2007年a题 音频信号分析仪

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1、2007年A题音频信号分析仪时间:2009-04-0214:33来源:竞赛组委会作者:山东大学王鹏点击:2521次本系统基于AlteraCycloneII系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)处理器软核,代替传统DSP芯片或高性能单片机,实现了基于FFT的音频信号分析。  音频信号分析仪 山东大学王鹏陈长林秦亦安  摘要:本系统基于AlteraCycloneII系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)处理器软核,代替传统DSP芯片或高性能单片机,实现了基于FFT的音频信号分析。并在频域对信号的总功率,各频率分量功率,信号周期性以及失真度

2、进行了计算。并在FPGA中嵌入了8阶IIR切比雪夫(Chebyshev)II型数字低通滤波器,代替传统有源模拟滤波器实现了性能优异的音频滤波。配合12位A/D转换芯片AD1674,和前端自动增益放大电路,使在50mV到5V的测量范围下,单一频率功率及总功率测量误差均控制在1%以内。关键词:FPGA;IP核;FFT;IIR;可控增益放大Abstract:ThissystemisbasedonIPcore(Nios)soft-coreprocessorsembeddedintheFPGAofAlteraCycloneIIfamily.Insteadofusi

3、ngDSPormicrocontroller,weuseNiosIItoperformalow-costFFT-basedanalysisoftheaudiosignal.Andwecaculatedthepowerofthewholesignal,thepowerofeachfrequencepointthatcomponentedthesignal.Bytheway,weanlysiseditsperiodicityanddistortion.Wealsoembeddedan8-orderChebyshevIIIIRdigitallow-passfi

4、ltertoreplacethetraditionalanalogActiveFiltertoperformanexcellentaudiofilter.With12bitA/DconverterchipAD1674,andthefront-endautomaticgainamplifier,thissystem’ssingle-frequencypowerandtotalpowermeasurementerrorisbelow1%in50mVto5Vmeasurementrange.Keyword:FPGA;IPcore;FFT;IIR;automat

5、icgainamplifier 一、          方案选择与论证1、整体方案选择音频分析仪可分为模拟式与数字式两大类。方案一:以模拟滤波器为基础的模拟式频谱分析仪。有并行滤波法、扫描滤波法、小外差法等。因为受到模拟滤波器滤性能的限制,此种方法对我们来说实现起来非常困难。方案二:以FFT为基础的的数字式频谱分析仪。通过信号的频谱图可以很方便的得到输入信号的各种信息,如功率谱、频率分量以及周期性等。外围电路少,实现方便,精度高。所以我们选用方案二作为本音频分析仪的实现方式。2、FFT计算方式选择方案一:使用VHDL硬件实现。FFT的VHDL程序编写难度

6、大,短时内不易实现。方案二:在FPGA中嵌入NiosII处理器,通过软件实现。NiosII支持C语言编程方式,普通的C语言版的FFT稍加改正即可应用到本方案中。四天之内我们不可能实现一个用硬件实现的FFT算法,因此我们选用方案二。3、采样电路与A/D芯片选择本设计中要求分析的信号峰峰值范围为100mVp-p~5Vp-p,用8位A/D进行采样,不能满足题目的精度要求,采用12位的A/D芯片AD1674,其分辨率可达到1.2mV(相对于5Vp-p信号),满足了题目要求的5%误差范围。同时其100K的采样频率也满足本设计中的频率要求。4、信号调理方案AD167

7、4信号输入满偏电压在双极性时为±5V,即峰峰值10V。方案一:将输入信号放大2倍,以达到AD1674的满偏输入,以提高A/D的精度。但若输入信号都比较小时,采样精度就会下降。方案二:将前端信号放大调理电路分为几个档,针对不同幅度的信号选择合适的通道进行放大,放大倍数以当前信号中的最大峰值为选择基准。这样在输入信号比较小时可以选择比较大的放大倍数,以提高A/D采样的精度。明显方案2优于方案1。5、采样及滤波方案选择方案一:按照奈奎斯特定律采样,以传统模拟方式滤波。传统模拟方式或有源滤波芯片难以实现很好的频带外衰减。从而使运算结果误差增大。方案二:在A/D前

8、进行简单的抗混叠滤波,以比较高的速率采样,然后在FPGA中用数字滤波器进行精确滤

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