基于FFT的音頻信號頻率和失真度分析儀.doc

音頻信號頻率和失真度分析儀音頻信號頻率和失真度分析儀摘要音頻信號頻率和失真度分析儀利用頻譜分析原理來分析被測信號的頻率、頻譜及波形。常用的頻譜分析方法有：掃頻法、數(shù)字濾波法、FFT法。這里采用一種基于FFT方法的音頻信號頻率和失真度分析儀設(shè)計方案，通過快速傅里葉變換(FFT)把被測的音頻信號由時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，將其分解成分立的頻率分量，在此基礎(chǔ)上對其進行各種分析。本設(shè)計基于AlteraCycloneII系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)處理器軟核，代替?zhèn)鹘y(tǒng)DSP芯片或高性能單片機，實現(xiàn)了基于FFT的音頻信號分析。系統(tǒng)由控制與運算核心、程控放大器、濾波和采樣等模塊組成。并在頻域?qū)π盘柕目偣β?，各頻率分量功率，信號周期性以及失真度進行了計算。并在FPGA中嵌入了數(shù)字低通濾波器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)有源模擬濾波器實現(xiàn)了性能優(yōu)異的音頻濾波。關(guān)鍵詞：頻譜分析；時域分析；頻域分析；數(shù)字濾波；信號失真音頻信號頻率和失真度分析儀AudioSignalFrequencyAndDistortionAnalyzerAbstractAudiosignalfrequencyanddistortionanalyzertoanalyzethetheoryusingthemeasuredspectrumofthesignalfrequency,spectrumandwaveform.Spectralanalysismethodscommonlyused:sweepalgorithm,digitalfiltering,FFTmethod.HereuseamethodbasedonFFTaudiosignalfrequencyanddistortionanalyzerprogram,throughthefastFouriertransform(FFT)totheaudiosignalfromthemeasuredtimedomainsignalintofrequencydomainsignal,establisheditsdecompositioncomponentsfrequencycomponent,inthisbasedontheirvariousanalysis.ThedesignisbasedonAlteraCycloneIIfamilyofembeddedhigh-performanceFPGAembeddedIPcore(Nios)softcoreprocessorinsteadofthetraditionalhigh-performanceDSPchipormicrocontrollertorealizeFFT-basedaudiosignalanalysis.Systemcontrolandoperationbythecore,programmableamplifiers,filtering,andsamplingandothermodules.Andthetotalfrequencydomainsignalpower,thepowerateachfrequency,thesignalperiodicityandthedistortioniscalculated.FPGAembeddedinadigitallowpassfilter,insteadofthetraditionalactiveanalogfilterstoachieveahighperformanceaudiofilter.Keywords:spectrumanalysis；timedomain；frequencydomain；digitalfilter；Signaldistortion音頻信號頻率和失真度分析儀目錄1緒論.11.1音頻信號分析儀的國內(nèi)外發(fā)展背景.11.2音頻信號分析儀的現(xiàn)狀.21.3論文研究的內(nèi)容和意義.31.4章節(jié)結(jié)構(gòu)安排.42音