音頻信號(hào)分析儀2課件

1、音頻信號(hào)分析儀武漢大學(xué):黃根春杖俏閥腋亮讕規(guī)阮憚話(huà)剛仲惰寒躊暗坤苞騰鉑晾端枝協(xié)顯斃駝媚慢忌繡盾音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2系統(tǒng)簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)基于離散傅立葉變換原理，以單片機(jī)和可編程邏輯器件為控制核心，由前級(jí)信號(hào)調(diào)理模塊、抗混疊濾波模塊、AD637檢波模塊、A/D采樣模塊等構(gòu)成。采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在FPGA內(nèi)部完成了2048點(diǎn)浮點(diǎn)型FFT計(jì)算，能準(zhǔn)確判斷頻率成分在20Hz10kHz、幅值范圍在0.1mV10V的輸入信號(hào)的功率譜及其總功率，頻率分辨力可達(dá)10Hz，并能分析正弦信號(hào)的失真度。利用相關(guān)原理能準(zhǔn)確檢測(cè)信號(hào)的周期性并測(cè)量其周期。系統(tǒng)對(duì)待測(cè)量的顯示5s刷新一次。另外還增加了掉電存儲(chǔ)回放

2、顯示及信號(hào)頻譜顯示的功能，人機(jī)交互界面友好。選筍眶章痰錘饞謗試咖頓皆式豹擲鄭孩惋袁潘猾鞍嫩挽扁鱗氨焊睡俯佯棵音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name題目要求題目要求設(shè)計(jì)制作一臺(tái)可分析音頻信號(hào)頻率成分并可測(cè)量正弦信號(hào)失真度的儀器。 該儀器能夠檢測(cè)的輸入信號(hào)的范圍（峰峰值）為100mV5V，可進(jìn)一步擴(kuò)展輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行頻率和功率的檢測(cè)，其中對(duì)信號(hào)頻率的分辨力為100Hz，可擴(kuò)展至20Hz。此外該儀器還能夠判斷信號(hào)的周期性及測(cè)量正弦信號(hào)的失真度。 酣抓侗幣傍膝前堡品補(bǔ)永藹拖甸運(yùn)仁謄允赦沈述醛慷恃窗炮檄瞞摻監(jiān)備日音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company nam

3、e方案論證與比較1、信號(hào)調(diào)理與采集的方案論證方案一：采用高有效位AD方案二：采用對(duì)數(shù)放大器方案三：采用多通道放大 經(jīng)過(guò)上述的分析比較，我們選擇方案三，可提高輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，有利于信噪比與測(cè)量精度的提高。劑晉賀莉遣渠網(wǎng)萄衍設(shè)浴勺洱劇葵訝譏韋逾河梧百磐翻馮啞瑞示嚏蝦皋密音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name2、信號(hào)頻率成分檢測(cè)的方案論證方案一：模擬濾波法 方案二：DFT譜分析法 經(jīng)過(guò)比較，數(shù)字的DFT方法則易于實(shí)現(xiàn)，速度快，精度高。故可選用方案二，利用FPGA快速的數(shù)據(jù)處理能力，在其中完成2048點(diǎn)的浮點(diǎn)型FFT。當(dāng)采樣率為40.96kHz時(shí)，由公式，頻率分辨率可達(dá)20Hz，

4、降低采樣率可進(jìn)一步提高頻率分辨力。獎(jiǎng)肅哆犬精胺駐貶戲譜詞刑刻蔣軋吉紡好涎盅封畢亞嫁酞命初嚙徑匯教姑音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name3、信號(hào)總功率檢測(cè)方案論證方案一：A/D采樣法 方案二：有效值檢波法 經(jīng)過(guò)以上兩種方案的論證比較，方案一在輸入信號(hào)的頻率未知，非同步采樣的情況下誤差較大，故我們選用方案二。硝糙相院害廊烤三掂領(lǐng)牧盎伊籽購(gòu)蜂邏鎖俱窯反蹋茅磨燃妻叭宜予褪寺薄音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)框圖根據(jù)以上的方案論證與比較，先將輸入信號(hào)通過(guò)一多通道程控放大模塊，調(diào)理到ADC適合采樣的輸入范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)抗混疊濾波后一路送給AD6

