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基于FPGA的音频信号分析仪

音频是多媒体中的一种重要媒体。我们能够听见的音频信号的频率范围大约是20Hz-2OkHz,其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内,而音乐和其他自然声响是全范围分布的。音频信号分析仪是一种用来对被测信号进行频率、频谱及波形分析的重要测量工具。它主要利用频谱分析原理,频谱分析是把信号的能量用频率的函数显示出来,音频信号分析广泛应用于电声测量、音频制作、信号分析乃至振动测试等领域。

1.系统总体方案

系统的主要任务是对输入的音频信号进行测量和分解。输入的音频信号放大后经过A/D进行采样并存储,然后通过一定的运算处理,求得信号的总功率、周期性、各频率分量的功率和正弦信号的失真度等信息,在以一定的格式送显示器进行显示,必要时可以保持或回放显示信息或根据要求显示特定信息,系统的控制输入由4×4行列式键盘来实现。一般实现方案有以下几种。

纯软件法。通过计算机音频设备接口,模拟音频。信号先要从声卡的MIC端口输入,在声卡内完成A/D转换,变成数字音频信号以后,利用计算机软件对采样信号进行复杂的分析,实时显示出波形、彩色声谱图等等。该方法无需额外的硬件电路但需要复杂的编程以及计算机操作。

外差法。音频信号经高速A/D采样送入处理器,通过硬件乘法器与本地由DDS产生的本振扫频信号混频,变频后信号不断移入低通数字滤波器的信号幅度,根据当前的频率和提取到的幅度值转换成功率,即可绘制当前信号频谱图。该方案利用数字器件实现传统方式上的外差式扫频仪,提高了速度,但对硬件要求较高。

频谱分析法。先利用模数转换器(A/D)对信号进行采样,然后对采集到的数值序列进行快速傅立叶变换(FFT),将信号分解成幅值加权的各频率分量之和,再对得到的频谱序列进行一定的运算处理,便可求得信号的总功率、各频率分量的功率和正弦信号的失真度。如图1所示。

图1系统总体框图

2.各模块的方案选择

2.1主控制器

主控模块能够使系统各部分模块协调有序的工作,是系统能够稳定高效运行的关键,是整个系统的核心之一。主控模块的实现有以下两种方案。

方案一:使用单片机作为系统的主控模块。单片机使用广泛,操作简单,但其运算能力有限,只能用于控制,运算功能必须由另外的芯片来实现。

方案二:使用FPGA作为系统的主控模块。用FPGA响应键盘的控制信号,完成系统的控制功能,并完成对显示器的输出控制。同时,利用FPGA强大的并行运算能力,使FPGA除了能够作为系统的主控模块外,还可以进行一些辅助运算。

2.2运算器

运算部分是完成系统任务的主要部分,是进行信号处理的核心。运算部分的运行效率决定了系统进行信号分析的速度和精度。若使用专用的FFT芯片,虽然运行速度高,运算精确,但其用法固定,使用不够灵活,成本也高。这里使用一个单独的DSP来做FFT运算,以满足FFT需大量复数乘法和加法运算的要求。

2.3放大器

为了满足对输入信号幅值范围及对系统输入阻抗的要求,需要在信号处理前先对信号进行前置放大。放大器的实现方案可有两种:方案一:使用可控增益放大器或自动增益控制放大器。其可以调整信号的增益,扩大输入信号的幅值范围,但实现复杂,成本较高。

方案二:使用固定增益放大器。虽然固定增益放大器增益固定,输入信号幅值范围小,但其实现简单方便,便于操作与计算。

2.4显示器

使用LCD液晶显示器,可使实现显示样式丰富,显示界面友好,显示的信息量也较多。

3.各模块的设计与实现

3.1放大器设计

音频信号放大器要求的音量和功率在输出原件上重新产生真实、高效和低失真的输入音频信号。音频信号频率范围约为20Hz-20kHz,因此放大器必须在此频率范围内具有良好的频率响应。高速A/D只能采集正电压音频信号,因此通过放大器后,输出的音频信号的电压范围要保持在0V-5V,这样需要在输入音频信号电压的基础上再加上+ 2.5V作为输出电压送给高速A/D。电路如图2所示。

