2023年音频信号分析仪9.6.2.doc

音频信号分析仪 ：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ALTERA 公司的Cycloney FPGA设计工具，制作完本钱音频信号分析仪。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出各频率分量的幅值, 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。本系统通过测试，有电压测试范围宽、频率分辨力高、精度高、误差小、运行稳定和人机界面友好等特点。 关键词：C8051F120；FPGA；音频信号分析仪；DFFT；窗函数；频谱；功率 13 一、系统方案 1.1 方案比拟与选择 方案一：基于模拟乘法器的扫频法 该方法采用外差原理，由本机振荡器产生一扫频信号与输入信号相乘，然后由滤波器将差频分量滤出以代表相应频点的幅度。本机振荡信号可以到达很宽的频率，与外部混频器配合，可扩展到很高频率。缺点：硬件电路复杂，电路性能要求很高，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。 方案二：基于单片机与FPGA结合进行DFFT变换 该方法利用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，然后将处理后的数据送入到单片机进行离散快速傅里叶变换(DFFT)。FPGA采集数据速度快，先对采集的数据进行数字滤波，可提高采集的数据准确性，再将处理后的数据送入到单片机，高速单片机把接收到的数据进行DFFT运算，分辨高。 方案三：基于FPGA实现DFFT变换 FPGA实现DFFT变换，首先对被测信号进行ADC采样，然后将采样的数据存储在RAM中，当数据足够后，进行DFFT运算。由Nyquist采样定理，要实现窄的分辨率要采样大量的数据，利用FPGA处理数据速度快，存储容量大的特点，使其分辨力到达很高。 综合比拟以上方案，鉴于FPGA处理速度快，存储容量大的优点，方案三是最正确方案，但考虑到现用的FPGA的门数有限，数据量大时，编程复杂。综合考虑，利用FPGA采集数据快，精确度高，单片机处理数据快的特点，本系统采取方案二。 1.2 方案描述 系统总体方框图如图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局部组成。 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LF356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PGA103和PGA205级联以及一个衰减网络，可使其输入电压(峰-峰值)范围从10mV 15V。同时，用单片机实现自动程控增益。 (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20KHZ，可使20KHz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DFFT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，可使输入信号频率范围从20Hz20KHz。 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) 上式说明：连续时间信号的功率是它离散后各点幅值的平方和除以它的 采样点数，可在时域中计算出信号的总功率。 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〕可在频域中计算出信号的总功率，表示为式〔1-3〕 式〔1-3〕 上式说明：由各频率分量的幅值可以计算出各频率分量的功率。 2.3 周期性判断方法 任意随机连续时间信号x(t)，进行抽样后为x(n)，判断同期性用式(1-4) 式〔1-4〕 时域信号x(t)对应的相关函数,假设有，信号的周期为T=m0×⊿T 2.4 失真度测量方法 所有周期函数可以表示为式(1-5) 式(1-5) 失真度(distortion)是谐波的矢量和与周期函数有效值之比，可以表示为式(1-6) 式(1-6) 上式说明:.先用DFFT计算信号频谱，可以直接得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(1-7) F=f采/N点 =2fc/N 式(1-7) 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，在这取1024个点进行DFFT变换.此时分辨率为19.5Hz. 三.电路与程序设计 3.1 电路设计〔注：完整电路图见附录〕 〔1〕 信号采集电路 系统要求输入信号峰-峰值100mV5V，输入阻抗为50Ω，对于这种小信号，首先需要经过前级放大才能防止误差和干扰，然后对信号的幅度进行调整，再对信号进行采集。信号采集局部硬件电路图如图3-1。 图3-1 前端信号采集系统 〔2〕 控制器设计 控制器采用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〕 四阶低通滤波器电路设计 因为要去除10KHZ以上的信号干扰，采用通带内线良好的贝塞尔滤波器，最适于音频信号的滤波处理。能满足题目的要求，电路如图3-1所示: 图3-2 四阶滤波器原理图 〔4〕 自动程控增益电路设计 系统采用PGA103和PGA205级联，电路设计在经过运放PGA103后衰减R12/(R12+R10)=1/4，因此整个系统的增益为：=G1×G2/4,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，真值表见附录表3-1，电路图如图3-3所示。 图3-3 自动程控增益原理图 3.2程序设计 本系统以C8051F120和FPGA为控制和数据处理核心，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。 (1) FPGA软件局部 DFFT分析中会出现频谱漏泄。在基于DFFT的测量中用窗函数非常关键。在本系统中，FPGA主要完成信号采集，数字滤波器设计，频谱显示。 (2) C8051F120单片机软件局部〔注：FFT算法程序见附录〕 在本系统中，单片机软件主要实现总线方式与FPGA通信，单片机接收经FPGA处理的数据进行DFFT运算，并计算出各种频率分量的的功率，最后将DFFT运算后的数据再送入到FPGA送入到示波器显示频谱，并可实现各种触发控制和人机界面。系统流程图如图3-4所示。 图3-4 系统软件流程图 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P=U2/R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；用失真度测试仪测出正弦波、方波、三角波的失真度，作为实测参考值。 〔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 DF4120A高精度失真度测试仪 4.2 测试结果完整性 (1) 功率测试(以方波测试为例) 电压 功率〔mW〕 频率〔KHz〕 功率相对误差〔%〕 P P1 P2 P3 F1 F2 F3 P P1 P2 P3 20mV 实测值 1.9u 1.57u 0 0.2u 1.001 2.002 3.003 5 0.5 0 3 理论值 2u 1.562u 0.001u 0.17u 1.000 2.000 3.000 1V 实测值 4.92 4.04 0.484u 435.8u 1.001 2.002 3.003 1.6 3.4 2 2.3 理论值 5 3.906 0.605u 425.4u 1.000 2.000 3.000 10V 实测值 498.7 410.1 55u 45.54 1.001 2.002 3.003 0.2 3.9 9.8 7 理论值 500 394.62 61u 42.54 1.000 2.000 3.000 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b 频率 实测值 理论计算值 误差(相对) 正弦波 三角波 方波 正弦波 三角波 方波 正弦波 三角波 方波 18Hz 0.7% 11.32% 39.4% 0% 12% 43% 0.7% 0.68% 3.6% 1KHz 0.408% 11.40% 39.68% 0% 12% 43% 0.408% 0.6% 3.32% 20KHz 2.87% 12.201% 35.92% 0% 12% 43% 2.87% 0.201% 8% 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 由于8位精度A/D和单片机进行FFT变换处理数据精度的限制，使实测数据与理论数据存在一定的误差。但在给定误差范围内，且精度相比照拟高。 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。在到达题目根本要求情况下，发挥局部全部完成，并可以把音频信号分析仪测量误差控制在很小的范围内。但是，系统有些功能还需进一步完善。 由于本系统使用了自动程控增益和窗函数，可使其输入电压范围从10mV 15V，同时，可使输入信号频率范围从20Hz20KHz。 参考文献 [1] 康华光 主编. 电子技术根底〔模拟局部〕第四版 北京：高