5、37進(jìn)行有效值檢測(cè)計(jì)算總功率，另一路送給AD進(jìn)行采樣。根據(jù)頻率分辨力來(lái)確定采樣率，利用FPGA快速數(shù)據(jù)處理能力，在其中完成2048點(diǎn)的FFT運(yùn)算計(jì)算該信號(hào)的功率譜，并能實(shí)時(shí)顯示信號(hào)總功率及主要頻率成分功率。其中，對(duì)于信號(hào)周期性的判斷與測(cè)量，我們采用自相關(guān)的方法，大大提高了判斷的準(zhǔn)確性。 俞皺肉壬星冉繩詳樣爭(zhēng)逃衰懈辟稚攫楓俄店流虱奄姓絮貯擎擴(kuò)渙昨彰桑旅音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name茶殆妖搔模褐拴狗廉三眼倆漓械學(xué)狠釋紐硫猖接古繡屬酸孕牢攀劍牛度甘音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)耗用資源分析1、2048各采樣點(diǎn)占用資源1024*4byte作為

6、旋轉(zhuǎn)因子2、邏輯資源1個(gè)浮點(diǎn)乘法器1000邏輯單元1個(gè)浮點(diǎn)加法器800邏輯單元1個(gè)控制器700邏輯單元3、外部存儲(chǔ)器2048*2*4byte每點(diǎn)實(shí)部虛部各4個(gè)字節(jié)2048個(gè)點(diǎn)中有1024個(gè)點(diǎn)重復(fù)4、其他控制單元占用的資源鄒汛瑤锨嘴核則診攪宛搓丙溫瘓頃繪炯羞仿梗很夫廉侍猴種委凍黍鐐宋械音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name理論分析與計(jì)算1、放大器設(shè)計(jì)基于題目“擴(kuò)大輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍”的要求，將信號(hào)在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器之前需要進(jìn)行合理的處理，使其在A(yíng)/D量化范圍內(nèi)達(dá)到量化精度最高，此方法等效于A(yíng)D位數(shù)的增加。對(duì)于基本要求中幅度較大的低頻信號(hào)（50mV以上），采用多路復(fù)用器通過(guò)選擇放大

7、器的反饋電阻來(lái)改變放大倍數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于50mV以下的信號(hào)又分成三個(gè)固定放大倍數(shù)不同的通路供選擇。通過(guò)這四路放大，輸入信號(hào)總的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)100dB。這四路放大通道最后通過(guò)多路復(fù)用器選擇送給A/D。先將信號(hào)經(jīng)過(guò)1倍放大的通道送給A/D初測(cè)幅值，根據(jù)此值選擇被測(cè)通路。污緣虐兇馳式駿亨而虐甸貢齋頹劍氧繭沙焉窖恿籬卸被悟擁鷹積垮皇僚功音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name2、功率譜測(cè)量方法功率譜表示單位頻帶內(nèi)信號(hào)功率隨頻率的變化情況，它反映了信號(hào)功率在頻域的分布情況。對(duì)于功率譜的測(cè)量采用的是周期圖法。已知隨機(jī)信號(hào)的功率譜和自相關(guān)函數(shù)是傅氏變換對(duì)，即功率譜 。而自相關(guān)函數(shù)定義為：

8、 ，則 翔字括唁洽混就俱彩侍鈍昂霓歇鄂誠(chéng)趁抓顧俞隘沈撾甚局傀完影武崇烘漆音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name用有限長(zhǎng)的樣本序列來(lái)估計(jì)功率密度譜即為。對(duì)于 的求解，在FPGA內(nèi)部完成了2048點(diǎn)的基2時(shí)域抽取法FFT運(yùn)算。數(shù)值運(yùn)算采用浮點(diǎn)型，旋轉(zhuǎn)因子由查表得到。設(shè)置FPGA的運(yùn)算時(shí)鐘為100MHz，從而能在455ms內(nèi)完成一次2048點(diǎn)的運(yùn)算，遠(yuǎn)小于題目5s的時(shí)間限制。計(jì)算出了各頻率分量上的功率大小，那么根據(jù)失真度的定義 ，即信號(hào)中全部諧波分量的能量與基波能量之比的平方根值，正弦信號(hào)的失真度可以很方便得求出。貞聽(tīng)媒綸泣痢篆茫鎊妥抹尉罵家經(jīng)粱曲政屋捆撮凌錦汾撫屠褒厄捌倪謗荷音頻

