跨課程電子綜合實(shí)驗(yàn)音頻信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)

周立青, 占偉杰,田 震,項(xiàng)進(jìn)喜

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院, 湖北 武漢 430072）

跨課程電子綜合實(shí)驗(yàn)音頻信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)

周立青, 占偉杰,田 震,項(xiàng)進(jìn)喜

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院, 湖北 武漢 430072）

基于開展跨課程電子綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路,設(shè)計(jì)了音頻信號(hào)分析儀綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于FPGA以及NIOS II軟核處理器,采用快速傅里葉變換方法實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)頻譜的測(cè)量。該系統(tǒng)由前置可控增益放大器、抗混疊濾波器、有效值檢測(cè)、測(cè)頻以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器等主要電路模塊組成,綜合應(yīng)用了電路技術(shù)、微處理器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理以及控制原理等相關(guān)課程內(nèi)容,開展了跨課程知識(shí)綜合設(shè)計(jì)的嘗試,對(duì)提升學(xué)生知識(shí)綜合、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力具有直接效果,同時(shí)也為后續(xù)研究性工作提供基礎(chǔ),具有非常突出的綜合性、創(chuàng)新性和延續(xù)性。

電子綜合實(shí)驗(yàn)； 音頻分析儀； 快速傅里葉變換； 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

隨著國(guó)家工科基礎(chǔ)課程教學(xué)基地、國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心等一系列重大教學(xué)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目的開展和深入[1-2],電子信息學(xué)科教學(xué)體系尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系得到了重點(diǎn)關(guān)注和有力推動(dòng)[3-4],在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境、平臺(tái)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法等方面取得了明顯的改善和提高[5-6],電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)原理、數(shù)字信號(hào)處理、通信技術(shù)等電子類專業(yè)核心課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目日漸完善,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能方面取得了不錯(cuò)的效果[7]。隨著對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)重要性的不斷認(rèn)識(shí),實(shí)驗(yàn)課程的課時(shí)或者是學(xué)分已經(jīng)在培養(yǎng)計(jì)劃中有明確規(guī)定,甚至很多學(xué)校建立了大量的獨(dú)立學(xué)分實(shí)驗(yàn)課程。目前大部分的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仍然集中在單一課程內(nèi)部進(jìn)行,如陸毅等[8]人采用MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)教學(xué),李露等[9]設(shè)計(jì)了基于Matlab/Simulink的幅度調(diào)制與解調(diào)綜合實(shí)驗(yàn),陳波等[10]開展的電磁波傳播特性相關(guān)實(shí)驗(yàn)等。這些研究基于某一門課程的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了有效的總結(jié)和嘗試,取得了不錯(cuò)的效果。在此基礎(chǔ)上,也有部分教學(xué)研究將課程內(nèi)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合、開展綜合實(shí)驗(yàn),并對(duì)綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式進(jìn)行了有效的改進(jìn),如黃慧春等[11]在數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)精品課程建設(shè)中開展的卓有成效的嘗試與改革,任愛鋒[12]等人針對(duì)EDA實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了深入探討與實(shí)踐。如何融合多課程內(nèi)容,開展電子基礎(chǔ)、處理器技術(shù)、信息處理知識(shí)以及專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的綜合型課程是我們目前本科教學(xué)中一個(gè)非常緊缺且亟待解決的問題。武漢大學(xué)電子綜合實(shí)驗(yàn)課程在總結(jié)了電子競(jìng)賽培訓(xùn)模式的基礎(chǔ)上,將部分競(jìng)賽題目進(jìn)行提煉、修改，并分解到與教學(xué)計(jì)劃相結(jié)合的學(xué)期來開展課程組織工作,開展了跨課程、跨學(xué)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐,讓學(xué)生按照實(shí)際項(xiàng)目需求制訂方案并整合各種課內(nèi)外知識(shí)開展設(shè)計(jì),取得了不錯(cuò)的實(shí)際效果[13-15]。音頻信號(hào)分析儀實(shí)驗(yàn)從電子競(jìng)賽項(xiàng)目重新組織而成,內(nèi)容涵蓋電子線路、單片機(jī)、數(shù)字電路以及信號(hào)處理等專業(yè)課程知識(shí),具有典型的電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),是開展電子綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模板，在項(xiàng)目基礎(chǔ)上還可以繼續(xù)針對(duì)語音、振動(dòng)等具體應(yīng)用繼續(xù)開展數(shù)字信號(hào)處理、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)融合等后續(xù)課程知識(shí)的學(xué)習(xí),甚至開展一些研究性工作,具有非常突出的綜合性、創(chuàng)新性和擴(kuò)展性。

