跨課程電子綜合實驗音頻信號分析儀設計

周立青, 占偉杰,田 震,項進喜

（武漢大學 電子信息學院, 湖北 武漢 430072）

跨課程電子綜合實驗音頻信號分析儀設計

周立青, 占偉杰,田 震,項進喜

（武漢大學 電子信息學院, 湖北 武漢 430072）

基于開展跨課程電子綜合實驗教學的思路,設計了音頻信號分析儀綜合型實驗項目。該實驗項目基于FPGA以及NIOS II軟核處理器,采用快速傅里葉變換方法實現音頻信號頻譜的測量。該系統由前置可控增益放大器、抗混疊濾波器、有效值檢測、測頻以及模數轉換器等主要電路模塊組成,綜合應用了電路技術、微處理器技術、數字信號處理以及控制原理等相關課程內容,開展了跨課程知識綜合設計的嘗試,對提升學生知識綜合、系統設計能力具有直接效果,同時也為后續研究性工作提供基礎,具有非常突出的綜合性、創新性和延續性。

電子綜合實驗； 音頻分析儀； 快速傅里葉變換； 現場可編程門陣列

隨著國家工科基礎課程教學基地、國家級實驗教學示范中心等一系列重大教學平臺建設項目的開展和深入[1-2],電子信息學科教學體系尤其是實驗教學體系得到了重點關注和有力推動[3-4],在實驗教學環境、平臺建設、實驗設備、實驗項目以及實驗教學方法等方面取得了明顯的改善和提高[5-6],電路設計、計算機原理、數字信號處理、通信技術等電子類專業核心課程的實驗項目日漸完善,對培養學生的專業技能方面取得了不錯的效果[7]。隨著對實驗教學重要性的不斷認識,實驗課程的課時或者是學分已經在培養計劃中有明確規定,甚至很多學校建立了大量的獨立學分實驗課程。目前大部分的實驗項目仍然集中在單一課程內部進行,如陸毅等[8]人采用MSP430單片機實現信號波形合成實驗教學,李露等[9]設計了基于Matlab/Simulink的幅度調制與解調綜合實驗,陳波等[10]開展的電磁波傳播特性相關實驗等。這些研究基于某一門課程的知識點進行了有效的總結和嘗試,取得了不錯的效果。在此基礎上,也有部分教學研究將課程內知識點進行綜合、開展綜合實驗,并對綜合實驗的教學模式進行了有效的改進,如黃慧春等[11]在數字系統課程設計精品課程建設中開展的卓有成效的嘗試與改革,任愛鋒[12]等人針對EDA實驗課程進行了深入探討與實踐。如何融合多課程內容,開展電子基礎、處理器技術、信息處理知識以及專業應用相結合的綜合型課程是我們目前本科教學中一個非常緊缺且亟待解決的問題。武漢大學電子綜合實驗課程在總結了電子競賽培訓模式的基礎上,將部分競賽題目進行提煉、修改，并分解到與教學計劃相結合的學期來開展課程組織工作,開展了跨課程、跨學期實驗教學模式的探索與實踐,讓學生按照實際項目需求制訂方案并整合各種課內外知識開展設計,取得了不錯的實際效果[13-15]。音頻信號分析儀實驗從電子競賽項目重新組織而成,內容涵蓋電子線路、單片機、數字電路以及信號處理等專業課程知識,具有典型的電子系統的結構,是開展電子綜合實驗教學的標準模板，在項目基礎上還可以繼續針對語音、振動等具體應用繼續開展數字信號處理、模式識別、數據融合等后續課程知識的學習,甚至開展一些研究性工作,具有非常突出的綜合性、創新性和擴展性。

1 音頻信號分析儀系統結構

音頻信號分析是語音合成與識別等技術的基礎與前提。它采用頻譜分析技術來分析被測信號的頻率、頻譜與波形[16],常用的頻譜分析方法有掃頻法、數字濾波法以及FFT法。本實驗采用傅里葉變換的快速算法FFT來進行頻率分析,從而提取電子信號的頻譜信息特征[17-18]。

整個系統框圖如圖1所示,需要進行分析的音頻信號經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、真有效值檢測電路。A/D將采樣值送給FPGA做FFT運算,并根據運算結果計算功率譜和正弦信號的失真度,通過對輸入信號進行自相關運算判斷信號的周期性。整形后的信號進入FPGA中的測頻模塊測量頻率,測量結果被送入NIOS處理器。有效值檢測的結果也經FPGA送入NIOS處理器中,NIOS據此調整放大器的放大倍數,將信號放大到A/D的最佳采樣范圍,同時計算輸入信號的總功率。單片機將輸入信號的功率譜、周期以及正弦信號的失真度顯示在LCD上。

