第３３卷２０１１年４月

　 第２期２１４－２１６页

世界科技研究与发展ＷＯＲＬＤＳＣＩＴＥＣＨＲ＆Ｄ

Ｖｏｌ．３３Ａｐｒ．２０１１

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基金项目：“２１１工程”三期创新人才培养计划建设项目（Ｓ０９１０２）通讯作者：Ｅｍａｉｌ：ｘｃｌｉｑｉ８６８６＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ

基于 ＦＰＧＡ的音频分析系统实现

黄扬帆　王　璐　甘　平　黄　发（重庆大学通信工程学院，重庆 ４０００４４）

摘　要：采用Ａｌｔｅｒａ公司的ＦＰＧＡ芯片ＥＰ２Ｃ２０作为控制和运算核心，实现对频率范围在２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ的音频信号分析和测试。采用ＦＦＴ算法对音频信号进行频谱分析和计算处理，实现失真度分析，并完成信号总功率、各分量频率、周期等参数分析测量。采用ＴＦＴＬＣＤ作为显示终端，能够直观显示功率谱曲线和各测试参数值。通过软件分析对比测试发现，该系统实时性强，测量准确度高，误差优于０３％，可以有效完成音频信号分析和处理。关键词：ＥＰ２Ｃ２０；音频分析；ＦＦＴ算法；系统设计中图分类号：ＴＰ３０２　　　文献标识码：Ａ　　　

ＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＡｕｄｉｏＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＦＰＧＡ

ＨＵＡＮＧＹａｎｇｆａｎ　ＷＡＮＧＬｕ　ＧＡＮＰｉｎｇ　ＨＵＡＮＧＦａ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｌｔｅｒａｓＦＰＧＡｃｈｉｐＥＰ２Ｃ２０ｉｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｒｅｔｏａｎａｌｙｓｅａｎｄｔｅｓｔｔｈｅａｕｄｉｏｓｉｇｎａｌｉｎｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒａｎｇｅｏｆ２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ．ＦＦＴａｌｇｏｒｉｔｈｍｕｓｅｄｆｏｒｓｐｅｃｔｒａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆａｕｄｉｏｓｉｇｎａｌ，ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎａｌｙｓｉｎｇａｎｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｓｉｇｎａｌｓｔｏｔａｌｐｏｗｅｒ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｅａｃｈｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｐｅｒｉｏｄａｎｄｏｔｈｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＴＦＴＬＣＤｉｓｕｓｅｄａｓｉｔｓｄｉｓｐｌａｙｔｅｒｍｉｎａｌｓｏａｓｔｏｇｅｔａｄｉｒｅｃｔｖｉｅｗｉｎｇｓｈｏｗｏｆｐｏｗｅｒｓｐｅｃｔｒｕｍａｎｄｔｅｓｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｂｙｓｏｆｔｗａｒｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔｅｓｔ，ｉｔｉｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｉｓｓｔｒｏｎｇｒｅａｌｔｉｍｅ，ｗｉｔｈｈｉｇｈｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｌｅｓｓｔｈａｎ０３％ ｅｒｒｏｒ．Ｔｈｅａｕｄｉｏｓｉｇｎａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃａｎｂｅｃｏｍｐｌｅｔｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥＰ２Ｃ２０；ａｕｄｉｏａｎａｌｙｓｉｓ；ＦＦＴａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎ

１　引言

音频是信息交互的一种重要媒体，人类能够听见的音频

信号的频率范围大约是２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ。对全范围的语音信号分析则可以用来衡量各类音频设备的性能，同时音频信号

分析是声信号定位、语音合成、语音识别、语音增强等技术的

前提和基础，因此音频分析系统是非常重要并在众多领域中

被广泛使用的测量仪器之一。音频分析利用时域分析、频域

分析、失真分析等方法，通过测量各类音频参数来评价音频

系统的性能。随着信息技术和集成电路技术的高速发展，基

于快速傅里叶变换（ＦＦＴ）的现代音频分析系统已成为音频分析技术发展的主流。通过傅里叶变换将被测信号分解频

率分量，这类音频分析仪采用模拟／数字转换器（ＡＤＣ）对输入音频信号采样，将模拟信号转换为数字信号后再经ＦＦＴ处理获得各自的频谱分量。

音频分析系统的核心算法是 ＦＦＴ，ＦＦＴ的性能用取样点数和取样率来表征，最高输入频率取决于采样率，分辨率取

决于采样点数。ＦＦＴ运算时间与采样点数成对数关系，在进行高频率、高分辨率的高速运算时，要求选用高速的 ＦＦＴ硬件或者相应的数字信号处理器（ＤＳＰ）芯片。目前音频分析系统主要采用 ＤＳＰ芯片来实现控制和核心运算［１，２］，但是