图2音频放大器

R2(

U

1

R3

+

U

2

R4

)=U

1

+2.5

其中,R3=10KΩ,R4=20KΩ,U

1

为输入电压值,U

2

是需要外加的电压

U

2

=20(10-R2U

1

+2.5),当R2=10KΩ时,U

2

=5V,与输入电压U

1无关。

同时要满足R3//R4=R1//R2,因此R1=20KΩ

3.2功率谱测量方法

3.2.1总功率的测量与计算

总功率的测量可使用真有效值变换(RMS/DC)电路,将音频信号先变为其真有效值,再进行A/D转换,可直接计算得其平均功率。但需RMS/DC专用芯片,硬件实现较为复杂。可采用频谱测量法,取信号直流分量、基波和前几次谐波的电压有效值近似计算出信号的有效值,其通过1Ω电阻的功率即信号的总平均功率,其计算公式为:U2=

A

2+1∞

n-1

ΣA n2P=U2

i

基于FPGA的音频信号分析仪

戚甫峰

(中国人民解放军海军航空工程学院青岛分院山东青岛266041)【摘要】本系统基于FPGA为控制核心,DSP为运算核心,以放大器和模数转换器(A/D)作为信号的输入级,实现输入音频信号频率的分

析,可以测量正弦信号的失真度,并将信号总功率、频率分量的频率值和功率值等信息实时在液晶显示屏上显示。

【关键词】FPGA;A/D;

FFT

465

●科

虽然此方法运算量较大,但只需对频谱进行分析即可实现,不会增加系统设计的复杂性。

3.2.2FFT及各频率分量功率的分析计算

为了满足频带宽度和频率分辨率的要求,设共采样N点,频域采样间隔为F(频率分辨力),时域采样间隔为T,采样频率为f s,采样持

续时间为T p,信号的最高频率为f c。则F=f

s

N

=1

NT

,由于NT=T p,所以

F=1

p

。为了不产生频率混叠失真要求f c2f c=2×10kHz= 20kHz。为了减少截断误差,可适当加长T p和增加采样点数N。如果维持f s不变,则N>2f c=2×10kHz=1000,为方便进行FFT运算,选N=

1024,而T P≥1

F =1

20Hz

=0.05s。所以采样点数N为1024,而采样时间

超过0.05s时,可以满足频率分辨率20Hz的扩展要求。

每个频率分量的功率可由其对应的DFT结果的实部Re和虚部In运算得到,其计算公式为:P=R e2+I n2

2R

3.2.3周期性判断方法

输入的信号经A/D采样后统计其最大值在某一固定时间内出现的次数,最大值的判断方法为:设定某一值A,当下一采样点的幅值超过当前值A后,则下一值有效,当前值被替换,否则当前值继续有效。适当调整A值,便可允许波形峰值在一定范围之内波动。

3.2.4失真度测量方法

一般低频的标准波形(如正弦波)需测量其失真度,失真度的定义为所有谐波能量之和与基波能量之比的平方根,即

γ=

u

2

2

+u

3

2

+…+u

n

2

u

1

=

n=2

Σu n2

u

1

利用频谱分析法测量失真度,是利用基波和各次谐波的含量,通

过计算傅立叶系数,C1、C2…C n,最后得到失真度大小的一种方法,该方

法可以较好地解决低频信号失真度的测量问题。其计算公式为:

γ=

u

2

2

+u

3

2

+…+u

n

2

u

1

=

A

2

2

姨姨2+A3

2

姨姨2+…+A n

2

姨姨2

A

1

2

=

C

2

2

+C

3

2

+…C

n

2

C

1

=

n=2

ΣC n2

C

1

3.3系统软件设计

系统软件由主控程序、A/D控制与数据存储模块、主运算模块、辅

助运算模块、液晶控制模块和键盘控制模块组成,其中主运算模块由

C语言编写,其余模块由VHDL语言编写,各模块间通过接口进行连

接,由主控程序协调各模块的工作。

【参考文献】

[1]刘能.一种新的周期信号的高速数据采集研究[J].仪器仪表学报,2007,4:

765-768.