1 音頻信號(hào)分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

音頻信號(hào)分析是語音合成與識(shí)別等技術(shù)的基礎(chǔ)與前提。它采用頻譜分析技術(shù)來分析被測(cè)信號(hào)的頻率、頻譜與波形[16],常用的頻譜分析方法有掃頻法、數(shù)字濾波法以及FFT法。本實(shí)驗(yàn)采用傅里葉變換的快速算法FFT來進(jìn)行頻率分析,從而提取電子信號(hào)的頻譜信息特征[17-18]。

整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示,需要進(jìn)行分析的音頻信號(hào)經(jīng)可控增益放大器放大到合適的范圍,然后分別送入A/D采樣電路、比較器整形電路、真有效值檢測(cè)電路。A/D將采樣值送給FPGA做FFT運(yùn)算,并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果計(jì)算功率譜和正弦信號(hào)的失真度,通過對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算判斷信號(hào)的周期性。整形后的信號(hào)進(jìn)入FPGA中的測(cè)頻模塊測(cè)量頻率,測(cè)量結(jié)果被送入NIOS處理器。有效值檢測(cè)的結(jié)果也經(jīng)FPGA送入NIOS處理器中,NIOS據(jù)此調(diào)整放大器的放大倍數(shù),將信號(hào)放大到A/D的最佳采樣范圍,同時(shí)計(jì)算輸入信號(hào)的總功率。單片機(jī)將輸入信號(hào)的功率譜、周期以及正弦信號(hào)的失真度顯示在LCD上。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 理論分析

2.1 基于時(shí)間抽選的FFT算法原理

有限長(zhǎng)N點(diǎn)序列的離散傅里葉變換（DFT）定義為

（1）

將N=2L的序列x（n）,（n=1,2,…,N-1） 先按n的奇偶分成如下2組:

（2）

故可將DFT化為

（3）

式中,X1（k） 和X2（k） 分別是x1（r） 和x2（r） 的N/2點(diǎn)DFT。由此可知,一個(gè)N點(diǎn)的DFT已經(jīng)分解成了2個(gè)N/2點(diǎn)的DFT。

由周期性可得到,前半部分:

（4）

后半部分:

（5）

蝶形表示見圖2。可看出,每一蝶形運(yùn)算需要1次復(fù)數(shù)乘法,2次復(fù)數(shù)加法。當(dāng)N=2L,共有L級(jí)蝶形,每級(jí)都由N/2個(gè)蝶形運(yùn)算組成,因而有:

圖2 蝶形算法

復(fù)乘數(shù):

N

（6）

復(fù)加數(shù):

aF=NL=Nlog2N

（7）

可以明顯看出FFT算法的優(yōu)越性,N越大,FFT的優(yōu)點(diǎn)越突出。

2.2 周期的判斷方法

相關(guān)函數(shù)可以用來測(cè)定信號(hào)間的相似性,周期信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)也是周期信號(hào),而且周期與原信號(hào)相同。如果2個(gè)信號(hào)完全不同,相關(guān)函數(shù)接近于零；如果2個(gè)信號(hào)波形相同,就會(huì)在超前或滯后一個(gè)周期處出現(xiàn)峰值,即呈現(xiàn)周期性。自相關(guān)函數(shù)可用于研究信號(hào)本身的同步性、周期性等。所以在本系統(tǒng)中,判斷序列的周期性可以轉(zhuǎn)換為判斷序列的相關(guān)性。

