便携式音频信号分析仪的设计浅谈
2016-03-12李忆燕
李忆燕
(国家新闻出版广电总局654台,新疆呼图壁,831200)
便携式音频信号分析仪的设计浅谈
李忆燕
(国家新闻出版广电总局654台,新疆呼图壁,831200)
本文分析的便携式音频信号分析仪的设计过程包括系统设计和软件设计两个方面,采用AduC7026集成混合处理器和FFT技术来进行设计,设计系统经过实验测试后,可以精确的对功率、频谱结构、失真度等音频信号指标进行精确的分析,此系统具有电路简单、稳定性好,性能价格比高等一系列优点,可以供相关便携式音频信号仪设计领域进行参考。
便携式;音频信号分析仪;设计;电子测试
对便携式音频信号分析仪的设计是一个系统的设计过程,音频信号仪的设计是基于集成混合处理器AduC7026以及FFT技术,进行系统设计时采用了增益可编程放大器模拟前端,针对输入信号动态范围大的特点,系统可以满足此要求。进行信号的测量与分析由集成混合处理器AduC7026完成,许多音频信号指标如功率、失真度、频谱结构等都显示在LCD显示器上。系统设计完成后,可以对20-20KHZ音频范围内的信号的指标如功率、频谱结构、失真度等进行测量。
在音频信号分析领域一般都采用FFT技术,在客户处理器上进行编程,运用C语言、Matlab等编写程序来处理音频信号,但是这样做无法做到便携式。如果用DSP芯片来设计音频信号分析仪,可以提高音频信号分析仪的性能,并且可以实现仪器的便携式,但是DSP芯片对开发环境和开发技术的要求较高,也使此芯片在音频分析仪领域应用受到限制。提高音频信号分析性能和实现便携式,最好的选择是嵌入式的处理器。下面对便携式音频信号分析仪的具体设计过程进行介绍。
1 系统设计
根据奈奎斯特音频信号采样原理,要完集的采集和分析20KHZ的信号,采样的频率要达到2*20KHZ,也就是音频信号的2倍。根据相关的信号处理理论,达到20HZ的音频分辨率,如果采样频率是2*20KHZ,则需要进行1024点的FFT运算。根据设计的系统构成图,可以看出对数据进行控制和处理的核心是AduC7026型混合信号处理器,系统由信号放大电路、采样电路、信号处理装置、数据输入装置(键盘)和LCD显示器等组成,其中信号放大电路是由CS3310芯片构成的,此芯片可以进行编程操作,是一款高保真的音响芯片,调节放大器的增益是通过对音频信号的大小进行调节来实现的,这样可以满足输的音频动态信号范围较大的特点。
对音频信号进行一系列的处理,需要采用FFT技术在混合信号处理器AduC7026的平台上实现,AduC7026混合数字处理器是一种模拟微控制器中,具有12位的数据采集系统,此控制器包括45MIPS的ARM7TDMIMCU核、1MSPS的ADC(此模块具有12通道,同时具有12位的数据采集功能)和12位的轨间电压输出DAC,系统内还有容量为62KB的可编程闪存电路和容量为8KB的SRAM。要运用FFT技术进行1024点的运算,要对存储器进行扩展。
采用FFT技术进行运算的运算量较大,考虑到便携式音频信号仪的便携性,所以CPU采用的是32位定点高性能、低功耗的处理器,主频可以达到150MHZ,采样的速率可以达到60ns,可以满足系统的精度和实时性的需要。
在转换电路中采样的输入信号要达到阻抗的要求,所以在转换电路添加了一个音频信号调理电路。如果是一般的信号调理,只要是差动运放电路就可以满足阻抗要求,但是这样的差动运放电路的精密度太差,如果要对差动运放电路放大增益,要对电阻进行调整,影响了系统的放大精确度。所以为了避免以上的缺点采用了低功耗的信号放大器,这样就不用考虑电阻的范围,只要根据相关的公式求取电阻值即可。阻抗匹配后,加一个滤波电路,会使信号转换的效果更好。
对于采样电路,采用高精度的模数转换器可以满足信号转换速度的要求,模数转换器的性能价格比较高,轩换频率可以达到100KHZ。采样模块按照采用间隔值定时对信号调整模块的输出进行周期采用。在使用时要保证转换的采样频率和并口传输速率的设置协调性,保证在下一个采样间隔里处理器可以有足够的时间来读取采用数据。
进行本系统的设计时,对存储器进行了扩展,本系统扩展了32KB的SRAM存储器,通过观察输入信号放大器的电路图可以看出,音频信号是通过电压跟随器来对阻抗进行匹配的。AduC7026混合数字处理器要求ADC转换器的输入模拟电压为2.5V,所以可以采用可编程增益放大器来对输入的音频信号的幅度进行放大,直到达到ADC转换器的转换要求。可编程增益放大器的增益和衰减范围为-95.5-31.5dB,步长是0.5dB,这样可以对大小不同的信号进行放大。系统在运行时对MCU进行采集,可以通过AD536将音频信号转换出直流电压来实现,可以对输入信号的幅度大小进行判断,再对可编程增益放大器进行控制,对音频信号的幅度进行程控放大,这样可以满足ADC的输入要求,从而提高运用FFT技术进行运算的精度。
