楊靜竹，熊 迪，瞿 濤

YANG Jing-zhu, XIONG Di, QU Tao

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430079）

基于DSP的嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)分析系統(tǒng)

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

楊靜竹，熊 迪，瞿 濤

YANG Jing-zhu, XIONG Di, QU Tao

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430079）

嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)分析系統(tǒng)根據(jù)離散時(shí)間傅里葉變換原理，針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和分析。系統(tǒng)以TI公司的嵌入式DSP處理器TMS320F2812為控制核心，Altera公司的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA)EP2C35F672C8為處理核心，由信號(hào)調(diào)理電路，帶通濾波器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D)等電路組成。其中，信號(hào)調(diào)理電路由高精度運(yùn)放搭建，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用TI公司的立體聲音頻編碼解碼芯片PCM3010，數(shù)字信號(hào)的采集，計(jì)算由DSP完成。整個(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)峰峰值范圍為10μV～20V，可以測(cè)量并顯示人類在20Hz～20kHz全頻段聽(tīng)力范圍的頻譜，功率譜，周期性等參數(shù)，功能強(qiáng)大，成本低廉。

FFT；語(yǔ)音信號(hào)；功率；周期性

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，音頻信號(hào)的分析和處理技術(shù)被廣泛的運(yùn)用于生活的各個(gè)角落，在科學(xué)研究和市場(chǎng)應(yīng)用方面，對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)的處理精度要求越來(lái)越高，功能要求越來(lái)越多。目前，大多數(shù)音頻信號(hào)處理儀不但體積大而且價(jià)格貴，在一些特殊方面難以普及使用，而嵌入式系統(tǒng)分析儀具有小巧可靠的特點(diǎn)，所以開(kāi)發(fā)基于DSP的嵌入式音頻分析儀具有很好的現(xiàn)實(shí)意義，用有廣闊的市場(chǎng)空間。

1 系統(tǒng)的工作原理

本音頻信號(hào)分析系統(tǒng)由阻抗變換電路、程控放大電路A、B、C、D，模擬通道、帶通濾波器、真有效值檢波電路，頻率測(cè)量電路、A/D、DSP及FPGA組成，總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)在工作時(shí)，輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)阻抗變換電路，由4條程控放大支路對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同倍數(shù)的放大，DSP通過(guò)模擬通道選擇合適的放大信號(hào)，送入20Hz～10KHz的帶通濾波器濾波，再由真有效值檢波電路，頻率測(cè)量電路分別測(cè)出信號(hào)有效值，頻率；同時(shí)控制A/D對(duì)信號(hào)采樣，采樣數(shù)據(jù)存入EP2C35F672C8的片上RAM中，由TMS320F2812讀取采集的數(shù)據(jù)，首先算出信號(hào)頻譜，再根據(jù)信號(hào)功率的定義算出功率譜，以及周期性，失真度等參數(shù)，最后將信號(hào)的頻譜等參數(shù)在LCD上顯示[1]。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)主要硬件的設(shè)計(jì)

2.1 程控放大電路設(shè)計(jì)及計(jì)算

程控放大電路將不同幅度的輸入信號(hào)進(jìn)行處理，使之成為適合A/D采樣的信號(hào)。后級(jí)A/D采用TI公司的PCM3010，其最大輸入電壓為3Vp-p；實(shí)際測(cè)量中，PCM3010在輸入信號(hào)峰峰值在25mV～2.5V的范圍內(nèi)效果最好，綜上，我們將程控放大電路分為4條放大支路，其具體的信號(hào)輸入幅度與增益的關(guān)系如表1所示。

表1 輸入信號(hào)與增益倍數(shù)關(guān)系

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）

模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用TI公司的立體聲音頻編碼解碼芯片PCM3010，它的輸入電壓范圍為3Vp-p，內(nèi)部有一個(gè)最高采樣率為96kHz的24-Bit A/D，且片上集成了一個(gè)截止頻率為0.84Hz的高通濾波器（fs=44.1kHz）。我們使用其中一個(gè)聲道對(duì)信號(hào)采樣，經(jīng)測(cè)試，PCM3010在25mV～2.5V內(nèi)采樣效果最好，精度很高。其原理圖如圖2所示。