ＤＳＰ芯片在内部时钟、系统结构、指令模式等方面都是基于串行工作和流水线方式设计的，对采样数字信号处理的实时

性和精确性有一定的局限。基于此问题，本文采用具有并行

处理能力的 ＦＰＧＡ芯片作为核心控制器来完成 ＦＦＴ等运算功能，实现音频信号分析和计算处理，增强信号处理的实时

性，依靠ＦＰＧＡ内部的数控锁相环技术获得较高的系统时钟，提高处理的精确性。采用 Ａｌｔｅｒａ公司的 ＦＰＧＡ芯片ＥＰ２Ｃ２０［３］作为控制和运算核心，实现对频率范围在２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ的音频信号分析和测试；采用ＦＦＴ算法对音频信号进行频谱分析和计算处理，实现失真度分析，并完成信号总功

率、各分量频率、周期等参数分析测量；采用ＴＦＴＬＣＤ作为显示终端，能够直观显示功率谱曲线和各测试参数值。

２　分析算法

音频分析系统采用 ＦＦＴ算法［４］对音频信号进行频谱分

析和计算处理，结合相关性原理进行失真度分析，并完成信

号总功率、各分量频率、周期等参数分析测量。

如果失真的周期性音频信号，除了基波电压分量外，还

存在各次谐波分量，将其展开成傅立叶级数，可以表示为：

ｘ（ｔ）＝Ａ０２＋∑

∞

ｎ＝１Ａｎｓｉｎ（ｎω０ｔ＋φｎ） （１）

其中，ｘ（ｔ）是含有谐波分量的周期性音频信号，Ａｎ为第 ｎ次谐波的振幅。

Ａｎ ＝１Ｔ∫

Ｔ

０ｘ（ｔ）ｅ－ｊｎω０ｔｄｔ （２）

式中，Ａ０／２为正弦波中直流分量，ｎ为失真波中所含最高谐波分量数，ω０是正弦波基波角频率，φｎ是第 ｎ次谐波相对于基波的初相角。

２．１　功率谱测量功率谱的测量，采用利用 ＣｏｏｌｅｙＴｕｋｅｙ法［５］。首先将音

频信号ｘ（ｔ）为采样后数据信号 ｘ（ｎ），再进行 ＦＦＴ变换得到频谱，在每次的 ＦＦＴ计算中，采样 ２０４８个点，即 Ｎ＝２０４８，采样频率为４４１ｋ，所用离散傅立叶变换公式为

Ｘ（ｋ）＝∑Ｎ－１

ｎ＝０ｘ（ｎ）ｅ－ｊ

２πＮｎｋ　ｋ＝０，１，２，…Ｎ－１ （３）

２０１１年４月 　　　世界科技研究与发展 自动化、计算机技术

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其中，ｘ（ｎ）为输入采样信号，Ｘ（ｋ）为变换后的频域信号，然后利用功率谱计算式。

ＳＸ＾（ｋ）＝ １Ｎ Ｘ（ｋ）２　ｋ＝０，１，２，…Ｎ－１ （４）

其中，ＳＸ＾（ｋ）即为对应频点的功率谱。

２．２　失真度测量失真度的定义为所有谐波能量之和除以基波能量后的

平方根。其表达式为：

　　γ＝Ｕ２２＋Ｕ

２３＋…Ｕ

２ｎ

Ｕ槡 ２１

（５）

其中，γ为失真度，Ｕ１为基波电压的有效值，Ｕ１－Ｕｎ为谐波

电压的有效值，且 Ｕｎ＝Ａｎ／２，ｎ＝１，２，…ｎ。求出各次谐波的幅值，可以计算出信号的失真度。式（１）和（２）中 Ａｎ为第 ｎ次谐波的振幅，采用ＦＦＴ法，式（５）可以表示为：