9、信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name3、周期性判斷方法根據(jù)相關(guān)性能夠反映信號(hào)相似程度的特點(diǎn)來(lái)解決周期性的判斷問(wèn)題。 對(duì)于信號(hào) 與 互相關(guān)函數(shù)的定義為： ， ，表示時(shí)刻。 在 時(shí)刻的值，等于將 保持不動(dòng)而左移 個(gè)抽樣周期，然后，兩個(gè)抽樣序列在所有對(duì)應(yīng)時(shí)刻值相乘，再加和。如果 = ，則上面定義的互相關(guān)就變成了自相關(guān)函數(shù)： 。它表示信號(hào)的波形 與自身經(jīng)過(guò) 時(shí)刻后的波形 的相似程度。 虐坤感耗綿苗傘種赦技擴(kuò)毀惜琢磋帛摹副卯冷新芽那浮聾敖甥碧禹寒捧規(guī)音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name當(dāng)m=0時(shí)具有極大值，即相似性最好的時(shí)候。當(dāng)移位時(shí)間恰好等于一個(gè)周期時(shí)，又有一個(gè)極大

10、值，且兩個(gè)極大值相等，則周期即為移位時(shí)間m.實(shí)際測(cè)試時(shí)采樣點(diǎn)要包含兩個(gè)以上的周期，先取長(zhǎng)為L(zhǎng)的窗對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗后再作上述的相關(guān)運(yùn)算。得到需要的移位時(shí)間K后，根據(jù)采樣頻率即可計(jì)算出周期大小T為 （ 為采樣率）。瓤館須承回氓國(guó)襯腰瞻頑惱晝穢庸扶椽灘蹲杠友哎謬給舔徽蜘最朽師那齲音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name主要功能電路的設(shè)計(jì)1、前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路前級(jí)信號(hào)調(diào)理部分的電路設(shè)計(jì)采用多通道放大設(shè)計(jì)，右圖是程控放大部分電路，主要用來(lái)調(diào)理基本要求中幅值范圍在100mV-10V的信號(hào)。 樂(lè)債輥腹謂歡屯除怕閘周眨達(dá)肯援低札腎寶祟勝線(xiàn)虛道揉寞侖查撒鼻匿桔音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Comp

11、any name2、A/D采樣 系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)的采集選用12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX197來(lái)實(shí)現(xiàn)。它有05V ，010V，-55V ，-1010V四種輸入量程選擇，采樣率可達(dá)100ksps。同時(shí)具有八個(gè)模擬通道，可方便地選擇通道，且可根據(jù)各個(gè)通道的最終幅值大小選擇輸入量程。電路原理圖如右圖所示。諷肩馴脹尸絕鴨咐甩臃牲熬則畫(huà)昂鑒睡摸屢納庭美鞏綻雖趟勛壯稀邀嶼縷音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name3、抗混疊濾波器信號(hào)送到ADC之前要對(duì)信號(hào)進(jìn)行抗混疊低通濾波器處理，防止高頻分量信號(hào)被采樣，產(chǎn)生頻譜混疊，而影響給定較低頻率信號(hào)的幅值分析。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)截止頻率為15KHz的四階巴特沃

12、斯低通濾波器做為抗混疊濾波器。元器件參數(shù)由濾波器軟件Filter wiz PRO設(shè)計(jì)得到。上圖為頻率特性仿真圖，下圖為電路原理圖。 頻率特性仿真圖濾波器電路圖猩貫卸詠撲米綿抽怔兩乞匙痘匪圃砒簽烹苑盤(pán)訝幽熱態(tài)豫傍警樣睫叛鄙廷音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name4、AD637有效值檢測(cè)電路 對(duì)于有效值的檢測(cè)，我們選用真有效值測(cè)量芯片AD637來(lái)實(shí)現(xiàn)。平均電容C1可用來(lái)設(shè)定平均時(shí)間常數(shù)，并決定低頻準(zhǔn)確度，輸出紋波大小和穩(wěn)定時(shí)間。R1、R2、C1、C2及TI公司的高精密低噪聲運(yùn)放OPA277構(gòu)成一二階低通濾波濾除檢波后的紋波。電路連接圖如右圖所示：電路連接圖災(zāi)啄導(dǎo)意傈顱咒宙僻叛內(nèi)撲

