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音频信号分析仪

一、实验目的

掌握音频分析时用到的基本技术

信号采样

傅里叶变换

二、实验原理

音频信号的频率范围大约是 20Hz-20kHz ，在这里我们以数字音频信号为分析对象，以数字信号处理为分析手段，运用模数转换器 AD（ analog-to-digital converter ）提取时域信号。 再基于 FPGA 快速数据处理能力，在其中进行N 点（ N=4096 ）的 FFT 运算得到信号的功率谱，在频域中实现对信号总功率、主要频率分量功率以及失真度的计算和显示。

功率谱测量分析方法功率谱测量分析方法

通过基 2 时域抽取法 FFT 得到 ，取模后得实序列 ， 为各频率分量幅值 。则可得原始信号的总功率和各频率分量的功率分别为：

我们对根据 AD 采样得到的时域信号进行离散傅立叶变换（ DFT ），转换成频率信号，设采样得到时域中N(2 的整数次幂 ) 点序列 ，其离散傅立叶变换为：

二、实验原理

1 1

2 /

0 0

N Nj kn N nk

Nn n

X k x n e x n W

0≤k≤N-1

X k

X K | |X K X k

式中 P 为总功率， 为序列 中第 个点对应频率的功率。 失真度定义为信号中全部谐波分量的能量与基波能量之比的平方根值 , 得到信号总功率和基波频率的功率后，则可求出被测正弦信号的失真度，即为：

二、实验原理

2

1

1 N

k

P X KR

21kP X KR

1 1P P P

式中 P 为总功率， 为基波频率的功率。 1P

单片机 AT89S52， FPGA

TEK 双踪示波器

Agilent信号源

实实验验器器材材

三、实验器材

四、实验步骤及内容

信号输入

第一路放大增益为1

50Ω阻抗匹配

第二路放大100倍THS4301

比较整形TL3016

多路复用模拟开关MPC508

左右通道A/D转换

PCM3010

FPGA

测频模块

ADC控制

数据及控制总线

键盘LCD控制

FFT数据处理键盘及

LCD

单片机

AT89S52

第三路10000倍THS4301 UA741

抗混叠滤波及程控放大THS7002

检测有效值AD637

系统实现方框图系统实现方框图

四、实验步骤及内容

本系统软件设计主要实现 FFT 算法、各频率分量和对应的功率分析和显示，软件部分由单片机和FPGA 构成，单片机主要完成用户的输入输出处理和系统的总体控制， FPGA 主要完成高速的处理(如 AD 采样及存储 ) 和大计算量的处理 (如 FFT处理 ) 。整个软件系统采取模块化思想贯穿始终，采用系统总菜单选取所有功能，人机交互界面友好。

程序设计程序设计

四、实验步骤及内容

开始

系统初始化

动画欢迎界面

系统主菜单

有键按下

显示频谱

总功率测量

失真度测量

存储与回放

显示测量结果

返回

N

Y

周期性判断及测量

频率分量功率测量

四、实验步骤及内容

A0 (LSB)1

A116

A2 (MSB)15

EN2

IN 14

IN 25

IN 36

IN 47

IN 512

IN 611

IN 710

IN 89

OUT8

+V13

-V3

GND14

U?

MPC508AG

51opm

51opm

5.1K

8

53

26

741

U?

UA741CN

-12

+12

Vi

51opm

5.1K+12

+12

FP

GA

至

Vo

+12

-12

8

53

26

741

U?

THS4031

第一路第二路

第三路

五、测试电路及测试表

如右图所示， Us 低频信号发生器输出的正弦电压，在信号源与本系统之间接入一合适的电阻 R， Ui 为系统输入电压， Ri 为系统的输入阻抗。则有

 依据该原理，测出本系统的输入阻抗。

输入阻抗的测量1

ii

s i

RUR U U

信号源

被测系统

Us Ui

R

Ri

五、测试电路及测试表

低频信号发生器输出幅值为 2V 的正弦信号，以分辨力分别为 100Hz和 20Hz 改变信号频率，检测系统输入信号频率范围和分辨力。

输入信号频率范围及频率分辨力的测试2

频率

标准 /Hz 20 40 100 120 200 1000

实测 /Hz

功率

实际值 /mW 39.59 39.97 40.067 40.067 40.067 40.066

测量值 /mW

误差频率

标准 /Hz 1100 5000 5100 9900 9980 10000

实测 /Hz

功率

实际值 /mW 40.067 40.020 40.00 40.078 40.075 40.073

测量值 /mW

误差

五、测试电路及测试表

自制一个加法器，用两个低频信号发生器输入正弦信号通过加法器再输入到本系统。百分比各频率分量的功率之和与总功率的比例。

输入信号总功率与主要频率分量功率测试3

总功率 各频率成分实际值

/mW测量值

/mW误差 频率 实际

功率 /mW

测量功率 /mW

误差 总和 百分比

五、测试电路及测试表

低频信号发生器输入不同频率的正弦信号，检测信号的失真度。

正弦信号失真度测试4

输入信号 20Hz 500Hz 1KHz 5KHz 10KHz

失真度

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