波器两类。 第三章频率计权的数字化 1 1 r 滤波器一般采用递归型的实现结构。其n 阶递归型数字滤波器的差分方 程为： m ， j ，( 刀) = b x ( n - k ) + 口女y ( n - k ) ( 3 11 ) k = o k = l 式( 3 1 1 ) 中的系数a k 至少有一项不为零。a k - - 0 说明必须将延时的输出序列 反馈回来，也即递归系统必须有反馈环路。相应的i i r 滤波器的传递函数为： 掰 y 6 。z _ h ( z ) = 号_ 一 ( 3 一1 2 ) l y a z z - k 篙” 可见，i i r 滤波器的传递函数h ( z ) 在z 平面上不仅有零点，而且有极点。 f i r 滤波器的单位脉冲响应h ( n ) 是有限长的，即0 n n 1 。该系统一般采 用非递归型的实现结构，但如果传递函数中出现零、极点相消时，也可以有递归 型的结构( 如频率采样结构) 。f i r 滤波器的传递函数为： r 一1 h ( z ) = h ( n ) z 1 ( 3 1 3 ) 磊 由式( 3 1 3 ) 可见，h ( z ) 的极点只能在z 平面的原点。 f i r 滤波器和i i r 滤波器的特点比较如下： ( 1 ) f i r 滤波器具有精确的线性相位响应，采用这种滤波器不会给信号带来相 位失真，i i r 滤波器的相位响应是非线性的。 ( 2 ) f i r 滤波器的实现是非递归的，它总是稳定的，i i r 滤波器的稳定性不能 一直得到保证。 ( 3 ) 采用有限位数实现滤波器的影响，f i r 滤波器要比i i r 滤波器小得多。 ( 4 ) 对于过渡带很窄的滤波器，f i r 滤波器比i i r 滤波器所需的系数多，需要 更多的处理时间和更大的存储空间。 ( 5 ) i i r 滤波器的设计可以根据模拟滤波器转换而来，f i r 滤波器不能，但f i r 滤波器可以实现具有任意频率响应的滤波器。 针对频率计权网络而言，它对滤波器的相频特性并没有要求，i e c 6 1 6 7 2 1 声级计一第一部分：技术要求所给出的技术标准中也仅仅是对幅频特性做 了要求，因此在本系统中只考虑滤波器的幅频特性。 在使用m a t l a b 信号处理工具f d a t o o l ( f i l t e rd e s i g n & a n a l y s i st 0 0 1 ) 进行 数字滤波器的设计时发现，如果采用f i r 滤波器来实现频率计权网络，为了实现 其在低频段的衰减特性，所需的滤波器阶数非常高，要达到数千甚至上万阶，需 要耗费的存储空间太大，处理时间也过长。因此在本系统中采用i i r 滤波器来实 4 0 第三章频率计权的数字化 现频率计权网络，它的结构简单、计算量小，可以用较低的阶数获得较高的选择 性，所需的存贮单元少，所以经济而且效率高，能够满足系统对于实时性的要求。 i i r 数字滤波器的设计方法主要有两类： 第一类方法是先根据传统的模拟滤波器设计理论设计所需的模拟滤波器，然 后利用冲击响应不变法或双线性变换法，根据模拟滤波器的传递函数进行变换后 得到数字滤波器的传递函数，再用硬件或软件实现。 第二类方法是直接在时域或频域中利用最优化技术进行设计，设计的基本原 则就是在一组离散的频率点上，尽可能使频域的均方误差最小。随着m a t l a b 软件尤其是m a t l a b 信号处理工具箱的不断完善，不仅能够进行数字滤波器的计 算机辅助设计，而且还可以使设计达到最优化【2 5 1 。 本系统中a d 转换器的采样频率为4 8 k h z 。由于频率计权网络的传递函数 已知，如式( 3 9 ) 和式( 3 1 0 ) 所示，所以我们省略了设计模拟滤波器的过程， 直接在m a t l a b 环境下利用双线性变换法求得数字滤波器的传递函数。得到的实 现c 计权网络和a 计权网络的数字滤波器的传递函数分别如式( 3 1 4 ) 和式( 3 1 5 ) 所示。图3 1 所示是传递函数为式( 3 1 5 ) 的数字滤波器的幅频特性曲线图。 坼( z ) ：f _ 二坐塑掣墼1 ( 3 1 4 ) 。 l l 1 0 9 7 4 z 1 4 - 0 0 9 9 8 z 1 一7 一l - l7 之 h a ( z ) = 凰( z ) 西蒜蔷蒜 3 - 1 5 ) 图3 1数字滤波器的幅频特性图 可以看出，实现a 计权网络的数字滤波器的幅频特性曲线与第1 1 2 节中a 4 1 第三章频率计权的数字化 计权网络的频率响应曲线基本上完全一致，这也证明了设计出的数字滤波器的幅 频特性能够满足i e c 6 1 6 7 2 1 声级计一第一部分：技术要求所给出的要求。 由式( 3 1 5 ) 可以看出，实现a 计权网络需要一个六阶的i i r 滤波器。 常用的i i r 滤波器的实现结构有两种，分别是直接型和级联型。 ( 1 ) 直接型结构 式( 3 1 1 ) 的差分方程以及式( 3 1 2 ) 的传递函数可以看作由两个独立的子 系统级联而成，即： h ( z ) = h 1 ( z ) h 2 ( z ) ( 3 - 1 6 ) 式( 3 1 6 ) 中，令 且( z ) ：y n 口，z 一：型( 3 - 1 7 ) 州加i - - 0 叩一2 焉 7 ) “， 州2 而1 2 器 l 一幺z 一 嵋 w ( 刀) = z a ，x ( n - i ) ( 3 1 9 ) y ( ，1 ) = w ( 甩) + b i y ( n - i ) ( 3 2 0 ) 可以看出h i ( z ) 实现了系统的极点，h 2 ( z ) 实现了系统的零点。