基于FPGA的音频信号分析仪

基于FPGA的音频信号仪 Audio signal analyzer based on FPGA 中国地质大学（北京） 指导教师 张启升 组员：李金泽 1010102124 张永  1010102120 2013.5.10 音频信号分析仪 摘要：  本音频信号分析系统由16位 TLV320主控制器，通过IIS对音频信号进行采集，把采集到的信号进行离散化，然后通过FFT 快速傅氏变换运算，在时域和频域对音频信号的各个频率分量以及功率等指标进行分析和处理，然后通过LabView的波形图表进行显示。 系统能够精确测量的音频信号频率范围为200Hz-10KHz ，其幅度范围为100mVpp-5Vpp，分辨力为100Hz 。测量功率精确度高达 1%,并且能够准确的测量周期信号的周期，是理想的音频信号分析处理的解决。 Abstract: the audio signal analysis system consists of 16 main controller TLV320, through the IIS collection of audio signal, the discretization of the collected signal, and then through the FFT fast Fourier transform, the analysis and processing of each frequency component of an audio signal and power index in time domain and frequency domain, and then through the waveform chart LabView display. The system is capable of audio signal frequency range for accurate measurement of the 200Hz-10KHz, its range is 100mVpp-5Vpp, resolution is 100Hz. Power measurement accuracy up to 1%, and is capable of accurately measuring the periodic signal cycle, is the ideal solution audio signal analysis and processing. 目录 1  系统设计    1 1.1  总体设计    1 1.2  单元电路设计    2 1.2.1  信号产生    2 1.2.2  信号采集及AD转换电路设计    2 1.2.3  功率谱测量    2 1.2.4  FIFO模块    4 1.2.5  Labview显示部分    4 1.2.6  Nios核    5 2  软件设计    5 3  系统测试    6 3.1  总功率测量（室温条件下）    6 3.2  单个频率分量测量（室温条件下）    6 4  结论    6 5  个人感想    7 参考文献：    7 附录：    7 程序清单    7 1  系统设计 1.1  总体设计 本实验是基于FPGA的音频信号分析仪，输入信号通过Audio SweepGen控制pc由耳麦输出接口给出，由FPGA音频信号输入接口接收，音频信号进入FPGA后，通过IIS对音频信号进行采集，把采集到的信号进行离散化，然后通过FFT 快速傅氏变换运算，在时域和频域对音频信号的各个频率分量以及功率等指标进行分析和处理，然后通过LabView的波形图表进行显示。 系统能够精确测量的音频信号频率范围为200Hz-10KHz ，其幅度范围为100mVpp-5Vpp，分辨力为100Hz 。测量功率精确度高达 1%,并且能够准确的测量周期信号的周期，是理想的音频信号分析处理的解决方案。 总体设计框图 硬件总体结构 1.2  单元电路设计 1.2.1  信号产生 可以控制产生正弦或者方波形式的音频信号，对频率等一下属性进行控制输出。 1.2.2  信号采集及AD转换电路设计 采用16位TLV320芯片内的IIS模块进行转换，将转换的数据传送到FFT模块进行处理。 1.2.3  功率谱测量 功率谱测量主要通过对音频信号进行离散化处理，通过FFT运算，求出信号各个离散频率点的功率值，然后得到离散化的功率谱。 由于目要求频率分辨力100Hz，这说明在进行FFT运算前必须通过调整采样频率(fK)和采样的点数(N),使其基波频率f为100Hz。 根据频率分辨率与采样频率和采样点数的关系： f=fk/N; 可以得知，            fk=N*f; 又根据采样定理，采样频率fk必须不小于信号频率fm的2倍，即： fk>=2fm; 题目要求的最大频率为10KHz，所以采样频率必须大于20KHz，考虑到FFT运算在2的次数的点数时的效率较高，所以我们选择100KHz采样率，采集1024个点。 