γ＝Ａ２２＋Ａ

２３＋…Ａ

２ｎ

Ａ槡 ２１

（６）

２．３　周期测量如果输入信号为周期性信号，那么在功率谱中的对应频

点上，应该会出现尖峰值。因此在输出功率谱中，我们统计

除了０频点的各个功率值，如果其中没有任何一个功率幅值能够超过设定的阈值，说明输入信号为非周期信号，否则为

周期信号，其阈值的设定通过多次测试比较确定。

假定输入信号由多个频率成分组成，其表达式为

ｆ（ｔ）＝Ａ１ｓｉｎ（ω１ｔ）＋Ａ２ｓｉｎ（ω２ｔ）＋Ａ３ｓｉｎ（ω３ｔ） （７）其中，输出信号ｆ（ｔ）的频率为各分量 ω１、ω２、ω３的最大公约数。测出信号功率谱中的各频率，然后计算所有有效频点的

最大公约数就是频率ｆ，周期Ｔ＝１／ｆ。

３　系统设计与实现

音频分析系统采用专用语音采集芯片 ＷＭ８７３１［６］获得１６ｂｉｔ采样数据，将采样数据送入ＦＰＧＡ，并基于ＦＰＧＡ的逻辑单元和内嵌式存储单元采用ＶＨＤＬ语言设计实现ＦＦＴ算法。由此计算出音频信号的各个信号分量的频谱，然后将计算结

果送入内嵌的软核处理器 ＮｉｏｓＩＩ，采用 Ｃ语言进行功率谱的计算，将频率谱和功率谱通过图形方式显示在ＬＣＤ３２０×２４０的真彩色液晶屏上。设计中数据处理采用并行方式，速度

快，音频采样数据位数达到１６位，并运用嵌入式ＣＰＵ实现浮点运算和图形化显示。图１为系统原理框图。

图１　系统原理框图Ｆｉｇｕｒｅ１　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ

系统设计采用音频采集芯片 ＷＭ８７３１，该芯片输入阻抗为１０～２０Ｋ，支持的数字音频的位数可以是１６位至３２位，采样精度高，能够无失真采集电压范围（峰峰值）为８０ｍＶ～５２Ｖ的音频信号，采样率设置为４４１ｋＨｚ，能够采集２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ的信号。其中数字音频接口采用来自内部 ＡＤＣ数字滤波器的数据并在 ＡＤＣＤＡＴ输出上。ＡＤＣＤＡＴ是来自ＡＤＣ的数字滤波器的格式化数字音频数据流输出，左／右声道复用在一起。ＡＤＣＬＲＣ是一个对齐时钟，在ＡＤＣＤＡＴ线上控制左或右通道数据。通过总线时钟先高后低的过渡，ＡＤＣＤＡＴ和ＡＤＣＬＲＣ过渡标志的每个数据位时同步的。图 ２为ＷＭ８７３１音频信号采样电路原理图：

图２　ＷＭ８７３１音频信号采样电路原理图Ｆｉｇｕｒｅ２　ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆＷＭ８７３１ａｕｄｉｏｓｉｇｎａｌｓａｍｐｌｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ

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　　基于ＦＰＧＡ芯片采用ＶＨＤＬ语言实现ＦＦＴ处理硬核，其组成部分主要包括串行数据转并行数据单元、双端口 ＲＡＭ数据存储单元、ＦＦＴ运算单元、旋转因子产生器（ＲＯＭ）、地址生成及控制单元、倒序单元六个模块。实现算法基于第２部分的ＦＦＴ算法，ＦＦＴ运算单元是硬核处理的重点单元，ＦＦＴ运算单元的核心采用蝶形运算方式，利用 ＥＰ２Ｃ２０内嵌的ＤＳＰ乘法模块实现乘法器和加法器的设计，采用ＶＨＤＬ语言实现定点 ＦＦＴ处理器。在所设计的定点 ＦＦＴ基础上采用两个有符号的定点数来实现复数 ＦＦＴ功能，并用补码表示负数。所设计的ＦＦＴ处理器是２０４８点输入为１６位的复数处理器。图３是ＦＦＴ硬核处理单元结构图。

图３　ＦＦＴ硬核处理单元结构图Ｆｉｇｕｒｅ３　Ｃｈａｒｔｏｆｈａｒｄ＿ｃｏｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｕｎｉｔ

