音频信号分析仪9.5.3

1、音频信号分析仪摘要：本系统利用C8051F120单片机作为主控制器，配合FPGA设计工具，制作完成本音频信号分析仪。系统主要由7个模块组成：信号输入模块，程控增益电路模块，数字滤波（窗函数）模块，信号采集模块，DFFT运算模块，频谱图显示模块和人机接口模块。前端利用高性能的A/D对被测信号进行采集，利用FPGA高速、并行的处理特点，将采集的数据送入到单片机进行数据处理。C8051F120单片机是整个设计的核心控制器件，根据从FPGA接收到的数据，进行离散快速傅里叶变换(DFFT)。由变换后的频谱可以计算各频率分量的幅值, 最终求出总功率和各频率分量的功率。此外，经过单片机处理后的数据送到FPG

2、A，最终送示波器显示各频率分量的频谱。人机接口使用128×64液晶和4×4键盘。本系统运行稳定，功能齐全，人机界面友好。关键词：C8051F120 FPGA 音频信号分析仪 DFFT 窗函数 频谱 本系统利用时钟频率为100M bps的高速C8051F120单片机作为核心处理器，配合FPGA设计工具，制作完成本音频信号分析仪。系统主要由7个模块组成：信号输入模块，程控增益电路模块，数字滤波（窗函数）模块，信号采集模块，DFFT运算模块，频谱图显示模块和人机接口模块。前端利用FPGA通过高速高精度的A/D对被测信号进行采集，采集后的信号首先由FPGA进行数字滤波，然后将处理后

3、的数据送入到单片机进行离散快速傅里叶变换(DFFT)。由变换后的频谱可以计算各频率分量的幅值, 最终求出总功率和各频率分量的功率。同时，经单片机处理后的数据又被送到FPGA，通过高速D/A送示波器显示各频率分量的频谱。人机接口使用128×64图形点阵液晶和4×4键盘。本系统通过测试，有精度高、误差小、运行稳定、功能齐全和人机界面友好等特点。一. 系统方案1.1 方案比较与选择方案一：基于模拟乘法器的扫频法 这种方法采用外差原理，由本机振荡器产生一定步进频率的信号与输入信号相乘，然后由适当的滤波器将差频分量滤出以代表相应频点的幅度。本机振荡信号可以达到很宽的频率，与外部混频器

4、配合，可扩展到很高频率。这种方法的缺点是，对硬件电路要求较高，各模块性能都需要精心设计，且连接在一起整体调试时有一定难度。而且它只适合测量单一频率幅度，要想对音频信号分析是很难实现的。方案二：基于FPGA实现FFT变换 FPGA实现FFT变换，首先对10KHz以下的信号进行ADC采样，然后将采样的数据存储在RAM中，当数据足够后，进行FFT运算，但由于受到Nyquist采样定理的约束，要实现窄的分辨率就需要大量的的采样数据，这就使得系统不仅需要提高存储空间，而且大大的增加了运算量， 同时有很多冗余输出数据，导致算法的效率非常低下。方案三：基于单片机的FFT运算 采用单片机作为系统控制核心。这种

5、方案要要求单片机除了完成高速的数据处理分析以外，还需要完成对TTL数据的高速采集，并对结果进行显示控制。8051F120虽然具有100Mbps的数据处理能力可以完成一定数量的FFT变换，但它的采集数据速率很低，分辨率会很低。方案四：单片机结合FPGA进行FFT变换 由于单片机A/D采集数据速度不高，分辨力不能满足要求，而且误较大，此方案就充分考虑了精度的要求，用FPGA采集数据，把采集到的数据进行FFT运算,利用了C8051F120高速单片机内部处理数据速度很快的资源。 综合比较以上方案，结合FPGA采集数据快，精确高，单片机处理数据快的特点，选择方案四。 1.2 方案描述 系统总体方框图如图

6、1-1所示，系统主要由滤波电路、程控放大电路、FPGA处理器、单片机系统和键盘显示等部分组成。图1-1 系统结构框图 本系统首先对时域连续信号进行等间隔抽样得到，然后对离散傅里叶变换(DFT)为 ，再由的频谱可以计算出各频率分量的频率和幅值，最终求出各频率分量的功率以及总功率。同时，系统还以5S为周期刷新数据，并可把数据存储在存储器中回放显示。二. 理论分析与计算2.1放大器设计(1) 系统输入阻抗系统要求输入阻抗50，本系统选用了高输入阻抗的OP07精密放大器，在其输入端并入一50电阻，通过计算可得出输入阻抗RIN=。(2) 信号输入电压范围 为了扩大信号动态范围，提高灵敏度，电路设计采用P

7、GA103和PGA205级联，可使其输入电压范围从10mV 10V。同时，单片机ADC输出实现自动程控增益可调。(3) 输入信号频率范围为了扩大信号频率输入范围，降低高频成份的干拢，电路设计采用四阶低通滤波器，使其截止频率为10KHZ，可使10KHz以内有很好的线性，在超出范围得到迅速衰减.。同时，为了抑制定点FFT时出现频谱泄露，在FPGA内部加窗函数，使其这一现象得到较好的改善，可便输入信号频率范围从20Hz10KHz。2.2 功率测量方法 对于任意区间内的信号平均功率，表示为式(1-1) 式(1-1)上式表明：连续时间信号内功率是它离散后各点幅值的平方和除以它的 采样点数，可得出信号在时

