音频信号分析仪论文

1、音频信号分析仪(A题)摘 要本作品基于快速离散傅里叶(FFT)技术，以FPGA为高速数据处理器件，以单片机为主要控制器件，由信号调理模块、有效值检测模块、A/D采样模块和FFT算法处理模块等构成。其中信号调理部分由程控放大器和抗混叠低通滤波器组成，实现信号的前期处理。本系统在FPGA内完成了4096点20位定点FFT计算，能精确测量频率范围在10Hz-10kHz，电压范围在16mVpp10Vpp的输入信号的功率及总功率，频率分辨率可达10Hz，能分析信号的失真度，判断信号的周期性，并测量其周期。此外，系统还具有存储回放和显示测量结果等功能。关键词：FPGA FFT 频率 功率AbstractT

2、he system based on microprocessor uses FPGA to carry out FFT algorithm in order to analyse the audio signal. It contains a signal conditioning module, AD637 detector module, A / D sampling module and the FFT algorithm processing module. The signal conditioning consists of program-controlled amplifie

3、r and low-pass filter to achieve signal preprocessing. The system uses 20-bit fixed-point 4096-point FFT calculation, to the accurate measurement of the frequency range 10-10kHz, the amplitude range of 100mVpp 10Vpp the input signal power and total power, frequency resolution up to 10Hz, and analysi

4、s of signal distortion degrees, to determine the periodic signal, and measure its cycle. In addition, the system also has a storage playback and display features such as measurement results.一、系统方案论证与比较1.方案比较与选择(1)总体方案比较与选择系统核心在于对信号进行频谱分析，从而实现功率谱、失真度等参数测量。方案一：扫频外差法。将输入信号和扫频本振产生的信号混频，使变频后信号不断移入窄带滤波器，进

5、而逐个选出被测频谱分量。这种方法的优点是扫频范围大，但对硬件电路要求较高，分辨率不高，难以满足题目要求。方案二：多通道数字滤波器并行分析法。 输入信号经由A/D采样之后，并行输入给多个带通数字滤波器，以选出各个频率分量。该方法受到数字器件资源的限制，难以设置足够多的数字滤波器，从而无法实现高分辨率和高扫描宽度。方案三：FFT分析法。在有限时间T内对信号进行采样，作FFT运算将时域信号变为频域信号，以获得频率和功率等信息。该方法硬件电路简单，实现方便，但受ADC速度的限制，测量范围有限。考虑到本题只要求测量20Hz10kHz音频信号的频率成分，可以实现此方案。考虑到方案三硬件电路简单，容易实现，

6、可靠性高，且满足题目要求，故综合考虑选择方案三。(2)放大器方案比较与选择方案一：使用模拟开关或继电器配合运放实现。通过模拟开关或继电器切换不同反馈电阻来调节放大倍数。该方法优点是动态范围大，但它由分立元件构成，电路复杂，温漂大。方案二：采用压控放大器实现，由DAC输出可变电压控制放大器。一方面，由于DAC有量化误差，放大倍数不能准确控制。另一方面，由于控制电压易受外界干扰，难以保持稳定。另外，其性价比不高。方案三：采用DAC配合运放实现。将DAC内部可变的电阻网络作为运放的反馈电阻，实现增益可调。该方法精度高，电路简单可靠，性价比高。考虑到性价比以及本题目对精度的要求，选择方案三。2.总体方

7、案描述系统框图如图1-1所示。输入信号通过程控放大器调整到ADC的输入范围，经过抗混叠低通滤波器后，信号分为两路。一路由AD637进行有效值检测，其模拟量输出经A/D转换为数字量，由FPGA送往MSP430进行总功率的计算；另一路由ADC进行同步采样，送往FPGA中做FFT运算，将运算结果送到MSP430单片机，进行功率谱、失真度等各项指标的计算，并将处理结果实时显示出来。图1-1 系统原理框图二、理论分析与计算1.A/D量化噪声分析 设A/D位数为N，其量化误差为LSB,转换电压范围为,系统输入信号为。则可假定A/D引入的量化误差是零均值、在-Q/2和Q/2之间随机均匀分布的，量化噪声的均方

8、值为： (1-1)量化后噪声的平均功率为： (1-2)由于系统噪声导致的相对功率测量误差为： (1-3)设计中，我们选用12位的A/D,其量化误差为LSB,转换电压范围-5V+5V，前级调理电路将输入信号调理到0.875V5V。根据这些已知参数及式(1-1)、式(1-2)，代入式(1-3)，得：满足题目对精度的要求。2.放大器设计系统采用12位DAC与低噪声运放实现程控放大。由DAC内部的反馈电阻R作为运放的输入电阻，而由DAC内部数字量控制的倒T型电阻网络作为运放的反馈电阻。则放大器增益为：G=其中，code为12位DAC对应的数字量输入。不同幅度的输入信号对应的放大倍数和code如表2-1