頻信號分析理論基礎(chǔ).521數(shù)字信號處理基礎(chǔ).52.1.1傅立葉變換.62.1.2信號的采樣.822音頻信號分析.92.2.1時域分析.102.2.2頻域分析.112.2.3失真分析.123方案的選擇與論證.153.1整體方案選擇.153.2采樣和濾波.153.3信號周期性判斷及周期測量.153.4正弦信號的失真度測量.163.5信號功率的計算.163.6總體結(jié)構(gòu)確定.164音頻信號分析儀硬件構(gòu)成.174.1前級放大電路.174.2抗混疊濾波.184.3A/D轉(zhuǎn)換部分.184.4FPGA模塊的實現(xiàn).204.4.1FPGA電路.204.4.2FPGA配置芯片-EPC2LC20.20音頻信號頻率和失真度分析儀4.4.3選通器74HC245.214.4.4存儲芯片HM628512.224.4.56.144M晶振.234.4.6IIR濾波器.245音頻信號分析儀軟件設(shè)計.245.1數(shù)字濾波器的設(shè)計.255.1.1寄存器模塊.255.1.2乘累加器模塊.265.2FFT運算.285.3鍵盤控制和液晶顯示.306仿真測試結(jié)果.336.1仿真方法.336.2測試儀器.336.3輸入阻抗測量.346.4信號總功率及各頻率分量功率測量.346.5失真度測試.346.6動態(tài)范圍測試.356.7周期性測試.35參考文獻.36致謝.37附錄.39附錄一總電路圖.38附錄二程序清單.39音頻信號頻率和失真度分析儀第1頁共62頁1緒論目前，大多數(shù)音頻信號分析儀不但體積大而且價格貴，在一些特殊方面難以普及使用，而嵌入式系統(tǒng)具有小巧可靠的特點，所以開發(fā)基于特殊功能的音頻是語音識別的基礎(chǔ)，具有很好的現(xiàn)實意義。信號分析原理是將信號從時間域轉(zhuǎn)換成頻率域，使原始信號中不明顯特性變得明顯，便于分析處理。對于音頻信號來說，其主要特征參數(shù)為幅度譜、功率譜、失真度。該音頻認號分析儀的工作過程為：對音頻信號限幅放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、快速傅里葉變換(FFT，時域到頻域的轉(zhuǎn)換)、特征值提??；從到音頻信號的幅度譜，進而得到音頻信號的功率譜。1.1音頻信號分析儀的國內(nèi)外發(fā)展背景目前，音頻信號分析儀在國內(nèi)外都有成型的產(chǎn)品，例如：美國ADP的PIP雙通道音頻信號分析儀、日本松下的VP7726A雙聲道音頻信號分析儀、臺灣泰仕的TES-1358音頻信號分析儀等，這些分析儀能夠完成音頻信號的很多指標(biāo)測試，但是，其產(chǎn)品的價格往往是很昂貴的，通常在幾萬元左右【1】。另外，成型的音頻信號分析儀盡管能夠測試很多的音頻指標(biāo)，但這些指標(biāo)未必是每個用戶都感興趣的，因此，往往出現(xiàn)成型分析儀中的某些指標(biāo)沒有被利用，而用戶感興趣的指標(biāo)在成型分析儀中又無法測試的問題。鑒于以上兩個原因，音頻信號分析系統(tǒng)的個性化虛擬儀器如火如荼的發(fā)展起來。音頻信號分析的發(fā)展是隨著一般信號分析儀器的發(fā)展而不斷改進的。信號分析儀的發(fā)展至今已經(jīng)經(jīng)歷了三個階段，50年代發(fā)展的以波的干涉、諧振和濾波原理制成的模擬式分析儀，它們功能少，分析速度慢，目前已經(jīng)很少使用。但是這類儀器分析時能量集中，分析精度高且分析方法有特色。因此，許多數(shù)字化儀器保留了模擬式分析儀的部分功能【3】。60年代，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，信號處理由模擬式向數(shù)字式轉(zhuǎn)換，發(fā)展的是以FFT計算原理制成的數(shù)字式信號分析儀。這類儀器功能多，分析速度快，是使用中的主流，典型的產(chǎn)品有丹麥的BK2034、日本的CF920和美國的SD375等。新的產(chǎn)品仍層出不窮，分析功能也越來越多，而操作則更簡潔方便【2】。音頻信號頻率和失真度分析儀第2頁共62頁第二代儀器的缺點是功能恒定，不能滿足用戶的特殊要求，同時分析功能無法更新?lián)Q代。