2007年a題 音頻信號(hào)分析儀_全國大學(xué)生競賽山東賽區(qū)組委會(huì)

1、音頻信號(hào)分析分析儀山東大學(xué)王鵬陳長林秦亦安摘要：摘要：本系統(tǒng)基于AlteraCycloneII系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)Nios)處理器軟核，代替?zhèn)鹘y(tǒng)DSP芯片或高性能單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了基于FFTFFT的音頻信號(hào)分析。并在頻域?qū)π盘?hào)的總功率，各頻率分量功率，信號(hào)周期性以及失真度進(jìn)行了計(jì)算。并在FPGAFPGA中嵌入了8階IIRIIR切比雪夫（Chebyshev）II型數(shù)字低通濾波器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)有源模擬濾波器實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)異

2、的音頻濾波。配合12位AD轉(zhuǎn)換芯片AD1674，和前端自動(dòng)增益放大電路，使在50mV到5V的測量范圍下，單一頻率功率及總功率測量誤差均控制在1%以內(nèi)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：FPGAFPGA；IPIP核；核；FFTFFT；IIRIIR；可控增益放大Abstract:Abstract:ThissystemisbasedonIPIPcece(Nios)softceprocesssembeddedintheFPGAFPGAofAlteraCyclon

3、eIIfamily.InsteadofusingDSPmicrocontrollerweuseNiosNiosIIIItoperfmalowcostFFTFFTbasedanalysisoftheaudiosignal.wecaculatedthepowerofthewholesignalthepowerofeachfrequencepointthatcomponentedthesignal.Bythewayweanlysisedits

4、periodicitydisttion.Wealsoembeddedan8derChebyshevIIIIRIIRdigitallowpassfiltertoreplacethetraditionalanalogActiveFiltertoperfmanexcellentaudiofilter.With12bitADconverterchipAD1674thefrontendautomaticgainamplifierthissyste

5、m’ssinglefrequencypowertotalpowermeasurementerrisbelow1%in50mVto5Vmeasurementrange.Keywd:Keywd:FPGAFPGA；IPIPceceFFTFFTIIRIIRautomaticgainamplifier一、方案選擇與論證一、方案選擇與論證1、整體方案選擇、整體方案選擇音頻分析儀可分為模擬式與數(shù)字式兩大類。方案一：以模擬濾波器為基礎(chǔ)的模擬式頻譜分析儀

6、。有并行濾波法、掃描濾波法、小外差法等。因?yàn)槭艿侥M濾波器濾性能的限制，此種方法對(duì)我們來說實(shí)現(xiàn)起來非常困難。方案二：以FFT為基礎(chǔ)的的數(shù)字式頻譜分析儀。通過信號(hào)的頻譜圖可以很方便的得到輸入信號(hào)的各種信息，如功率譜、頻率分量以及周期性等。外圍電路少，實(shí)現(xiàn)方便，精度高。所以我們選用方案二作為本音頻分析儀的實(shí)現(xiàn)方式。2、FFTFFT計(jì)算方式選擇計(jì)算方式選擇方案一：使用VHDL硬件實(shí)現(xiàn)。FFT的VHDL程序編寫難度大，短時(shí)內(nèi)不易實(shí)現(xiàn)。方案二：在

7、FPGA中嵌入NiosII處理器，通過軟件實(shí)現(xiàn)。NiosII支持C語言編程方式，普通的C語言版的FFT稍加改正即可應(yīng)用到本方案中。四天之內(nèi)我們不可能實(shí)現(xiàn)一個(gè)用硬件實(shí)現(xiàn)的FFT算法，因此我們選用方案二。3、采樣電路與、采樣電路與ADAD芯片選擇芯片選擇本設(shè)計(jì)中要求分析的信號(hào)峰峰值范圍為100mVpp～5Vpp，用8位AD進(jìn)行采樣，不能滿足題目的精度要求，采用12位的AD芯片AD1674，其分辨率可達(dá)到1.2mV（相對(duì)于5Vpp信號(hào)），滿足