9、所示。 表2-1 放大器电路参数设计序号code放大倍数输入信号峰峰值输出信号峰峰值1331251680mV210V21642570mV0.4V1.7510V381950.352V1.7510V4409511.7510V1.7510V根据以上分析，放大器的增益带宽积应大于。根据设计要求，放大器输出信号最大频率为10kHz、最大幅值为5V，故要求该放大器的压摆率大于。3.功率谱计算原理：FPGA通过A/D采样得到N个时域点序列x(n),进行FFT变换后得到N个频域点序列X(K)，单片机读取前N/2个频域点进行计算处理（由于FFT后N个点的数据是对称的，所以计算时只使用N/2个点），得到功率信息。

10、单片机计算处理过程如下：由帕赛瓦尔定理，可得到所有信号的总功率为：则第K条频率谱线对应的功率为由于以上是假定负载为1时得到的，故实际结果应在原来的基础上除以负载 50。4.失真度的分析和计算失真度定义为信号中全部谐波分量的能量与基波能量之比，即，在得到信号的总功率P和基波的频率后，可方便地求出。5.周期性判断方法周期函数的自相关函数也是同频的周期函数，利用这一特点，可实现信号的周期性判断。自相关函数，其中L表示序列x(n)的长度，表示x(n)经过个抽样周期后的采样值，当=0时，取最大值。根据，依次求出、，直至出现第一个波谷，同时小到一定程度，则认为x(n)是周期为的周期序列。三、电路与程序设计

11、1.前级放大电路设计信号输入后通过两个高精度100的电阻并联，实现输入阻抗50的要求。经过电压跟随器后进入程控放大电路。根据放大器的理论分析，程控放大器的运放选用TI公司生产的OPA627，其噪声极低，压摆率为40，带宽为16MHz，满足设计要求。D/A选用 TI公司生产的12位串行DAC7811，基准电压为15V，满足设计中的电压范围要求。实际电路如图3-1所示。图3-12.其它电路抗混叠低通滤波器：信号在进入A/D采样之前，需进行抗混叠低通滤波，防止信号中的高频分量超过fs/2(fs为A/D采样频率)，导致欠采样，引起频率混叠。设计中采用截止频率为15kHz的四阶巴特沃斯有源低通滤波器。实

12、际电路图见附图1。有效值检测电路：为计算信号总功率，采用芯片AD637进行真有效值检测。电路图见附图2。整型触发电路：输入信号经整型触发电路产生同步触发信号，与A/D配合实现信号的同步采样。为减小输出信号的边缘抖动，输入信号先经过一级放大电路，再经过一级施密特电压比较器和两级施密特触发器。电路图见附图3。ADC电路：采用12位的MAX197实现。MAX197采用单电源+5V供电，但可通过软件编程选择不同的量程输入，其可选量程有、。本设计中ADC有两路输入，一路是对输入信号进行采样，另一路将AD637的模拟量输出转化为数字量。前者选用量程，后者选用量程以提高分辨率。电路图见附图4。3.程序设计本

13、系统软件部分由FPGA和单片机组成。FPGA完成高速的处理（信号的采集和存储）以及FFT的计算。单片机则对FFT结果进行处理，完成功率谱、失真度的计算、周期性判断以及用户按键处理、LED显示等功能。程序流程如图3-2所示。图2-2程序流程图四、测试方案与测试结果1使用的仪器及型号数字示波器Tektronix TDS1002 RIGOL DG1011信号源DF1731SC254直流稳压电源2测试方法与数据(1)输入电压范围及总功率测量测试方法：输入频率为1kHz，峰峰值为20mV9V的正弦波，表4-1记录了系统测试结果。表4-1 输入电压范围测试数据表格输入峰峰值/V输入总功率/mW测量的总功率

14、/mW总功率误差/%0.020.0010.00100.20.10.10010.121010.0020.29202.5202.490.049结果分析：输入信号测量的总功率和实际输入功率误差在1%以内，满足设计的电压范围和功率测量误差的设计要求。(2)输入频率范围及总功率测量测试方法：输入峰峰值为2V，频率范围为0.1kHz10kHz的正弦信号，表4-2记录了系统测试结果。表4-2输入频率范围测试数据表格输入信号频率/kHz输入总功率/mW测量的总功率/mW总功率误差/%0.1109.960.61109.950.510109.980.2结果分析：输入信号测量的总功率和实际输入功率误差在1%以内，满

15、足设计的频率范围和功率测量误差的设计要求。(3)检测输入信号总功率与各频率分量功率之和测试方法：输入频率为100Hz10kHz，峰峰值为2V的正弦信号，分别在分辨率20Hz和100Hz时，测出输入信号总功率和各频率分量功率之和。表4-3记录了系统测试结果。表4-3检测输入信号总功率与各频率分量之和频率分辨率/Hz输入信号频率/kHz总功率/mW各频率分量功率之和/mW误差/%200.1109.8561.41109.7272.71000.1109.7622.41109.7003.0结果分析： 在频率分辨率分别为20Hz和100Hz时，输入信号各频率分量功率之和与实际输入信号频率误差在5%以内。满足频率分辨率以及各频率分量功率之和误差的设计要求。总结本系统很好地完成了题目基本要求部分及发挥部分的所有要求，系统的整体性能良好。此外，系统对题目的多项指标做了进一