[2]崔旭涛.基于DSP+FPGA信号处理实验系统研制[J].仪器仪表学报,2007,5:

918-921.

[3]潘松,黄继业.现代DSP技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003,8.

[4]Uwe Meyer-Baese.数字信号处理的FPGA实现[M].北京:清华大学出版社,

2006,6.

[责任编辑:韩铭]

(上接第439页)上分配流量。

3.结束语

OPNET是一种优秀的通信协议建模和仿真工具,通过OPNET对OSPF协议进行网络仿真,获得定量的网络性能预测数据,为网络优化提供可靠的依据,在网络规划设计或网络改造中,为网络的可扩展性和稳定性提供试验保证。

【参考文献】

[1]李馨,叶明.OPNET Modeler网络建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.

lI Xin,YAN https://www.wendangku.net/doc/d913136713.html,work Modeling and simulation with OPNET Modeler[M].Xian Xidian University Press2006.[2]陈敏.OPNET网络仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.

CHEN Min Network simulation with OPNET Modeler[M].Beijing Tsinghua University Press,2004.

[3](美)William R.Parkhurst著.Cisco路由器OSPF设计与实现[M].潇湘工作室译.北京:机械工业出版社.1999-3-1.

William R.Parkhurst.Cisio router OSPF design&implementation guide[M]. Xiaoxiang workshop translated.Beijing Machinery Industry Press1999-3-1.

[4](美)托马斯著.OSPF网络设计解决方案[M].第2版.卢泽新,等译.北京:人民邮电出版社.2004.

Thomas M.Thomas.OSPF network design solutions[M].2nd edition.LU Zhe-xin, et al translated.Beijing:Posts&Telecom Press.2004.

[责任编辑:汤静]

●科

(上接第461页)设备建设期、验收期就应及时跟进。建设期间公司的技术人员应对机电系统的施工线路、走向、防雷接地等基础工程有一个清晰的了解,而且熟知工程图纸的各部分,这对今后的系统维护起到相当重要的作用;在验收期间,公司技术人员必须严格按照工程合同、图纸、设备、标签等进行严格验收,确保技术人员完全掌握了系统结构、设备特点及功能;在系统缺陷责任期和设备保修期内应虚心向施工方技术人员学习、请教,做好工作日记,等下次相同问题出现时胆大心细、独立动手解决相关问题。

重视维护技术人员的技术培训工作技术队伍的锻炼与能力培养不仅要在机电设备建设期、验收期进行,还要在设备运行期间通过组织集中业务培训、技能考核、设备生产企业现场实际操作、聘请有关专家举办各种技术讲座和新技术交流及运行维护经验交流等活动,不断提高技术人员素质;常态化与兄弟单位互相学习、互相交流,多与设备厂家沟通。加大本单位机电设备维护力度,加强日常巡检工作,积极采取防尘、防潮、防鼠等措施,保障机电系统稳定运行。做好月份、季度、年度维护计划,单位机电设备负责人应定期进行考查,奖励先进,鞭策后进,充分调动员工的积极性。

4.结语

关于高速公路机电系统设备的维护、维修工作,运营企业应从以下几方面入手:公司管理体制建设,从制度上规范企业与员工的行为,创造一个良好的企业成长环境,提高企业管理水平和竞争力;切实加强企业内部工程技术人员的能力培养,营造一个积极向上、勇于克服困难的良好氛围,采取一定的激励措施挖掘企业内部员工的潜力;采用实践验证的三级维护机电系统维护模式。通过上述措施的实施,必能确保系统正常运行、提高营运管理水平、降低营运劳动成本。

【参考文献】

[1]刘明.关于呼包高速公路机电维护维修工作的实践与探讨[J].内蒙古科技与经济.2007(11):344-345.

[2]杨培红,叶生春.浅谈高速公路的机电系统设备管理[J].青海交通科技2004(06):12-13.

[3]姚飞.高速公路企业的管理体制与运行机制[J].高速公路运营技术与管理2005(06):58-59.

[4]李凤丹.探讨高速公路机电系统维护模式[J].北方交通2007(10):73-74.

[责任编辑:张慧]

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