若有一采樣序列{y（n）},設(shè)其周期為N,現(xiàn)從中抽取兩段M點(diǎn)的樣本序列{x（m）}和{x（m+i）},其相關(guān)函數(shù)r[i]為

（8）

當(dāng)i=0時(shí),序列r[i]取得最大值r[0],即序列{x（m）}的自相關(guān)函數(shù)；若當(dāng)i=i0時(shí),r[i0]=r[0],則可以認(rèn)為序列{y（n）}為周期序列,且周期為i0；若當(dāng)i≠0時(shí),r[i]≠r[0],則可認(rèn)為序列{y（n）}為非周期序列。M值取值越大判斷的準(zhǔn)確性越高。

圖3為原始信號(hào)與自相關(guān)后的信號(hào)波形。

2.3 正弦信號(hào)失真度的測(cè)量方法

失真度D定義為

（9）

式中，U1為主頻幅值，U2和U3分別為一次頻和二次頻的幅值。因此,只要測(cè)出各頻率分量的幅度譜,便可

圖3 自相關(guān)運(yùn)算后信號(hào)與原始信號(hào)波形

以求得失真度。

2.4 功率譜測(cè)量

FFT的運(yùn)行結(jié)果為各次諧波的實(shí)部和虛部,設(shè)實(shí)部為Re（i）,虛部為Im（i）,諧波的幅值為Am（i）,則:

（10）

由此算得各次諧波的有效值為

（11）

設(shè)測(cè)得的系統(tǒng)的輸入阻抗為R,則可算得各次諧波的功率為

P（i）=Um（i）2/R

（12）

3 系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)

3.1 前置放大

為獲得足夠信噪比的輸入信號(hào),本系統(tǒng)采用衰減網(wǎng)絡(luò)獲取輸入信號(hào)。衰減網(wǎng)絡(luò)的倍數(shù)3～400倍可調(diào)。為適應(yīng)不同輸入幅值,采用繼電器切換反饋電阻切換不同放大倍數(shù)。第1級(jí)采用TI的高精度通用放大器OPA211進(jìn)行1倍和10倍切換;第2級(jí)同樣采用OPA211繼電器進(jìn)行1倍和100倍切換;第3級(jí)也進(jìn)行1倍和10倍切換,最終實(shí)現(xiàn)多級(jí)放大倍數(shù)切換。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 前置放大電路

3.2 抗混淆濾波

為提高信號(hào)的信噪比,限制系統(tǒng)截止頻率,本系統(tǒng)加入了一個(gè)3階巴特沃斯低通濾波器,具體參數(shù)如圖5所示,濾波器截止頻率設(shè)置在20 kHz。

3.3 有效值檢測(cè)電路

為測(cè)量輸入信號(hào)的功率,同時(shí)便于控制系統(tǒng)增益,本系統(tǒng)采用真有效值檢測(cè)芯片AD637進(jìn)行有效值檢測(cè),信號(hào)經(jīng)過低通濾波器之后進(jìn)入ADS7813進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,檢測(cè)電路見圖6。

3.4 頻率測(cè)量電路

頻譜分析儀中,頻率測(cè)量電路（見圖7）是非常重要的一個(gè)子模塊。采用寬帶低噪放大器OPA604進(jìn)行80倍飽和放大,利用高速比較器TLV3501進(jìn)行比較轉(zhuǎn)換,獲得高質(zhì)量方波,輸入FPGA中進(jìn)行等精度測(cè)量。

圖5 濾波器

圖6 真有效值檢測(cè)