8、域的总功率. 信号的能量密度谱可以用帕斯瓦尔关系式（1-2） 式（1-2） 由式（1-1）和式（1-2）可以计算得出信号在频域中的功率，表示为式（1-3） 式（1-3） 上式表明：由各频率分量的幅值可以用上式计算出各频率分量的功率。 2.3 周期性判断方法（1） 周期信号的周期判断方法 一个周期连续时间信号具有这样的性质，即存在一个正值的T，使: 式(1-2) 也就是当一个周期信号时移T后其值不变.这时就说明是一个周期为周期为T的周期信号.（2） 随机信号周期判断方法 一个随机连续时间信号，进行DFT后为，可以用式(1-3) = 式(1-3) 也就是在频域当中去找两个最大的幅值，由上式可以判断

9、它为周期信号，由于DFT存在很小的误差，因此设定时，就判断为周期信号.间隔N换算到实域就为它的周期. 2.4 失真度测量方法 所有周期函数可以表示为式(1-4) 式(1-4) 失真度(distortion)是谐波的矢量和与周期函数有效值之比，可以表示(1-5) 式(1-5) 上式表明:.先用FFT计算信号频谱，可以直接得出各次频率分量的幅值，再用上式计算出正弦波的失真度.2.5 分辨率计算方法 分辨率(F)可表示为式(1-6) F= 式(1-6) 要得到20Hz的分辨率，为防止混叠，采样频率设定为20KHz，由上式可以计算出采样点数为1000点，但是FFT计算的点数为 ，因此取1024个点进行

10、FFT变换.此时分辨率为19.5Hz.三.电路与程序设计3.1 电路设计（1） 信号采集电路 系统要求输入信号峰-峰值100mV5V，输入阻抗为50，对于这种小信号，首先需要经过前级放大才能避免误差和干扰，然后对信号的幅度进行调整，再对信号进行采集。信号采集部分硬件电路图如图3-1。 图3-1 前端信号采集系统（2） 控制核心设计 控制核心采用C8051F120单片机，实现数据处理、与FPGA通讯以及人机交互。 C8051F120丰富的中断源、可编程的I/O口及友好的调试环境为我们的设计提供了方便。在存储器资源方面，C8051F120内嵌128K的闪存（Flash），可供存储扫描所得的频率点幅

11、值，而不用外置存储器，节省了存储时间，方便对数据进行处理；在处理速度方面，采用了流水线（pipe line）构架，它的CPU时钟可达100MHz，较高的处理速度使其能够非常容易地、快速地进行DFFT运算。（3） 窗函数设计 FFT分析中会出现频谱漏泄。在基于FFT的测量中正确选择窗函数非常关键。频谱泄漏是由FFT算法中的假设造成的，FFT算法中假设离散时间序列可以精确地在整个时域进行周期延拓，所有包含该离散时间序列的信号为周期函数，周期与时间序列的长度相关。然而如果时间序列的长度不是信号周期的整数倍，就会发生频谱泄漏。绝大多数情况下，所处理的是一个未知的平稳信号，不能保证采样点数为周期的整数倍

12、。频谱泄漏使给定频率分量的能量泄漏到相邻的频率点，从而在测量结果中引入误差。使用 窗函数可以减小频谱泄漏效应。同时，本设计还在信号采集前端加入四阶模拟低通滤波器，进一步降低干扰。 因为要去除10KHZ以上的信号干扰，就需要有一个在10KHZ以上衰减很快的滤波器，因此根据需要，设计了一个四阶滤波器，能满足题目的要求，电路如图3-1所示: 图3-1 四阶滤波器原理图（4） 自动程控增益电路设计 自动程控增益功能可以使仪器在很短的时间内自动选定最合理的量程，不仅能使仪器获得高精度的测量，而且简化了操作过程。:系统采用PGA103和PGA205级联，电路设计在经过运放PGA103后衰减=，因此整个系统

13、的增益为：=,由单片机控制A0，A1，A2，A3，可实现其增益从0.25200范围内自动程控可调，真值表见表3-1，电路图如图3-2所示。图3-2 自动程控增益原理图表3-1 3.2程序设计 本系统以C8051F和FPGA为控制和数据处理为核心，由A/D采样，滤波电路，程控增益电路和真有效值转换电路组成，系统软件流程图如图3-3所示: 四.测试方案与测试结果4.1 测试方案及测试条件（1） 测试方案 功率测试方案；给信号接入一个50 的负载，此50电阻是两个100精密电阻并联得到，即100/100=50.000，由可知 用一个五位半的电压表，测得电压，即可以得到功率的理论值。 失真度测试方案；

14、用失真度测试仪测出正弦波.，方波，三角波的失真度，即为实际测试参考值。（2） 测试用所用仪器 TDS1002数字示波器 ESCORT 3146A 位数字万用表 GFG-8216A低频函数发生器 DF1731SB2A直流稳压电源 4.2 测试结果完整性(1) 功率测试(以方波测试为例)频率实测值理论计算值20Hz100Hz300Hz1KHz3KHz10KHz由于理论值测试是在电压表和1/1000误差的50精密电阻的条件下测得，因此可保证理论值结果的完整性，实测值结果的完整性也有了校验. (2) 失真度测试频率实测值理论计算值正弦波三角波方波正弦波三角波方波20Hz100Hz1KHz4KHz10KHz 被测信号失真度是用失真度仪器测得，实测信号失真度只要与它校对就可以保证它的完整性.4.3 测试结果分析五 结束语通过以上的设计，系统能准确而有效的测量与分析音频信号的功率谱和失真度，其中系统指标高于题目要求。在达到题目基本要求情况下，发挥