基于FPGA的音频信号分析仪.pdf

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1、科技信息。机械与电子oscⅢNCE&TEcHN0L0GY肿0RMAT10N20O9年第l5期基于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(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；F丌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2．2运算器率范围大

2、约是2OHz一2OkHz，其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，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。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。它主要利用专用的FFYr芯片，虽然运行速度高，运算精确，但其用法固定，使用不频谱分析原理，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，以满足频信号分析广泛应用于电声

3、测量、音频制作、信号分析乃至振动测试FFT需大量复数乘法和加法运算的要求。等领域。2_3放大器1．系统总体方案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：频信号放大后经过D进行采样并存储，然后通过一定的运算处理，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。等信息

4、．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行列式键入信号幅值范围小，但其实现简单方便，便于操作与计算。盘来实现。一般实现方案有以下几种。2．4显示器纯软件法。通过计算机音频设备接口，模拟音频。信号先要从声卡使用LCD液晶显示器，可使实现显示样式丰富，显示界面友好，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，显示的信息量也较多。利用计算机软件对采样信号进行复杂的分析，实时显示

5、出波形、彩色3．各模块的设计与实现声谱图等等。该方法无需额外的硬件电路但需要复杂的编程以及计算3．1放大器设计机操作。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、外差法。音频信号经高速A，D采样送入处理器，通过硬件乘法器高效和低失真的输入音频信号。音频信号频率范围约为2OHz一20kHz，与本地由DDS产生的本振扫频信号混频，变频后信号不断移人低通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采集正电压音频信号，因此通过放大器后

6、，输出的音频信号的电压范率，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围要保持在0v一5V，这样需要在输入音频信号电压的基础上再加上+的外差式扫频仪，提高了速度，但对硬件要求较高。2．5V作为输出电压送给高速A，D。电路如图2所示。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R2集到的数值序列进行快速傅立叶变换(F)，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l所示。图2音频放大器R2(+

7、l+2．5其中，R3=1oKn，R4=20Kn，U为输入电压值，u2是需要外加的电图1系统总体框图压u=(u+2-5)，当R2：10Kn时，uz=5V，与输入电压u2．各模块的方案选择2．1主控制器无关。主控模块能够使系统各部分模块协调有序的工作，是系统能够稳同时要满足R3R4=R1，／R2。因此R1=20Kn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3．2功率谱测量方法两种方案。3．2．1总功率的测量与计算方案一：使用单片机作为系统的主控模块。单片机使用广泛，操作总功率的测量可使用真有效值变换(

8、RMs／DC)电路，将音频信号简单，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先变为其真有效值，再进行D转换，可直接计算得其平均功率。但需来实现。RMs／DC专用芯片，硬件实现较为复杂。可采用频谱测量法，取信号直方案二：使用FPGA作为系统的主控模块。用FPGA响应键盘的流分量、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，控制信号，完成