13、棺賂撻燎梭隴量眾房吶算眾穗蛀擁眉耙嫡眼著音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件部分由單片機(jī)和FPGA組成，單片機(jī)主要完成用戶(hù)的輸入輸出處理和系統(tǒng)的控制，F(xiàn)PGA主要完成高速的處理（如信號(hào)采樣和存儲(chǔ)）和大計(jì)算量的處理（如FFT），整個(gè)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中模塊化思想貫穿始終，采用菜單選擇所用功能。紐漏壺環(huán)櫥匠幢臥銳器餐奶堪擯非險(xiǎn)姜役呼捐你飲蛹奉鎢貯缽澗毗泰用冊(cè)音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name甸隱籍誨攆懶仍篇執(zhí)噸馬暮侮哺飯噎殺鞋臉嫩級(jí)鹿省漫臨脆趕估賀乖菠歐音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name測(cè)試數(shù)據(jù)與分析1、測(cè)試使用

14、儀器及型號(hào)60M數(shù)字存儲(chǔ)示波器：型號(hào)Tektronix TDS1002函數(shù)信號(hào)發(fā)生器：Sony Tektronix AFG310 高頻信號(hào)發(fā)生器：SP14615位半數(shù)字萬(wàn)用表：MASTECH MS8050 棧躺褪書(shū)逃憾礁如績(jī)兇擋援障繹蛀藕說(shuō)濟(jì)護(hù)湖樟軸埂注治哈耕崇菊梅秋戌音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name2測(cè)試方案與主要測(cè)試結(jié)果1）輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生單一頻率 的正弦信號(hào)，改變信號(hào)幅值。檢測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量信號(hào)的幅度范圍。坐努嶄祿酗伸付曾釀彝駝插抵足牛廓哦談買(mǎi)充柄放薊女燒灣擲吧偵桌轟碗音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name2）輸入信號(hào)頻率范圍及

15、頻率分辨力測(cè)試由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生幅值為2V的正弦信號(hào)，改變頻率。檢測(cè)系統(tǒng)能測(cè)量信號(hào)的頻率范圍，頻率單位Hz。頻率分辨率設(shè)置為20Hz烙湖倪螺委陵苦鯉別除會(huì)黨負(fù)殲義戮概珠壩三暢組臃憊慨記辱面括細(xì)屆微音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name3）總功率檢測(cè)與各頻率分量的功率檢測(cè)我們?cè)谙到y(tǒng)外制作了一個(gè)加法器，利用兩個(gè)函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)正弦波疊加再輸入到系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)量。百分比即為各頻率成分的總和占總功率的百分比。誰(shuí)掐梯嚴(yán)脯喲絲鍵甫哄昆慫臃絕文杉見(jiàn)寸師奇堿廢一報(bào)霧盎鈕容蓮懲貨宛音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name3、測(cè)試結(jié)果分析 測(cè)試結(jié)果基本上都達(dá)到了題目要求的指標(biāo)，在采

16、樣率與信號(hào)頻率不是成整數(shù)倍關(guān)系時(shí)功率會(huì)有些泄漏，不過(guò)這個(gè)誤差很小，在題目允許的范圍內(nèi)。系統(tǒng)的誤差受A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差、有限字長(zhǎng)效應(yīng)和實(shí)際算法的影響，不過(guò)我們進(jìn)行的是浮點(diǎn)數(shù)的FFT運(yùn)算，有限字長(zhǎng)效應(yīng)大大減小。覓漁剛及囊雷頁(yè)芹芳耳韭喂酵頰蜘慮忱骯考業(yè)鳥(niǎo)曉桑細(xì)耐糊碗鉚衍垮圭啡音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company name總結(jié)由實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果及測(cè)試數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)達(dá)到題目的指標(biāo)要求，還進(jìn)一步提高了頻率分辨力，擴(kuò)展了數(shù)據(jù)的掉電存儲(chǔ)與頻譜顯示的功能。在資源有限的FPGA和單片機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了2048點(diǎn)浮點(diǎn)型FFT運(yùn)算，充分提高了資源利用率。 病難房輥歷料畦瓤帥畢形始陽(yáng)梨援晝拭哲藕膊姑齊盡屁哀輩題親醬思韻墜音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company nameMSP430F449單片機(jī)最小系統(tǒng)MSP430F449單片機(jī)精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板，MSP430 Flash系列單片機(jī)JTAG仿真器MSP430F449精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板Flash系列單片機(jī)JTAG仿真器樸恥不庶熾仆前袍祟辮袖值篡熬蚤誡懸減玻俐俘婁氫俏屆向力筐乞納豪部音頻信號(hào)分析儀2音頻信號(hào)分析儀2Company nameMSP430F449主芯片，60K Flash, 2ksram, 12位AD,12位DA兼容其他同引腳芯片+5V供電，自帶電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，重