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1、 音频信号频率和失真度分析仪音频信号频率和失真度分析仪摘要音频信号频率和失真度分析仪利用频谱分析原理来分析被测信号的频率、频谱及波形。常用的频谱分析方法有：扫频法、数字滤波法、FFT法。这里采用一种基于FFT方法的音频信号频率和失真度分析仪设计方案，通过快速傅里叶变换(FFT)把被测的音频信号由时域信号转换为频域信号，将其分解成分立的频率分量，在此基础上对其进行各种分析。 本设计基于Altera Cyclone II 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。系统由控制与运算核心、程控放大器、滤波和采样等模块组
2、成。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进行了计算。并在FPGA中嵌入了数字低通滤波器，代替传统有源模拟滤波器实现了性能优异的音频滤波。关键词：频谱分析；时域分析；频域分析；数字滤波；信号失真Audio Signal Frequency And Distortion AnalyzerAbstractAudio signal frequency and distortion analyzer to analyze the theory using the measured spectrum of the signal frequency, spectrum and wav
3、eform. Spectral analysis methods commonly used: sweep algorithm, digital filtering, FFT method. Here use a method based on FFT audio signal frequency and distortion analyzer program, through the fast Fourier transform (FFT) to the audio signal from the measured time domain signal into frequency doma
4、in signal, established its decomposition components frequency component, in this based on their various analysis. The design is based on Altera Cyclone II family of embedded high-performance FPGA embedded IP core (Nios) soft core processor instead of the traditional high-performance DSP chip or micr
5、ocontroller to realize FFT-based audio signal analysis. System control and operation by the core, programmable amplifiers, filtering, and sampling and other modules. And the total frequency domain signal power, the power at each frequency, the signal periodicity and the distortion is calculated. FPG
6、A embedded in a digital low pass filter, instead of the traditional active analog filters to achieve a high performance audio filter. Key words: spectrum analysis; time domain; frequency domain; digital filter;Signal distortion目录1 绪论11.1 音频信号分析仪的国内外发展背景11.2 音频信号分析仪的现状21.3 论文研究的内容和意义31.4 章节结构安排42 音频信
7、号分析理论基础521 数字信号处理基础52.1.1 傅立叶变换62.1.2 信号的采样822 音频信号分析92.2.1 时域分析102.2.2 频域分析112.2.3 失真分析123 方案的选择与论证153.1 整体方案选择153.2 采样和滤波153.3 信号周期性判断及周期测量153.4 正弦信号的失真度测量163.5 信号功率的计算163.6 总体结构确定164 音频信号分析仪硬件构成174.1 前级放大电路174.2 抗混叠滤波184.3 A/D转换部分184.4 FPGA模块的实现204.4.1 FPGA电路204.4.2 FPGA配置芯片-EPC2LC20204.4.3 选通器74
8、HC245214.4.4 存储芯片HM628512224.4.5 6.144M晶振234.4.6 IIR滤波器245 音频信号分析仪软件设计245.1 数字滤波器的设计255.1.1 寄存器模块255.1.2 乘累加器模块265.2 FFT运算285.3 键盘控制和液晶显示306 仿真测试结果336.1 仿真方法336.2 测试仪器336.3 输入阻抗测量346.4 信号总功率及各频率分量功率测量346.5 失真度测试346.6 动态范围测试356.7 周期性测试35参考文献36致谢37附录 39附录一 总电路图38附录二 程序清单391 绪论目前，大多数音频信号分析仪不但体积大而且价格贵，在