近年來，出現(xiàn)了一批基于PC機的虛擬的信號分析儀，這些分析儀器的硬件借助在科研及大專院校都很普及的微型計算機，軟件依賴于用戶的自行編程【1】。這樣，即提高了微機的利用率，又可以使得信號分析儀的功能能夠和用戶要求相匹配。在這個基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了一批高速專用數(shù)字信號處理芯片（DSP），如TM320C30每秒可完成3300萬次浮點運算。DSP芯片的出現(xiàn)，為通用計算機為主體的智能信號分析儀的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。智能儀器分析功能由軟件設(shè)定，可以不斷的升級換代，用戶也能自行修改，同時還能與人工智能技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)能計算機應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合，使用起來非常方便。1.2音頻信號分析儀的現(xiàn)狀音頻是多媒體應(yīng)用的一種重要媒體。我們能夠聽見的音頻信號的頻率范圍大約是20Hz-20kHz,其中語音大約分布在300Hz-4kHz之內(nèi)，而音樂和其他自然聲響是全范圍分布的，聲音經(jīng)過模擬設(shè)備記錄或再生成為模擬音頻信號，再經(jīng)數(shù)字化成為數(shù)字音頻信號，本文所提到的音頻分析就是以數(shù)字音頻信號為分析對象，以數(shù)字信號處理的各種理論為分析手段，提取音頻在時域、頻域內(nèi)一系列特征的過程【1】。各種特定頻率范圍的音頻分析有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域。例如對于300Hz-4kHz之間的語音信號的分析主要應(yīng)用于語音識別，其用途是確定語音內(nèi)容或判斷說話者的身價。而對于20Hz-20kHz之間的全范圍的語音信號分析則可以用來衡量各類音頻設(shè)備的性能，所謂音頻設(shè)備就是從將實際的刻錄機的狀態(tài)遙控的聲音拾取到將聲音播放出來的全部過程中需要用到的各類電子設(shè)備，例如話筒、揚聲器、和刻錄機等【2】。衡量音頻設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)有頻率響應(yīng)特性、諧波失真、信噪比、動態(tài)范圍、互調(diào)失真等等。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了可用于測量音頻設(shè)備的各類音頻分析儀器,例如失真度分析儀、頻譜分析儀、頻率計數(shù)器、交流電壓表、直流電壓表、音頻示波器等。這些基于各種功能電路的機架式傳統(tǒng)分立硬件儀器使用簡便,測量精度較高,目前己經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。但是經(jīng)過分析和在工廠中實際調(diào)研不難發(fā)現(xiàn),在新的形勢下,這些用于音頻分析的硬件儀器有許多自身難以克服的固有缺陷,主要表現(xiàn)如下：（1）功能較為單一，每種儀器都只有少數(shù)幾種功能,要進行一次完整的測試必須人工整合數(shù)種不同的儀器,這顯然給使用者帶來了一定的困難。（2）圖形顯示功能較差。在對音頻設(shè)備進行音頻測試分析時,需要用到大量的曲線圖表,傳統(tǒng)的硬件儀器雖然能夠提供一定的時域波形顯示及頻譜顯示功能,但讀數(shù)困難圖音頻信號頻率和失真度分析儀第3頁共62頁形的可操作性差,難以滿足用戶的要求。（3）存儲打印功能不強。音頻測試中會產(chǎn)生大量測試數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，對于這些有價值的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的硬件儀器難以提供方便的存儲功能。（4）可擴展性差。儀器功能不能靈活增減，用戶購置的硬件儀器一旦過時就難以升級，只能購置新的儀器。（5）價格昂貴。進行一次完整的音頻測試及分析至少需要用到高精度音頻信號源、交直流電壓表、頻率計、示波器、失真度測量儀和頻譜分析儀等多種硬件儀器，購買整套的測試系統(tǒng)花費極大。