2 软件设计
系统的主程序包括系统初始化、PGA增益控制、数据采集以及对功率、频谱、失真度等性能指标的计算,系统的流程大体是这样的:启动系统后进行自我校准,检测PGA是否为最佳设置,如果不是重要进行校准,如果是最佳设置就进行数据采集,数据采集完成后进行FFT的运算,并对失真度等指标进行自动运算,最后将运算信息显示在LED显示器上。
需要特别说明的是,如果系统进行上电复位,自我校准是一个关键的环节,主要是对音频信号的幅度进行检测,对PGA参数进行设置,直到最佳状态为止。接下来就是对音频数据进行采集,并对采集到的音频数据进行FFT运算,最终得到需要的音频信号指标。
进行FFT计算是最重要的分析程序,根据采样得到的采样值和频谱取样的谱间距,可以推算得到傅立叶变形的离散公式,公式中有两个重要的参数是时间序列的频谱和蝶形因子。通过计算N点的时域采样值,可以得到N个频谱条,这便是离散傅立叶变换。由于蝶形因子具有对称性和周期性,所以对离散傅立叶变换进行运算改进,可以大大减少计算量。将N点的离散傅立叶变换分解为二分之一N点的DFT,这样2个二分之一N点的离散傅立叶变换的计算量可以减少一半。将这样的分解循环下去,将二分之一N点的离散傅立叶变换分解为四分之一N点的离散傅立叶变换,再就四分之一点的离散傅立叶变换分解为八分之一N点。如此循环反复,如果离散傅立叶变换条件为N=2N,则可以用最小的分解点基数来进行FFT运算,计算量会大大减少,
3 便携式音频信号分析仪设计后的试用结果
实现系统功能后,对计算结果进行分析,音频信号的输入采用信号发生器的正弦信号,输入信号电压的幅值不变,观察在不同的频率情况下,测量的频率误差和电压误差。
通过对测试数据进行分析可以看出,电压幅值的最大相对误差小于0.5%,精度为0.5级,频率的相对误差小于0.4%,精度也在0.5级以上,频率的分辨率也符合设计的要求。
4 小结
本文分析了便携式音频信号分析仪的设计原理,包括硬件设计和软件设计两个部分,本文进行的便携式音频信号分析仪的设计是基于AduC7026混合信号处理器和FFT技术来进行的,对便携式音频信号分析仪进行设计时采用AduC7026混合信号处理器进行FFT运算,由可编程增益放大器来组成模拟前端,这样可以满足音频信号动态范围大的需求,可以精确的分析20HZ-20KHZ音频信号的功率、频谱结构、失真度等音频信号指标。系统经过设计以后进行测试,可以实现较高的智能化水平,性价比也较高,此系统的设计研究希望可以为便携式音频信号分析的设计领域提供参考。
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[4] 张伟杰.基于通用型DSP的前端音频信号的处理方案,电声技术,2006(2):58-60.
The design of portable audio signal analyzer
Li Yiyan
(State Press and Publication Administration of radio and television 654,Hutubi Xinjiang,831200)
Based on the analysis of the portable audio signal analyzer design process includes two aspects of system design and the software design,the AduC7026 integrated hybrid processor and the FFT technique to design and system design after the test,can accurately on the power and spectrum node structure,distortion of audio signal indicators for precise analysis,this system has simple circuit and good stability,performance and price ratio higher a series of merits can for portable audio signal analyzer design reference.
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