将ＦＦＴ单元的频谱数据结果送入内嵌的软核处理器ＮｉｏｓＩＩ，采用Ｃ语言进行功率谱测量、失真度测量、周期测量，将频率谱和功率谱通过图形方式显示在屏幕上。

４　实验测试

功率谱和失真度测量方法采用输入含有多个谐波分量

的类正弦波音频信号，基波频率为１ｋＨｚ，采样频率为４４１ｋＨｚ，输入幅度１Ｖ。通过音频分析系统，测试其频谱分量，并获得对应功率谱和失真度。图４为输入基波为１ｋＨｚ的含谐波分量音频信号，图形获取通过基于 ＦＰＧＡ的嵌入式逻辑分析仪得到。经过分析系统计算得到其功率谱如表１。

图４　输入基波为１ｋＨｚ的含谐波分量音频信号Ｆｉｇｕｒｅ４　Ａｕｄｉｏｓｉｇｎａｌｔｈａｔｉｎｐｕｔｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓ１ｋＨｚ

ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｈａｒｍｏｎｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔ表１　采集得到的数据Ｔａｂｌｅ１　Ｔｈｅｓａｍｐｌｅｄｄａｔａ

频率（ｋＨｚ） １．０２ １．９７ ２．９４ ３．９６功率值（Ｗ） ０．８３ ０．１１ ０．０４ ０．０２

　　音频周期性测试方法是当输入纯音信号时，按照第２部分周期性测量原理测量实测周期及其误差，测试结果如表２。将相同信号输入通过声卡采样后，采用Ｍａｔｌａｂ工具实现音频信号分析［７］，其结果与音频分析系统获得的结果基本一致，

测量准确度高、误差优于０３％。表２　实测周期及其误差

Ｔａｂｌｅ２　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃｙｃｌｅａｎｄｅｒｒｏｒ

输入周期（ｓ） 实测周期（ｓ） 误差（％）０．０５ ０．０４９ ２０．００４ ０．００３９ ２．５０．０００５ ０．０００４９ ２０．０００７ ０．０００６９ １．４

５　结论

本文以ＦＰＧＡ芯片 ＥＰ２Ｃ２０作为控制和运算核心，实现对频率范围在２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ的音频信号分析和测试，采用专用语音采集芯片ＷＭ８７３１获得１６ｂｉｔ采样数据，利用ＦＰＧＡ的逻辑单元和内嵌式存储单元采用 ＶＨＤＬ语言设计实现ＦＦＴ算法，采用内嵌于ＦＰＧＡ的软核处理器ＮｉｏｓＩＩ，用Ｃ语言完成功率谱测量、失真度测量、周期测量计算，并将结果显示

在ＬＣＤ３２０×２４０的真彩色液晶屏上。音频分析系统采用ＦＦＴ算法对音频信号进行频谱分析和计算处理，实现失真度分析，并完成信号总功率、各分量频率、周期等参数分析测

量。实验测试结果表明系统的实时性强，采样精度高，误差

优于０３％，能有效完成音频信号分析和处理。

参考文献［１］张家田，封川川，严正国．基于 ＤＳＰ的音频信号分析仪设计［Ｊ］．西安石油大学学报（自然科学版），２００９，２４（１）：８５８８．

［２］孙伟，郭宝龙，陈龙．一种新的音频分析系统的实现方法［Ｊ］．仪器与仪表学报，２００９，３０（１１）：２２４９２２５４．

［３］ＡＬＴＥＲＡ．ＣｙｄｏｎｅⅡ ＤｅｖｉｃｅＨａｎｄｌｏｏｋ：ＳｅｃｔｉｏｎｓＩＶ．Ｉ／ＯＳｔａｎｄａｒｄｓ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｌｔｅｒａ．ｃｏｍ．ｃｎ，２００４．

［４］丁玉美，高西全．数字信号处理［Ｍ］．３版．西安：西安电子科技大学出版社，２００８：９７１２７．

［５］张长森．数字信号处理［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００７：９７１００．

［６］王杰玉，杜炜，潘红兵．基于 ＦＰＧＡ的音频编解码芯片接口设计［Ｊ］．现代电子技术，２００９，５：１７９１８１．

［７］陈宇锋．基于声卡和 ＭＡＴＬＡＢ的语音信号采集和处理［Ｊ］．中国现代教育装备，２００６，５：４９５１．

作者简介

黄扬帆（１９６４），男，高级工程师，主要研究方向：信号与信息处理。王璐（１９８６），女，硕士研究生，主要研究方向：信号与信息处理。甘平（１９７４），男，副教授，主要研究方向：信号与信息处理。黄发（１９８６），男，硕士研究生，主要研究方向：电路与系统。