基于DSP的嵌入式實(shí)時數(shù)字信號分析系統(tǒng)

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)時數(shù)字信號分析系統(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)時數(shù)字信號分析系統(tǒng)根據(jù)離散時間傅里葉變換原理，針對實(shí)時數(shù)字信號進(jìn)行測量和分析。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)場可編程邏輯器件（FPGA)EP2C35F672C8為處理核心，由信號調(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)字信號的采集，計算由DSP完成。整個系統(tǒng)的輸入信號峰峰值范圍為10μV～20V，可以測量并顯示人類在20Hz～20kHz全頻段聽力范圍的頻譜，功率譜，周期性等參數(shù)，功能強(qiáng)大，成本低廉。

FFT；語音信號；功率；周期性

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，音頻信號的分析和處理技術(shù)被廣泛的運(yùn)用于生活的各個角落，在科學(xué)研究和市場應(yīng)用方面，對于語音信號的處理精度要求越來越高，功能要求越來越多。目前，大多數(shù)音頻信號處理儀不但體積大而且價格貴，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，用有廣闊的市場空間。

1 系統(tǒng)的工作原理

本音頻信號分析系統(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，輸入信號先經(jīng)過阻抗變換電路，由4條程控放大支路對信號進(jìn)行不同倍數(shù)的放大，DSP通過模擬通道選擇合適的放大信號，送入20Hz～10KHz的帶通濾波器濾波，再由真有效值檢波電路，頻率測量電路分別測出信號有效值，頻率；同時控制A/D對信號采樣，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)，首先算出信號頻譜，再根據(jù)信號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

2.1 程控放大電路設(shè)計及計算

程控放大電路將不同幅度的輸入信號進(jìn)行處理，使之成為適合A/D采樣的信號。后級A/D采用TI公司的PCM3010，其最大輸入電壓為3Vp-p；實(shí)際測量中，PCM3010在輸入信號峰峰值在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，其具體的信號輸入幅度與增益的關(guān)系如表1所示。

表1 輸入信號與增益倍數(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)部有一個最高采樣率為96kHz的24-Bit A/D，且片上集成了一個截止頻率為0.84Hz的高通濾波器（fs=44.1kHz）。我們使用其中一個聲道對信號采樣，經(jīng)測試，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

3.1 軟件整體思想與風(fēng)格

TMS320C2000 系列是美國 TI公司推出的最佳測控應(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，是目前國際市場上最先進(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)處理的測控場合，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從根本上針對低成本進(jìn)行設(shè)計，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 器件還支持常見的各種外部存儲器接口和I/O協(xié)議，綜上，EP2C35F672C8很適合本系統(tǒng)的設(shè)計[3]。

3.2 功率、失真度計算方法

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

若A/D以采樣率fs抽樣電壓值，每兩次采樣值之間的時間間隔為：

在N?t的時間內(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)際測量中，信號總功率測量可以由AD637真有效值檢波電路實(shí)現(xiàn)，基波頻率的功率可以通過FFT求出，再代入公式就得到失真度[4]。

3.3 周期性計算方法

相關(guān)函數(shù)可以用來測定信號間的相似性，周期信號的自相關(guān)函數(shù)也是周期信號，而且周期與原信號相同。如果兩個信號完全不同，相關(guān)函數(shù)接近于零；如果兩個信號波形相同，就會在超前或滯后一個周期處出現(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，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，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，r[i]≠r[0]，則可認(rèn)為序列{y(n)}為非周期序列。實(shí)際計算中，周期信號數(shù)據(jù)受到干擾產(chǎn)生失真，計算出的周期可能是該信號最小周期的整數(shù)倍。

4 測試數(shù)據(jù)與分析

4.1 使用儀器及型號

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

60M數(shù)字存儲示波器：型號Tektronix TDS 1002

數(shù)字信號源：型號Agilent 33120A；SG1040數(shù)字信號發(fā)生器

萬用表：型號FLUKE17B

4.2 主要測試結(jié)果

輸入信號為1VP-P，頻率為1kHz時頻譜如圖3所示。失真度為η=0.065%，周期性t=1.002ms。

圖3 1kHz時的信號頻譜

5 結(jié)束語

基于DSP的嵌入式實(shí)時數(shù)字信號分析系統(tǒng)通過DSP與FPGA結(jié)合的方式，能夠?qū)?shí)時的數(shù)字信號進(jìn)行測量，并計算出頻譜，周期性等相關(guān)參數(shù)，測量精度高，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。該系統(tǒng)在數(shù)字信號處理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和市場空間。

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

[2] 蘇奎峰.TMS320F2812原理與開發(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).語音信號處理[M]..北京:國防工業(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>