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