圖7 頻率測(cè)量

3.5 A/D采樣

為滿足本系統(tǒng)寬電壓范圍與高采樣率的要求,選用TI的16位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8505,該芯片能進(jìn)行正負(fù)10 V采樣,采樣率最高可達(dá)250千次/秒,采樣電路見圖8。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件主要在FPGA和NIOSII軟核中完成,FPGA中主要完成A/D時(shí)序驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)A/D采樣率的精確控制,以及利用雙口RAM模塊實(shí)現(xiàn)A/D采樣與軟件數(shù)據(jù)獲取之間的速度匹配。在NIOSII軟核中利用UCOSII多任務(wù)編程,實(shí)現(xiàn)FFT變換算法、人機(jī)交互界面、FFT頻譜繪制以及功率、失真度、周期性等指標(biāo)的實(shí)現(xiàn),軟件流程見圖9。

圖8 A/D采樣電路

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

5 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

5.1 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（f=1 kHz）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,信號(hào)功率的實(shí)際值由輸入的電壓值和系統(tǒng)的輸入阻抗進(jìn)行計(jì)算,測(cè)量值由FFT頻譜計(jì)算所得,測(cè)試結(jié)果見圖10。通過比較測(cè)量誤差可見,在整個(gè)電壓輸入范圍內(nèi),測(cè)量誤差保持在2%范圍內(nèi)且沒有明顯差異,具有良好的穩(wěn)定性。

圖10 功率測(cè)量數(shù)據(jù)

5.2 輸入信號(hào)頻率范圍測(cè)試數(shù)據(jù)（分辨力20 Hz）

由安捷倫信號(hào)源輸入20 Hz～10 kHz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),測(cè)試結(jié)果表明,在整過測(cè)量頻段內(nèi)頻率的實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值之間誤差保持在1 Hz以內(nèi)。

6 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基于FPGA和NIOS II軟核處理器,采用快速傅里葉變換方法實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)頻譜的測(cè)量。系統(tǒng)由前置可控增益放大器、抗混疊濾波器、真有效值檢測(cè)、測(cè)頻以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器等主要電路模塊組成,綜合應(yīng)用了電路技術(shù)、微處理器技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)處理和控制原理等相關(guān)知識(shí),開展了跨課程知識(shí)綜合設(shè)計(jì)的嘗試,對(duì)學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)開展設(shè)計(jì)、提升知識(shí)綜合、系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力具有直接效果,同時(shí)也為繼續(xù)開展數(shù)字信號(hào)處理、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)融合等后續(xù)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)甚至開展研究性工作提供了基礎(chǔ),具有非常突出的綜合性、創(chuàng)新性和延續(xù)性。

致謝:本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是在武漢大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處“實(shí)驗(yàn)教學(xué)開放實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目的支持下完成的,感謝武漢大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處在課程建設(shè)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)中給予的經(jīng)費(fèi)與設(shè)備支持。

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Inter-curriculum integrated electronic experimental design of audio signal analyzer

Zhou Liqing, Zhan Weijie, Tian Zhen, Xiang Jinxi

（School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430072,China）

An audio signal analyzer is designed as a demonstration comprehensive teaching project for the inter-curriculum integrated electronic system design. The Fast Fourier Transform （FFT） algorithm implemented in FPGA and NIOSII is adopted to measure the spectrum of audio signal. The introduced analyzer mainly consists of forefront variable-gain amplifier,anti-aliasing filter,true RMS detection,frequency measurement and A/D converter. Furthermore, the related knowledge from several curriculums including Electronic Circuit Technology, Microprocessor Technology, Digital Signal Processing and Control Theory are comprehensively utilized to conduct the tentative attempt for integrated design,which is directly beneficial to enhancing the ability to design the synthesized system with inter-curriculum knowledge and give rise to further study work. Consequently,the introduced teaching project has been proved to be of remarkable comprehensiveness,innovation and continuity.

integrated electronic experiment; audio signal analyzer; FFT; FPGA

2015- 05- 09

武漢大學(xué)設(shè)備處“實(shí)驗(yàn)教學(xué)開放實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目（610400011）

周立青（1981—），男，江蘇淮安，博士，實(shí)驗(yàn)師，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心副主任，主要研究方向?yàn)楦咚傩盘?hào)采集與處理.

E-mail：zlq@whu.edu.cn

TP273;G642.0

A

1002-4956（2015）5- 0081- 05