8、了題目要求的5%誤差范圍。同時(shí)其100K的采樣頻率也滿足本設(shè)計(jì)中的頻率要求。4、信號(hào)調(diào)理方案、信號(hào)調(diào)理方案AD1674信號(hào)輸入滿偏電壓在雙極性時(shí)為5V，即峰峰值10V。方案一：將輸入信號(hào)放大2倍，以達(dá)到AD1674的滿偏輸入，以提高AD的精度。但若輸入信號(hào)都比較小時(shí)，采樣精度就會(huì)下降。方案二：將前端信號(hào)放大調(diào)理電路分為幾個(gè)檔，針對(duì)不同幅度的信號(hào)選擇合適的通道進(jìn)行放大，放大倍數(shù)以當(dāng)前信號(hào)中的最大峰值為選擇基準(zhǔn)。這樣在輸入信號(hào)比較小時(shí)可以選

9、擇比較大的放大倍數(shù)，以提高AD采樣的精度。明顯方案2優(yōu)于方案1。5、采樣及濾波方案選擇、采樣及濾波方案選擇方案一：按照奈奎斯特定律采樣，以傳統(tǒng)模擬方式濾波。傳統(tǒng)模擬方式或有源濾波芯片難以實(shí)現(xiàn)很好的頻帶外衰減。從而使運(yùn)算結(jié)果誤差增大。圖22、峰值保持電路2、抗混疊濾波我們選擇簡單易用的管腳可編程濾波芯片MAX263來實(shí)現(xiàn)，該濾波芯片無需外加外圍電路，減少了外界環(huán)境對(duì)其性能的影響。電路圖見附圖123、AD轉(zhuǎn)換部分電路見附圖13。4、數(shù)字濾波

10、及Nios核實(shí)現(xiàn)方式見附圖21。5、本設(shè)計(jì)中增加了一分貝測量的附加功能。三、理論分析與參數(shù)設(shè)計(jì)三、理論分析與參數(shù)設(shè)計(jì)1、采樣頻率計(jì)算：、采樣頻率計(jì)算：根據(jù)奈奎斯特定律采樣率應(yīng)滿足，本題目中信號(hào)輸入頻率最大為10KHz，因此，為進(jìn)行二次采樣，我們的采樣率應(yīng)大于40KHz。進(jìn)行FFT的點(diǎn)數(shù)按計(jì)算。又因?yàn)镕FT運(yùn)算量為2的n次方點(diǎn)時(shí)比較容易實(shí)現(xiàn)。在滿足頻率分辨力并盡量減小運(yùn)算量的條件下我們可得出某一頻率分辨率與采樣率的關(guān)系。例如我們?cè)O(shè)計(jì)的頻率

11、分辨力為100Hz，則為分辨出10KHz的信號(hào)，則，求得N=200我們?nèi)=256。其他分辨力類推。本設(shè)計(jì)中我們?cè)O(shè)計(jì)了以下四個(gè)頻率分辨力檔：表31頻率分辨力與FFT點(diǎn)數(shù)及采樣速率對(duì)應(yīng)表分辨力FFT點(diǎn)數(shù)FFT測量頻率二次采樣速的原始采樣速度100Hz256點(diǎn)12.8K25.6K76.8K50Hz512點(diǎn)12.8K25.6K76.8K20Hz1024點(diǎn)10.24K20.24K60.72K10Hz2048點(diǎn)10.24K20.24K60.72K

12、FFT測量頻率：FFT變換所能表示的最高頻率。二次采樣速度：原始采樣數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字濾波后，經(jīng)二次采樣（降低采樣率）后的實(shí)際采樣速度。2、IIRIIR數(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)在進(jìn)行FFT運(yùn)算之前應(yīng)當(dāng)盡量避免頻譜的混疊，即對(duì)帶外信號(hào)要進(jìn)行盡可能大的衰減，挈比雪夫(Chebyshev)II型濾波器具有通帶內(nèi)平坦并且衰減速度快的特點(diǎn)。其相頻響應(yīng)及群延遲特性都比較好。其轉(zhuǎn)移函數(shù)具體系數(shù)計(jì)算可通過Matlab的FilterDesign&An