圖1 系統總體框圖

2 理論分析

2.1 基于時間抽選的FFT算法原理

有限長N點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DFT。由此可知,一個N點的DFT已經分解成了2個N/2點的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,每一蝶形運算需要1次復數乘法,2次復數加法。當N=2L,共有L級蝶形,每級都由N/2個蝶形運算組成,因而有:

圖2 蝶形算法

復乘數:

N

（6）

復加數:

aF=NL=Nlog2N

（7）

可以明顯看出FFT算法的優越性,N越大,FFT的優點越突出。

2.2 周期的判斷方法

相關函數可以用來測定信號間的相似性,周期信號的自相關函數也是周期信號,而且周期與原信號相同。如果2個信號完全不同,相關函數接近于零；如果2個信號波形相同,就會在超前或滯后一個周期處出現峰值,即呈現周期性。自相關函數可用于研究信號本身的同步性、周期性等。所以在本系統中,判斷序列的周期性可以轉換為判斷序列的相關性。

若有一采樣序列{y（n）},設其周期為N,現從中抽取兩段M點的樣本序列{x（m）}和{x（m+i）},其相關函數r[i]為

（8）

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

圖3為原始信號與自相關后的信號波形。

2.3 正弦信號失真度的測量方法

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,只要測出各頻率分量的幅度譜,便可

圖3 自相關運算后信號與原始信號波形

以求得失真度。

2.4 功率譜測量

FFT的運行結果為各次諧波的實部和虛部,設實部為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）

設測得的系統的輸入阻抗為R,則可算得各次諧波的功率為

P（i）=Um（i）2/R

（12）

3 系統方案實現

3.1 前置放大

為獲得足夠信噪比的輸入信號,本系統采用衰減網絡獲取輸入信號。衰減網絡的倍數3～400倍可調。為適應不同輸入幅值,采用繼電器切換反饋電阻切換不同放大倍數。第1級采用TI的高精度通用放大器OPA211進行1倍和10倍切換;第2級同樣采用OPA211繼電器進行1倍和100倍切換;第3級也進行1倍和10倍切換,最終實現多級放大倍數切換。具體電路實現如圖4所示。

圖4 前置放大電路

3.2 抗混淆濾波

為提高信號的信噪比,限制系統截止頻率,本系統加入了一個3階巴特沃斯低通濾波器,具體參數如圖5所示,濾波器截止頻率設置在20 kHz。

3.3 有效值檢測電路

為測量輸入信號的功率,同時便于控制系統增益,本系統采用真有效值檢測芯片AD637進行有效值檢測,信號經過低通濾波器之后進入ADS7813進行模數轉換,檢測電路見圖6。

3.4 頻率測量電路

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

圖5 濾波器

圖6 真有效值檢測

圖7 頻率測量

3.5 A/D采樣

為滿足本系統寬電壓范圍與高采樣率的要求,選用TI的16位高速模數轉換器ADS8505,該芯片能進行正負10 V采樣,采樣率最高可達250千次/秒,采樣電路見圖8。

4 系統軟件設計

本系統軟件主要在FPGA和NIOSII軟核中完成,FPGA中主要完成A/D時序驅動,實現A/D采樣率的精確控制,以及利用雙口RAM模塊實現A/D采樣與軟件數據獲取之間的速度匹配。在NIOSII軟核中利用UCOSII多任務編程,實現FFT變換算法、人機交互界面、FFT頻譜繪制以及功率、失真度、周期性等指標的實現,軟件流程見圖9。

圖8 A/D采樣電路

圖9 系統軟件流程圖

5 測試數據與分析

5.1 輸入信號動態范圍測試

由函數發生器產生單一頻率（f=1 kHz）的正弦信號,改變信號幅值。檢測系統能夠測量信號的幅度范圍,信號功率的實際值由輸入的電壓值和系統的輸入阻抗進行計算,測量值由FFT頻譜計算所得,測試結果見圖10。通過比較測量誤差可見,在整個電壓輸入范圍內,測量誤差保持在2%范圍內且沒有明顯差異,具有良好的穩定性。

