音頻信號分析儀9.6.1

1、1音頻信號分析儀音頻信號分析儀摘要：本系統(tǒng)利用時鐘頻率為100Mbps的高速C8051F120單片機作為核心處理器，配合FPGA設(shè)計工具，制作完成本音頻信號分析儀。系統(tǒng)主要由7個模塊組成：信號輸入模塊，程控增益電路模塊，數(shù)字濾波（窗函數(shù)）模塊，信號采集模塊，DFFT運算模塊，頻譜圖顯示模塊和人機接口模塊。前端利用FPGA通過高速高精度的AD對被測信號進行采集，采集后的信號首先由FPGA進行數(shù)字濾波，然后將處理后的數(shù)據(jù)送入到單片機進行離散

2、快速傅里葉變換(DFFT)。由變換后的頻譜可以計算出各頻率分量的幅值最終求出總功率和各頻率分量的功率。同時，經(jīng)單片機處理后的數(shù)據(jù)又被送到FPGA，通過高速DA送示波器顯示各頻率分量的頻譜。本系統(tǒng)通過測試，有電壓測試范圍寬、頻率分辨力高、精度高、誤差小、運行穩(wěn)定和人機界面友好等特點。關(guān)鍵詞：C8051F120；FPGA；音頻信號分析儀；DFFT；窗函數(shù)；頻譜；功率3理論分析與計算2.12.1放大器設(shè)計放大器設(shè)計(1)系統(tǒng)輸入阻抗系統(tǒng)要求輸

3、入阻抗50，本系統(tǒng)選用了高輸入阻抗的OP07精密放大器，在其輸入端并?入一50電阻，通過計算可得出輸入阻抗RIN=。?5050???(2)信號輸入電壓范圍為了擴大信號動態(tài)范圍，提高靈敏度，電路設(shè)計采用PGA103和PGA205級聯(lián)，可使其輸入電壓(峰峰值)范圍從10mV15V。同時，單片機ADC輸出實現(xiàn)自動程控增益可調(diào)。:(3)輸入信號頻率范圍為了擴大信號頻率輸入范圍，降低高頻成份的干攏，電路設(shè)計采用四階低通濾波器，使其截止頻率為10K

4、HZ，可使10KHz以內(nèi)有很好的線性，在超出范圍得到迅速衰減.。同時，為了抑制定點DFFT時出現(xiàn)頻譜泄露，在FPGA內(nèi)部加窗函數(shù)，使其這一現(xiàn)象得到較好的改善，可使輸入信號頻率范圍從20Hz20KHz。:2.22.2功率測量方法功率測量方法對于任意區(qū)間內(nèi)的信號平均功率，表示為式(11)式(11)12lim|[]|21NPxnNxnN????????:上式表明：連續(xù)時間信號的功率是它離散后各點幅值的平方和除以它的采樣點數(shù)，可得出信號在時域的

5、總功率.信號的能量密度譜可以用帕斯瓦爾關(guān)系式（12）式（12）11122|[]||[]|00NNxnxkNnk???????由式（11）和式（12）可以計算出信號在頻域中的功率，表示為式（13）式（13）112|[]|0NPxkNNk?????上式表明：由各頻率分量的幅值可以計算出各頻率分量的功率。2.32.3周期性判斷方法周期性判斷方法任意隨機連續(xù)時間信號x(t)，進行DFT變換后為x(k，可以用式(14)式（14）10()()Nkn