音频信号分析仪9.6.1

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1、音频信号分析仪摘要：本系统利用时钟频率为100Mbps的高速C8051F120单片机作为核心处理器，配合FPGA设计工具，制作完成本音频信号分析仪。系统主要由7个模块组成：信号输入模块，程控增益电路模块，数字滤波（窗函数）模块，信号采集模块，DFFT运算模块，频谱图显示模块和人机接口模块。前端利用FPGA通过高速高精度的A/D对被测信号进行采集，采集后的信号首先由FPGA进行数字滤波，然后将处理后的数据送入到单片机进行离散快速傅里叶变换(DFFT)。由变换后的频谱可以计算出各频率分量的幅值,最终求出总功率和各频率分量的功率。同时，经单片机处

2、理后的数据又被送到FPGA，通过高速D/A送示波器显示各频率分量的频谱。本系统通过测试，有电压测试范围宽、频率分辨力高、精度高、误差小、运行稳定和人机界面友好等特点。关键词：C8051F120；FPGA；音频信号分析仪；DFFT；窗函数；频谱；功率9一、系统方案1.1方案比较与选择方案一：基于模拟乘法器的扫频法该方法采用外差原理，由本机振荡器产生一扫频信号与输入信号相乘，然后由滤波器将差频分量滤出以代表相应频点的幅度。本机振荡信号可以达到很宽的频率，与外部混频器配合，可扩展到很高频率。缺点：硬件电路复杂，电路性能要求很高，各模块性能都需要精

3、心设计，且连接在一起整体调试时有一定难度。方案二：基于单片机与FPGA结合进行DFFT变换该方法利用FPGA通过高速高精度的A/D对被测信号进行采集，采集后的信号首先由FPGA进行数字滤波，然后将处理后的数据送入到单片机进行离散快速傅里叶变换(DFFT)。FPGA采集数据速度快，先对采集的数据进行数字滤波，可提高采集的数据准确性，再将处理后的数据送入到单片机，高速单片机把接收到的数据进行DFFT运算，能使分辨力达到很高。方案三：基于FPGA实现DFFT变换FPGA实现DFFT变换，首先对被测信号进行ADC采样，然后将采样的数据存储在RAM中

4、，当数据足够后，进行DFFT运算。由Nyquist采样定理，要实现窄的分辨率要采样大量的数据，利用FPGA处理数据速度快，存储容量大的特点，使其分辨力达到很高。综合比较以上方案，鉴于FPGA处理速度快，存储容量大的优点，方案三是最佳方案，但考虑到现用的FPGA的门数有限，数据量大时，进行FFT运算速度会很慢。综合考虑，利用FPGA采集数据快，精确高，单片机处理数据快的特点，本系统采取方案二。1.2方案描述系统总体方框图如图1-1所示，系统主要由滤波电路、程控放大电路、FPGA处理器、单片机系统和键盘显示等部分组成。图1-1系统结构框图本系统

5、首先对时域连续信号进行等间隔抽样得到，然后对离散傅里叶变换(DFT)为，再由的频谱可以计算出各频率分量的频率和幅值，最终求出各频率分量的功率以及总功率。同时，系统还以5S为周期刷新数据，并可把数据存储在存储器中回放显示。理论分析与计算2.1放大器设计(1)系统输入阻抗9系统要求输入阻抗50，本系统选用了高输入阻抗的OP07精密放大器，在其输入端并入一50电阻，通过计算可得出输入阻抗RIN=。(2)信号输入电压范围为了扩大信号动态范围，提高灵敏度，电路设计采用PGA103和PGA205级联，可使其输入电压(峰-峰值)范围从10mV15V。同时

6、，单片机ADC输出实现自动程控增益可调。(3)输入信号频率范围为了扩大信号频率输入范围，降低高频成份的干拢，电路设计采用四阶低通滤波器，使其截止频率为10KHZ，可使10KHz以内有很好的线性，在超出范围得到迅速衰减.。同时，为了抑制定点DFFT时出现频谱泄露，在FPGA内部加窗函数，使其这一现象得到较好的改善，可使输入信号频率范围从20Hz20KHz。2.2功率测量方法对于任意区间内的信号平均功率，表示为式(1-1)式(1-1)上式表明：连续时间信号的功率是它离散后各点幅值的平方和除以它的采样点数，可得出信号在时域的总功率.信号的能量密度

7、谱可以用帕斯瓦尔关系式（1-2）式（1-2）由式（1-1）和式（1-2）可以计算出信号在频域中的功率，表示为式（1-3）式（1-3）上式表明：由各频率分量的幅值可以计算出各频率分量的功率。2.3周期性判断方法任意随机连续时间信号x(t)，进行DFT变换后为x(k，可以用式(1-4)式（1-4）在频域X(k)当中去找两个最大的幅值，考虑到DFT存在误差，因此设定

8、X(k+N)-X(k)

9、≤0.001时，判断为周期信号。2.4失真度测量方法所有周期函数可以表示为式(1-4)式(1-4)失真度(distortion)是谐波的矢量和与周期函数有效值

10、之比，可以表示(1-5)式(1-5)9上式表明:.先用DFFT计算信号频谱，可以直接得各次频率分量的幅值，再用上式计算出正弦波的失真度.2.5分辨率计算方法分辨率(F)可表示为式