圖10 功率測量數據

5.2 輸入信號頻率范圍測試數據（分辨力20 Hz）

由安捷倫信號源輸入20 Hz～10 kHz的標準信號,測試結果表明,在整過測量頻段內頻率的實測值與標準值之間誤差保持在1 Hz以內。

6 結論

本實驗項目基于FPGA和NIOS II軟核處理器,采用快速傅里葉變換方法實現音頻信號頻譜的測量。系統由前置可控增益放大器、抗混疊濾波器、真有效值檢測、測頻以及模數轉換器等主要電路模塊組成,綜合應用了電路技術、微處理器技術以及數字信號處理和控制原理等相關知識,開展了跨課程知識綜合設計的嘗試,對學生綜合應用專業知識開展設計、提升知識綜合、系統設計能力具有直接效果,同時也為繼續開展數字信號處理、模式識別、數據融合等后續課程知識的學習甚至開展研究性工作提供了基礎,具有非常突出的綜合性、創新性和延續性。

致謝:本實驗項目是在武漢大學實驗室與設備管理處“實驗教學開放實驗”項目的支持下完成的,感謝武漢大學實驗室與設備管理處在課程建設與實驗項目開發中給予的經費與設備支持。

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[1] 石光明,王松林,周佳社,等. 電工電子實驗教學示范中心的建設與實踐[J]. 中國大學教學,2007（4）:28-30.

[2] 胡仁杰,王成華,堵國樑,等. 自主研學的電工電子實踐課程建設[J]. 中國大學教學,2014（6）:60-63,41.

[3] 王香婷,李明. 國家級電工電子實驗教學示范中心的建設與實踐[J]. 實驗技術與管理,2012,29（10）:126-128.

[4] 郭濤,曾興雯,孫肖子,等. 論高校開展實踐創新活動的重要意義[J]. 西安電子科技大學學報:社會科學版,2010（2）:107-110.

[5] 傅豐林,楊清海. 斯坦福大學和麻省理工學院電子電氣類課程設置改革對我國高等教育的啟示[C]//電子高等教育學會2008年學術年會論文集.2008:4.

[6] 王成華,胡仁杰. 深化電工電子基礎課程教學改革 提升學生實踐創新能力[J]. 中國大學教學,2012（9）:52-54.

[7] 閆衛利,石光明,孫肖子,等. 電工電子實驗中心開放式實驗室管理模式[J]. 高校實驗室工作研究,2008（2）:56-58.

[8] 陸毅,劉曉杰,張貴祥,等. 基于MSP430的信號波形合成實驗設計[J]. 實驗室研究與探索,2013，32（6）:267-270.

[9] 李露,史振威,周付根. 基于Matlab/Simulink的幅度調制與解調綜合實驗設計[J]. 實驗室研究與探索,2011,30（1）:96-99,193.

[10] 陳波,楊德強,潘錦. 電磁波傳播特性創新實驗設計[J]. 實驗室研究與探索,2009,28（4）:190-191,221.

[11] 黃慧春,胡仁杰. “數字系統課程設計”精品課程建設[J]. 實驗室研究與探索,2011,30（12）:143-145.

[12] 任愛鋒,白月明,姚若玉. EDA實驗課程深入改革的教學與實踐[J]. 高校實驗室工作研究,2014（1）:6-8.

[13] 周立青,胡爽,瞿修遠,等. 心音采集電子綜合實驗項目設計與實現 [J]. 實驗室研究與探索,2015,34（2）:155-159.

[14] 周立青,常家超,何煒,等. 基于超聲計數的智能交通燈控制系統[J]. 實驗室研究與探索,2011,30（9）:63-66,82.

[15] 王琦,陳小橋,周立青. 大眾化高等教育階段的電子信息類精英人才培養模式探索[J]. 武漢大學學報:理學版,2012,58（增刊2）:13-16.

[16] Kang J,She F,Jie P,et al. Audio testing technology research[C]//Electronic Measurement & Instruments （ICEMI）.2011 10th International Conference on IEEE,2011:24-28.

[17] Chew L W,Seng K P,Ang L M,et al. Audio-emotion recognition system using parallel classifiers and audio feature analyzer[C]//Computational Intelligence,Modelling and Simulation （CIMSiM）.2011 Third International Conference on IEEE,2011:210-215.

[18] Purwacandra P P,Wibowo F W. An android-based uncertainty digital audio representation for frequency analyzer[C]//Uncertainty Reasoning and Knowledge Engineering （URKE）.2012 2nd International Conference on IEEE,2012:95-98.

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

武漢大學設備處“實驗教學開放實驗”項目（610400011）

周立青（1981—），男，江蘇淮安，博士，實驗師，武漢大學電子信息學院實驗中心副主任，主要研究方向為高速信號采集與處理.

E-mail：zlq@whu.edu.cn

TP273;G642.0

A

1002-4956（2015）5- 0081- 05