基于DSP的嵌入式实时数字信号分析系统

2010-04-11杨静竹

制造业自动化 2010年10期

关键词：数字信号周期性嵌入式

杨静竹，熊迪，瞿涛

YANG Jing-zhu, XIONG Di, QU Tao

（武汉大学电子信息学院，武汉 430079）

基于DSP的嵌入式实时数字信号分析系统

The embedded real-time digital signal analysis system based on DSP

杨静竹，熊迪，瞿涛

YANG Jing-zhu, XIONG Di, QU Tao

（武汉大学电子信息学院，武汉 430079）

嵌入式实时数字信号分析系统根据离散时间傅里叶变换原理，针对实时数字信号进行测量和分析。系统以TI公司的嵌入式DSP处理器TMS320F2812为控制核心，Altera公司的现场可编程逻辑器件（FPGA)EP2C35F672C8为处理核心，由信号调理电路，带通滤波器，模数转换器（A/D)等电路组成。其中，信号调理电路由高精度运放搭建，模数转换器采用TI公司的立体声音频编码解码芯片PCM3010，数字信号的采集，计算由DSP完成。整个系统的输入信号峰峰值范围为10µV～20V，可以测量并显示人类在20Hz～20kHz全频段听力范围的频谱，功率谱，周期性等参数，功能强大，成本低廉。

FFT；语音信号；功率；周期性

0 引言

随着国民经济的不断发展，音频信号的分析和处理技术被广泛的运用于生活的各个角落，在科学研究和市场应用方面，对于语音信号的处理精度要求越来越高，功能要求越来越多。目前，大多数音频信号处理仪不但体积大而且价格贵，在一些特殊方面难以普及使用，而嵌入式系统分析仪具有小巧可靠的特点，所以开发基于DSP的嵌入式音频分析仪具有很好的现实意义，用有广阔的市场空间。

1 系统的工作原理

本音频信号分析系统由阻抗变换电路、程控放大电路A、B、C、D，模拟通道、带通滤波器、真有效值检波电路，频率测量电路、A/D、DSP及FPGA组成，总体框图如图1所示。系统在工作时，输入信号先经过阻抗变换电路，由4条程控放大支路对信号进行不同倍数的放大，DSP通过模拟通道选择合适的放大信号，送入20Hz～10KHz的带通滤波器滤波，再由真有效值检波电路，频率测量电路分别测出信号有效值，频率；同时控制A/D对信号采样，采样数据存入EP2C35F672C8的片上RAM中，由TMS320F2812读取采集的数据，首先算出信号频谱，再根据信号功率的定义算出功率谱，以及周期性，失真度等参数，最后将信号的频谱等参数在LCD上显示[1]。

图1 系统框图

2 系统主要硬件的设计

2.1 程控放大电路设计及计算

程控放大电路将不同幅度的输入信号进行处理，使之成为适合A/D采样的信号。后级A/D采用TI公司的PCM3010，其最大输入电压为3Vp-p；实际测量中，PCM3010在输入信号峰峰值在25mV～2.5V的范围内效果最好，综上，我们将程控放大电路分为4条放大支路，其具体的信号输入幅度与增益的关系如表1所示。

表1 输入信号与增益倍数关系

2.2 模数转换电路（A/D）

模数转换器采用TI公司的立体声音频编码解码芯片PCM3010，它的输入电压范围为3Vp-p，内部有一个最高采样率为96kHz的24-Bit A/D，且片上集成了一个截止频率为0.84Hz的高通滤波器（fs=44.1kHz）。我们使用其中一个声道对信号采样，经测试，PCM3010在25mV～2.5V内采样效果最好，精度很高。其原理图如图2所示。

图2 模数转换器原理图

3 系统算法与软件设计

3.1 软件整体思想与风格

TMS320C2000 系列是美国 TI公司推出的最佳测控应用的定点 DSP 芯片，而TMS320F2812 系列是 TI 公司最新推出的 DSP 芯片，是目前国际市场上最先进、功能最强大的 32 位定点 DSP 芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。本系统的算法主要在该芯片上实现[2]。

FPGA采用Altera公司的Cyclone II系列的EP2C35F672C8， Cyclone II FPGA从根本上针对低成本进行设计，并以低于ASIC的成本实现了高性能和低功耗。Cyclone II 器件提供针对各种用户定制的FPGA特性，其密度分布范围广，含有丰富的存储器和嵌入式乘法器，并提供多种封装选择。Cyclone II 器件还支持常见的各种外部存储器接口和I/O协议，综上，EP2C35F672C8很适合本系统的设计[3]。

3.2 功率、失真度计算方法

设v(t)为信号的瞬时电压值，在[0,t]时间内，阻抗R上消耗的能量：

若A/D以采样率fs抽样电压值，每两次采样值之间的时间间隔为：

在N∆t的时间内，总能量：

根据帕斯瓦尔定理：

式中Po为总功率，Pk为序列基波频率的功率。在实际测量中，信号总功率测量可以由AD637真有效值检波电路实现，基波频率的功率可以通过FFT求出，再代入公式就得到失真度[4]。

3.3 周期性计算方法

相关函数可以用来测定信号间的相似性，周期信号的自相关函数也是周期信号，而且周期与原信号相同。如果两个信号完全不同，相关函数接近于零；如果两个信号波形相同，就会在超前或滞后一个周期处出现峰值，即呈现周期性。所以在本系统中，判断序列的周期性可以转换为判断序列的相关性。

若有一采样序列{y(n)}，设其周期为N，现从中抽取两段M点的样本序列{x(m)}和{x(m+i)}，其相关函数r[i]为：

当i＝0时，序列r[i]取得最大值r[0]，即序列{x(m)}的自相关函数；若当i＝i0时，r[i0]＝r[0]，则可以认为序列{y(n)}为周期序列，且周期为i0；若当i≠0时，r[i]≠r[0]，则可认为序列{y(n)}为非周期序列。实际计算中，周期信号数据受到干扰产生失真，计算出的周期可能是该信号最小周期的整数倍。