據(jù)此有必要尋求一種新的儀器設(shè)計技術(shù)，這種技術(shù)能夠針對傳統(tǒng)儀器的缺點加以改進?；贔PGA嵌入Nios核的思想，就是在儀器設(shè)計領(lǐng)域引入全新的設(shè)計理念，采用全新的設(shè)計方法使得傳統(tǒng)的硬件儀器的固有局限得到完全的克服。1.3論文研究的內(nèi)容和意義論文以數(shù)字信號處理為理論基礎(chǔ)，將詳細地闡述音頻信號在時域和頻域中的分析和評價方法，同時又將其理論應(yīng)用到實際中，研發(fā)音頻信號和頻率失真度分析儀，主要研究內(nèi)容如下:設(shè)計、制作一個可分析音頻信號頻率成分，并可測量正弦信號失真度的儀器。要求設(shè)定輸入阻抗、）輸入信號電壓范圍（峰-峰值）、輸入信號包含的頻率成分范圍、頻率分辨力、分析時間。能檢測輸入信號的總功率和各頻率分量的頻率和功率，檢測出的各頻率分量的功率之和大，各頻率分量功率測量的相對誤差小，總功率測量的相對誤差的絕對值小于。信號各頻率分量應(yīng)按功率大小依次存儲并可回放顯示，同時實時顯示信號總功率和至少前兩個頻率分量的頻率值和功率值，并設(shè)暫停鍵保持顯示的數(shù)據(jù)。測量被測正弦信號的失真度。本課題擬有機綜合運用了數(shù)字信號處理、虛擬儀器技術(shù)、測控技術(shù)及計算機等多方面的技術(shù)知識，實現(xiàn)了對DVD刻錄機的在線精密測試，從而大大地滿足了提高測試效率、適應(yīng)了大批量生產(chǎn)及測試的需要，且保證穩(wěn)定可靠的工作，為公司爭取到了更多的市場份額，同時為今后獲得更多的客戶訂單提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)【2】。如獲成功，具體而言有以下幾個方面的意義：(1)有效地提高生產(chǎn)效率，將公司原有的測試方法更新，新的測試系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)線在線測試的目的，單件測試周期由原來的4小時降低為30分鐘，提高效率8倍；(2)在提高生產(chǎn)效率的同時，保證了測試精度；音頻信號頻率和失真度分析儀第4頁共62頁(3)降低DVD刻錄機裝配測試成本.本章系統(tǒng)的介紹了音頻信號分析儀的發(fā)展背景和現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)音頻信號分析儀的缺點，通過采用FPGA嵌入Nios核來克服這些缺點來實現(xiàn)音頻信號分析。1.4章節(jié)結(jié)構(gòu)安排第一章主要介紹了音頻信號分析儀的發(fā)展背景和現(xiàn)狀，并提出了論文的主要研究內(nèi)容以及論文研究的意義。第二章本章主要介紹數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)理論，以傅里葉變換和信號采樣為基礎(chǔ)，進行時域分析、頻域分析和失真度分析。是整個系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。第三章本章主要對音頻信號分析儀進行總體方案選擇及論證，對信號的采樣方法、周期性測量、失真度測量以及功率的計算給出了實現(xiàn)方法。第四章本章分別對音頻信號分析儀的各個硬件模塊進行了設(shè)計，分別對信號放大模塊、抗混疊濾波、A/D采樣、FPGA的實現(xiàn)進行了系統(tǒng)的設(shè)計。第五章本章進行了音頻信號的軟件設(shè)計。主要有整體流程圖、IIR數(shù)字濾波器、FFT變換和鍵盤控制流程。第六章本章為系統(tǒng)的仿真測試結(jié)果。分別對信號的頻率和失真度等參數(shù)進行測試，得出結(jié)果。音頻信號頻率和失真度分析儀第5頁共62頁2音頻信號分析理論基礎(chǔ)音頻信號的分析主要以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，數(shù)字信號處理系統(tǒng)靈活、精確、抗干擾強，速度快，這些特點都是模擬信號處理系統(tǒng)所無法比擬的。對音頻信號的確分析可以從時域分析、頻域分析、失真度分析等幾個方面進行。21數(shù)字信號處理基礎(chǔ)自20世紀(jì)60年代以來，