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理圖

3 系統(tǒng)算法與軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體思想與風(fēng)格

TMS320C2000 系列是美國(guó) TI公司推出的最佳測(cè)控應(yīng)用的定點(diǎn) DSP 芯片，而TMS320F2812 系列是 TI 公司最新推出的 DSP 芯片，是目前國(guó)際市場(chǎng)上最先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的 32 位定點(diǎn) DSP 芯片。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合，如電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機(jī)、馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等。本系統(tǒng)的算法主要在該芯片上實(shí)現(xiàn)[2]。

FPGA采用Altera公司的Cyclone II系列的EP2C35F672C8， Cyclone II FPGA從根本上針對(duì)低成本進(jìn)行設(shè)計(jì)，并以低于ASIC的成本實(shí)現(xiàn)了高性能和低功耗。Cyclone II 器件提供針對(duì)各種用戶定制的FPGA特性，其密度分布范圍廣，含有豐富的存儲(chǔ)器和嵌入式乘法器，并提供多種封裝選擇。Cyclone II 器件還支持常見(jiàn)的各種外部存儲(chǔ)器接口和I/O協(xié)議，綜上，EP2C35F672C8很適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[3]。

3.2 功率、失真度計(jì)算方法

設(shè)v(t)為信號(hào)的瞬時(shí)電壓值，在[0,t]時(shí)間內(nèi)，阻抗R上消耗的能量：

若A/D以采樣率fs抽樣電壓值，每?jī)纱尾蓸又抵g的時(shí)間間隔為：

在N?t的時(shí)間內(nèi)，總能量：

根據(jù)帕斯瓦爾定理：

式中Po為總功率，Pk為序列基波頻率的功率。在實(shí)際測(cè)量中，信號(hào)總功率測(cè)量可以由AD637真有效值檢波電路實(shí)現(xiàn)，基波頻率的功率可以通過(guò)FFT求出，再代入公式就得到失真度[4]。

3.3 周期性計(jì)算方法

相關(guān)函數(shù)可以用來(lái)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。如果兩個(gè)信號(hào)完全不同，相關(guān)函數(shù)接近于零；如果兩個(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。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：

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。實(shí)際計(jì)算中，周期信號(hào)數(shù)據(jù)受到干擾產(chǎn)生失真，計(jì)算出的周期可能是該信號(hào)最小周期的整數(shù)倍。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

4.1 使用儀器及型號(hào)

聯(lián)想電腦：AMD Triple-Core Processor 2.10GHz CPU，1.87GB內(nèi)存

60M數(shù)字存儲(chǔ)示波器：型號(hào)Tektronix TDS 1002

數(shù)字信號(hào)源：型號(hào)Agilent 33120A；SG1040數(shù)字信號(hào)發(fā)生器

萬(wàn)用表：型號(hào)FLUKE17B

4.2 主要測(cè)試結(jié)果

輸入信號(hào)為1VP-P，頻率為1kHz時(shí)頻譜如圖3所示。失真度為η=0.065%，周期性t=1.002ms。

圖3 1kHz時(shí)的信號(hào)頻譜

5 結(jié)束語(yǔ)

基于DSP的嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)分析系統(tǒng)通過(guò)DSP與FPGA結(jié)合的方式，能夠?qū)?shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算出頻譜，周期性等相關(guān)參數(shù)，測(cè)量精度高，效果好。并且利用嵌入式設(shè)備所具有的優(yōu)點(diǎn)，使設(shè)備便于攜帶，適用于各種科研及工業(yè)操作現(xiàn)場(chǎng)。該系統(tǒng)在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)空間。

[1] 黃根春.電子設(shè)計(jì)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[2] 蘇奎峰.TMS320F2812原理與開(kāi)發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[3] 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[4] 易克初,田斌,付強(qiáng).語(yǔ)音信號(hào)處理[M]..北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

TH166

A

1009-0134(2010)10(上)-0097-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).31

2010-02-03

楊靜竹（1988 -），女，湖南花垣人，本科在讀，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ填悺?/p>