9、一些特殊方面难以普及使用，而嵌入式系统具有小巧可靠的特点，所以开发基于特殊功能的音频是语音识别的基础，具有很好的现实意义。信号分析原理是将信号从时间域转换成频率域，使原始信号中不明显特性变得明显，便于分析处理。对于音频信号来说，其主要特征参数为幅度谱、功率谱、失真度。该音频认号分析仪的工作过程为：对音频信号限幅放大、模数转换、快速傅里叶变换(FFT，时域到频域的转换)、特征值提取；从到音频信号的幅度谱，进而得到音频信号的功率谱。1.1 音频信号分析仪的国内外发展背景目前，音频信号分析仪在国内外都有成型的产品，例如：美国ADP的PIP双通道音频信号分析仪、日本松下的VP7726A双声道音频信号分
10、析仪、台湾泰仕的TES-1358音频信号分析仪等，这些分析仪能够完成音频信号的很多指标测试，但是，其产品的价格往往是很昂贵的，通常在几万元左右【1】。另外，成型的音频信号分析仪尽管能够测试很多的音频指标，但这些指标未必是每个用户都感兴趣的，因此，往往出现成型分析仪中的某些指标没有被利用，而用户感兴趣的指标在成型分析仪中又无法测试的问题。鉴于以上两个原因，音频信号分析系统的个性化虚拟仪器如火如荼的发展起来。音频信号分析的发展是随着一般信号分析仪器的发展而不断改进的。信号分析仪的发展至今已经经历了三个阶段，50年代发展的以波的干涉、谐振和滤波原理制成的模拟式分析仪，它们功能少，分析速度慢，目前已经
11、很少使用。但是这类仪器分析时能量集中，分析精度高且分析方法有特色。因此，许多数字化仪器保留了模拟式分析仪的部分功能【3】。60年代，随着计算机技术的发展，信号处理由模拟式向数字式转换，发展的是以FFT计算原理制成的数字式信号分析仪。这类仪器功能多，分析速度快，是使用中的主流，典型的产品有丹麦的BK2034、日本的CF920和美国的SD375等。新的产品仍层出不穷，分析功能也越来越多，而操作则更简洁方便【2】。第二代仪器的缺点是功能恒定，不能满足用户的特殊要求，同时分析功能无法更新换代。近年来，出现了一批基于PC机的虚拟的信号分析仪，这些分析仪器的硬件借助在科研及大专院校都很普及的微型计算机，软
12、件依赖于用户的自行编程【1】。这样，即提高了微机的利用率，又可以使得信号分析仪的功能能够和用户要求相匹配。在这个基础上，又出现了一批高速专用数字信号处理芯片（DSP），如TM320C30每秒可完成3300万次浮点运算。DSP芯片的出现，为通用计算机为主体的智能信号分析仪的产生和发展奠定了基础。智能仪器分析功能由软件设定，可以不断的升级换代，用户也能自行修改，同时还能与人工智能技术和数据库技术能计算机应用技术相结合，使用起来非常方便。1.2 音频信号分析仪的现状 音频是多媒体应用的一种重要媒体。我们能够听见的音频信号的频率范围大约是20Hz-20kHz,其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内
13、，而音乐和其他自然声响是全范围分布的，声音经过模拟设备记录或再生成为模拟音频信号，再经数字化成为数字音频信号，本文所提到的音频分析就是以数字音频信号为分析对象，以数字信号处理的各种理论为分析手段，提取音频在时域、频域内一系列特征的过程【1】。 各种特定频率范围的音频分析有各自不同的应用领域。例如对于300Hz-4kHz之间的语音信号的分析主要应用于语音识别，其用途是确定语音内容或判断说话者的身价。而对于20Hz-20kHz之间的全范围的语音信号分析则可以用来衡量各类音频设备的性能，所谓音频设备就是从将实际的刻录机的状态遥控的声音拾取到将声音播放出来的全部过程中需要用到的各类电子设备，例如话筒、
14、扬声器、和刻录机等【2】。衡量音频设备的主要技术指标有频率响应特性、谐波失真、信噪比、动态范围、互调失真等等。目前市场上已经出现了可用于测量音频设备的各类音频分析仪器,例如失真度分析仪、频谱分析仪、频率计数器、交流电压表、直流电压表、音频示波器等。这些基于各种功能电路的机架式传统分立硬件仪器使用简便,测量精度较高,目前己经获得了广泛的应用。但是经过分析和在工厂中实际调研不难发现,在新的形势下,这些用于音频分析的硬件仪器有许多自身难以克服的固有缺陷,主要表现如下：（1） 功能较为单一，每种仪器都只有少数几种功能,要进行一次完整的测试必须人工整合数种不同的仪器,这显然给使用者带来了一定的困难。（2
15、） 图形显示功能较差。在对音频设备进行音频测试分析时,需要用到大量的曲线图表,传统的硬件仪器虽然能够提供一定的时域波形显示及频谱显示功能,但读数困难图形的可操作性差,难以满足用户的要求。（3） 存储打印功能不强。音频测试中会产生大量测试数据和分析结果，对于这些有价值的数据，传统的硬件仪器难以提供方便的存储功能。（4） 可扩展性差。仪器功能不能灵活增减，用户购置的硬件仪器一旦过时就难以升级，只能购置新的仪器。（5） 价格昂贵。进行一次完整的音频测试及分析至少需要用到高精度音频信号源、交直流电压表、频率计、示波器、失真度测量仪和频谱分析仪等多种硬件仪器，购买整套的测试系统花费极大。 据此有必要寻求一种新的仪器设计技术，这种技术能够针对传统仪器的缺点加以改进。基于FPGA嵌入Nios核的思想，就是在仪器设计领域引入全新的设计理念，采用全新的设计方法使得传统的硬件仪器的固有局限得到完全的克服。1.3 论文研究的内容和意义论文以数字信号处理为理论基础，将详细地阐述音频信号在时域和频域中的分析和评价方法，同时又将其理论