h ( z ) 由这两部 分级联而成，如图3 2 所示，称为直接i 型。可以看出，直接i 型结构需要2 n 级延时单元。 x ( n ) a ow ( n ) y ( n ) - 7r 1z 1 a l jiji b i z - 1 1 x ( n - 1 ) i 一 y ( n - 1 ) _ z 1 a 2 jij b 2 z 1 1 x ( n - 2 ) 一 。y ( n - 2 ) r n ib n i 一 v z - l a n j lj- b n z - 1 1 r t ，h1 、n 一 图3 2直接i 型结构 4 2 第三章频率计权的数字化 由于系统是线性的，级联次序不会影响总的结果，故也可将式( 3 1 6 ) 写成： h ( z ) = h 2 ( z ) h l ( z ) ( 3 - 2 1 ) 其结构如图3 3 所示。即信号先经过反馈网络，其输出为中间变量u ( n ) ，再将u ( n ) 通过前向支路组成的网络h f f z ) ，就得到系统的最后输出y ( n ) 。 x t n )u ( n )a o y ( n ) 一 r - 7r7 j i b l 1rz - 1 1 a l j i 1 i 一 j b 2 1rz 117z - l a 2 j i 一 1 _ ： b n - i a n i j 1 _ 一 j b n 1rz - l1z 1 a n ji 一一 图3 3直接i 型的变形 改变级联次序后，中间变量u ( n ) 进行时延的两条延时链中间同一水平线上的 两个延时单元的内容便完全相同，因而可以共用一组延时单元，从而节省了一半 的延时单元。这种结构也是一种直接形式，称为直接i i 型或正准型。利用信号流 图中的转置定理，可以得到直接i i 型的转置型结构，如图3 4 所示。 x ( n ) a o y ( n ) 一 一 _ 7 一一 _ 1r a 1 j lz 1 b l 1r 一 _ 7 17 a 2 j- z 1 b 2 1r 图3 - 4直接l i 型的转置结构 4 3 第三章频率计权的数字化 由以上叙述可知，在直接型中，只要选择h ( z ) 的系数a i 和b i 就能得到所需 滤波特性的数字滤波器。但无论是直接i 型、直接i i 型还是转置型结构，都存在 一个共同的缺点，那就是它们对系数a i 和b i 的要求比较严格。从零、极点的观 点来看，系数a i 中一个系数的变化将会影响系统各零点的分布；同样，系数b i 中一个系数的变化将影响系统各极点的分布。当阶数n 较高时，这种影响将更 大。所以，通常很少采用直接形式来实现高阶的i i r 滤波器系统，往往通过变换， 将高阶i i r 滤波器变成一系列不同组合的低阶滤波器来实现。 ( 2 ) 级联型结构 通过对式( 3 1 2 ) 进行处理，可以将其完全分解为实系数的二阶因子的形式。 日( 加彳仟堡坐望( 3 - 2 2 ) 以力刊珥篙u l 岢i u 2 if - l i 一一 这样，滤波器就可以由若干个二阶子网络级联构成，这些二阶子网络也称为 二阶节，它的一般形式为 h i ( z ) - 鼍生器 协2 3 ) 整个滤波器则是它们的级联，其结构如图3 5 所示。 一， 日( z ) = 彳h i ( z ) ( 3 - 2 4 ) i _ l x ( n ) a 一 - 一 r 1 a i l ji z b i l 1r 一 ， a 2 l 。 z i b 2 l r y ( n ) 一 r a l m jl z 1 b j 1 a 2 m jl z - 1 b 2 m 1 图3 5级联型结构 由级联网络的结构图可以清楚地看到，a l i 和a 2 i 决定了第i 对零点，b 和b 2 i 决定了第i 对极点，而调整任何一对零点或极点都不影响其他的零极点。因此， 它具有一定的独立性，便于准确地实现h ( z ) 的特性要求，也便于调整。另外， h i ( z ) 的级联次序是可以互换的，且零、极点对的搭配也是任意的【2 6 1 。 综合考虑以上提到的各种因素，在本系统中，最终采用三个二阶节滤波器级 联的方式来实现a 计权网络，滤波器的传递函数如式( 3 2 5 ) 所示。 日( z ) = h 1 ( z ) h 2 ( z ) h 3 ( z ) ( 3 - 2 5 ) 其中， 第三章频率计权的数字化 州啦= 高篇器 2 6 ， 州= 而糕( 3 - 2 7 ) 3 2 数字化频率计权网络的硬件实现 3 2 1 硬件实现器件的选择 能够实现数字化频率计权网络的器件并不是唯一的，数字信号处理器d s p ( d i g i m ls i g n a lp r o c e s s o r ) 、现场可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 以及专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 都可以 实现这一功能。我们必须根据实际应用需要客观地评价和选择器件，这些器件之 间的一些简要对比被归纳在表3 2 中。 可以看出，如果系统设计需要兼顾性能和多标准的适用性，通用型d s p 芯 片是一个比较好的选择。在本系统中，我们就是采用的d s p 来