基于FPGA的多通道音頻信號評估系統(tǒng)
2022年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
張皓然，萬書芹，蔣穎丹，張 濤
中科芯集成電路有限公司，江蘇 無錫214063
摘要： 設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于FPGA的六通道音頻信號評估系統(tǒng)。系統(tǒng)由最高64 kS/s的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD73360對常用音頻信號進行采樣。設(shè)計了一個嵌套式狀態(tài)機，按照狀態(tài)跳變，將輸入信號暫存到FIFO中。FIFO中的數(shù)據(jù)會通過USB協(xié)議上傳到電腦端的MATLAB GUI(Graphical User Interface)中，GUI負責處理數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。系統(tǒng)配備了ARM處理器作為輔助，可以根據(jù)不同的ADC采樣頻率和輸入信號頻率，計算并實時糾正FPGA和GUI的通信波特率，確保不丟碼。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對音頻信號的高精度采集。該系統(tǒng)為保真采集音頻信號提供了完整的解決方案。
中圖分類號： TP216
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211983
中文引用格式： 張皓然，萬書芹，蔣穎丹，等. 基于FPGA的多通道音頻信號評估系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48(2)：78-83，90.
英文引用格式： Zhang Haoran，Wan Shuqin，Jiang Yingdan，et al. Evaluation system of multi-channel audio signal based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(2)：78-83，90.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211983
中文引用格式： 張皓然，萬書芹，蔣穎丹，等. 基于FPGA的多通道音頻信號評估系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48(2)：78-83，90.
英文引用格式： Zhang Haoran，Wan Shuqin，Jiang Yingdan，et al. Evaluation system of multi-channel audio signal based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(2)：78-83，90.
Evaluation system of multi-channel audio signal based on FPGA
Zhang Haoran，Wan Shuqin，Jiang Yingdan，Zhang Tao
China Key System & Integrated Circuit Corporation，Wuxi 214063，China
Abstract： A six-channel audio signal evaluation system based on FPGA is designed and implemented.64 kS/s 16-bit analog-to-digital converter(ADC) AD73360 is used to sample common-used audio signals. A nested state machine is adopted to pump input data into a FIFO according to states jumps. The data in FIFO is uploaded into the MATLAB GUI(Graphical User Interface) on computer by USB protocol. The GUI is used to process data and display the results. The system is equipped with auxiliary ARM to calculate and correct the baud rate of communication between FPGA and GUI, keeping from losing codes. The results show the system can sample audio signals in a high precision. The system provides a whole solution for sampling audio signals with true fidelity.
Key words : FPGA；nested state machine；FIFO；analog-to-digital converter；MATLAB GUI
0 引言
人類的耳朵可以感受各種頻段的音波，包括自然界里各種天然的聲音，也包括人工生成的聲音。科學(xué)研究表明人耳所能感受到的聲音范圍是20～20 000 Hz，但這并不是人耳真正能識別的頻率[1]。人們正常說話的聲音頻段在500～4 000 Hz，而讓人們放松舒適的頻段在20～600 Hz，所以20～4 000 Hz頻段的聲音最有研究價值。如何精確地獲取這個頻段聲音的信息參數(shù)成為評估其質(zhì)量的關(guān)鍵。
因此，本文提出了一種基于FPGA的六通道音頻信號評估系統(tǒng)，針對20～4 000 Hz頻段的聲音，選用最高64 kS/s采樣頻率，16 bit采樣精度的六通道ADC。系統(tǒng)中FPGA和ADC通過工業(yè)串行端口(SERIAL PORT，簡稱SPORT)進行功能配置和數(shù)據(jù)傳輸，依托MATLAB圖形化用戶界面(GUI)實現(xiàn)了對應(yīng)的上位機，配合FPGA的嵌套狀態(tài)機，可實時顯示采樣數(shù)據(jù)的時域波形和經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT)的頻譜曲線。該系統(tǒng)經(jīng)過了測試和驗證，可以準確反映出對應(yīng)頻段音頻信號的質(zhì)量。
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作者信息：
張皓然，萬書芹，蔣穎丹，張 濤
(中科芯集成電路有限公司，江蘇 無錫214063)
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