《音频信号分析仪》PPT课件

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1、音频信号分析仪武汉大学:黄根春系统简介本系统基于离散傅立叶变换原理，以单片机和可编程逻辑器件为控制核心，由前级信号调理模块、抗混叠滤波模块、AD637检波模块、A/D采样模块等构成。采用数字信号处理技术，在FPGA内部完成了2048点浮点型FFT计算，能准确判断频率成分在20Hz～10kHz、幅值范围在0.1mV～10V的输入信号的功率谱及其总功率，频率分辨力可达10Hz，并能分析正弦信号的失真度。利用相关原理能准确检测信号的周期性并测量其周期。系统对待测量的显示5s刷新一次。另外还增加了掉电存储回放显示及信号频谱显示的功能，人机交互界

2、面友好。www.themegallery.comCompanyname题目要求题目要求设计制作一台可分析音频信号频率成分并可测量正弦信号失真度的仪器。该仪器能够检测的输入信号的范围（峰峰值）为100mV~5V，可进一步扩展输入信号的动态范围。对输入信号进行频率和功率的检测，其中对信号频率的分辨力为100Hz，可扩展至20Hz。此外该仪器还能够判断信号的周期性及测量正弦信号的失真度。www.themegallery.comCompanyname方案论证与比较1、信号调理与采集的方案论证方案一：采用高有效位AD方案二：采用对数放大器方案三：

3、采用多通道放大经过上述的分析比较，我们选择方案三，可提高输入信号的动态范围，有利于信噪比与测量精度的提高。www.themegallery.comCompanyname2、信号频率成分检测的方案论证方案一：模拟滤波法方案二：DFT谱分析法经过比较，数字的DFT方法则易于实现，速度快，精度高。故可选用方案二，利用FPGA快速的数据处理能力，在其中完成2048点的浮点型FFT。当采样率为40.96kHz时，由公式，频率分辨率可达20Hz，降低采样率可进一步提高频率分辨力。www.themegallery.comCompanyname3、信号

4、总功率检测方案论证方案一：A/D采样法方案二：有效值检波法经过以上两种方案的论证比较，方案一在输入信号的频率未知，非同步采样的情况下误差较大，故我们选用方案二。www.themegallery.comCompanyname系统总体设计方案及实现框图根据以上的方案论证与比较，先将输入信号通过一多通道程控放大模块，调理到ADC适合采样的输入范围内，经过抗混叠滤波后一路送给AD637进行有效值检测计算总功率，另一路送给AD进行采样。根据频率分辨力来确定采样率，利用FPGA快速数据处理能力，在其中完成2048点的FFT运算计算该信号的功率谱，并

5、能实时显示信号总功率及主要频率成分功率。其中，对于信号周期性的判断与测量，我们采用自相关的方法，大大提高了判断的准确性。www.themegallery.comCompanynamewww.themegallery.comCompanyname系统实现耗用资源分析1、2048各采样点占用资源1024*4byte作为旋转因子2、逻辑资源1个浮点乘法器1000逻辑单元1个浮点加法器800逻辑单元1个控制器700逻辑单元3、外部存储器2048*2*4byte每点实部虚部各4个字节2048个点中有1024个点重复4、其他控制单元占用的资源www

6、.themegallery.comCompanyname理论分析与计算1、放大器设计基于题目“扩大输入信号动态范围”的要求，将信号在进入A/D转换器之前需要进行合理的处理，使其在A/D量化范围内达到量化精度最高，此方法等效于AD位数的增加。对于基本要求中幅度较大的低频信号（50mV以上），采用多路复用器通过选择放大器的反馈电阻来改变放大倍数的方法来实现。对于50mV以下的信号又分成三个固定放大倍数不同的通路供选择。通过这四路放大，输入信号总的动态范围可达100dB。这四路放大通道最后通过多路复用器选择送给A/D。先将信号经过1倍放大的通

7、道送给A/D初测幅值，根据此值选择被测通路。www.themegallery.comCompanyname2、功率谱测量方法功率谱表示单位频带内信号功率随频率的变化情况，它反映了信号功率在频域的分布情况。对于功率谱的测量采用的是周期图法。已知随机信号的功率谱和自相关函数是傅氏变换对，即功率谱。而自相关函数定义为：，则www.themegallery.comCompanyname用有限长的样本序列来估计功率密度谱即为　　　　　。对于的求解，在FPGA内部完成了2048点的基2时域抽取法FFT运算。数值运算采用浮点型，旋转因子由查表得到。设

8、置FPGA的运算时钟为100MHz，从而能在455ms内完成一次2048点的运算，远小于题目5s的时间限制。计算出了各频率分量上的功率大小，那么根据失真度的定义，即信号中全部谐波分量的能量与基波能量之比的平