通过FFT 分析出不同的频率点对应的功率后，就可以画出其功率谱，并可以在频域计算其总功率。 （1）FFT模块主要是对已经离散化的数据进行FFT转换，实现时域到频域的变换，进而能够处理和分析频率和功率参量。FFT是通过Quartus内置魔术棒添加的，但时序是通过代码编写后，由代码生成的模块。通过FFT后，音频信号实现了时域到频域的变换，输出量为复数形式，进行开放运算取模。 FFT模块设计 （2）开方模块主要实现复数到实数的变换，分别对实部和虚部进行平方求和后开方，得到模值。 开方模块 1.2.4  FIFO模块 Fifo的重要作用就是不同时钟域的数据缓存，只是一种BUF作用。比如不同速率模块间的传输，用fifo做缓存，这时候fifo的容限，也就是深度还是需要根据两者速率计算到恰到好处。 Fifo模块 1.2.5  Labview显示部分 显示部分主要是通过LabView实现，从串口上传的数据在波形图上显示，即频谱图。可以在读取缓冲区上观察上传的数据，并通过按键控制是否显示和清空缓冲区。波形图2用于显示TLV320采集到的原始信号。 1.2.6  Nios核 NIOS模块是通过Quartus里面的SOPC Builder添加的，主要是完成FPGA的软核配置。 2  软件设计 由NIOS负责完成，主要是负责从fifo中读取数据，计算信号频率、幅值、功率和失真度，并通过串口发送至下位机labview端进行显示。 用到的基本算法： 1.幅值，在FFT中介绍过。 2.频率，Fn=（n-1）Fs/N        Fs为采样频率，N=1024 3.功率，根据帕塞瓦尔定理 4.失真度，全部谐波能量与基波能量之比。 （源代码在附录上） 3  系统测试 3.1  总功率测量（室温条件下） 输入信号 频率 幅度 测量时域总功率(w) 测量频域总功率(w) 理论值 估算误差 音频信号 200Hz-10KHz 100mVpp-5Vpp 0.783 0.761 0.774 《5% 1.803 1.777 1.778 《5%               结果分析： 由于实验室提供的能够模仿音频信号的且能方便测量的信号只有正弦信号，所以我们软件控制通过pc机产生信号，然后进行测量，发现误差不大，在+-5%以内。我们以音频信号进行测量，由于其实际值无法测量，所以我们只能根据时域和频域以及估计其误差，都在5%以内。 3.2  单个频率分量测量（室温条件下） 输入信号 频率 幅度 最大功率频点 最大功率频点功率 次大功率频点 次大功率频点功率 音频信号 200Hz-10KHz 2V 880Hz 23mw 600Hz 4.3mw               结果分析： 音频信号由于有多个频点，所以没有一定的规律性。由于音频信号波动较大，没有一定的规律，且实验室没有专门配置测量仪器，所以我们只好以正弦波和方波作为信号进行定量分析测量，以及对音频信号进行定性的分析和测量。我们发现其数字和用电脑模拟的结果符合得很近。 4  结论 由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。 5  个人感想 本设计很好的满足了题目要求，对频率分辨力、动态范围及精度都做了较大的扩展。其实本设计还有很大的提升空间，但由于我们的动手能力以及理论水平有限，没能很好的达到。通过本次设计，我们的动手能力以及处理问题的能力都有了很大的提高，并加深了对信号处理的理解，我们的收获很大！整个过程有很多不是很清楚的地方，但是通过查资料的方式，问题都迎刃而解，还学到了很多相关的知识。但是我们也存在很多问题，比如： 1.Quartus硬件上花费的时间太长，以至于最后软件部分几乎没时间  实现。 2.没有总结第一次实验的经验和教训，对各个部分时间的安排和小组分工合作做合理的安排。 3.进入实验状态花了相当一段时间，前面有很长一段时间感觉没有方向，一直在摸索。 4.NIOS和win7系统的兼容问题和破解问题，影响了实验的进度，对代码的调试编译起到了反作用。 总之本次实验让我们受益匪浅。 参考文献： 《数字电子技术基础》，阎石著，北京：高等教育出版社，1997年； 《数据结构与算法》，张晓丽等著，北京：机械工业出版社，2002年； 《数字信号处理》，程佩青著，北京：清华出版社    2004年； 《EDA与VHDL》潘松等著，北京：清华大学出版社，2009； 附录： 程序清单 /*///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// FFT时序 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////*/