转载。换点积分
摘 要
本设计主要以 FPGA 为核心，利用快速傅里叶变换（FFT）对于音频信号进行
频谱、 功率值、 正弦信号失真度等分析。 通过将待测音频信号经可控增益放大器、
高速 A/D 周期采样后，量化数据在 FPGA 内进行 FFT 变换，从而计算出信号各频
率分量的频谱和功率值，同时还具有计算正弦信号失真度的功能。FPGA 将处理
结果通过自定义高速并行口发送到单片机，单片机主要完成信号调理、LCD 显示
和人机交互等功能，同时还能输出至示波器观察输入信号频谱的分布。经过对于
各项指标的实验测试，完全达到题目要求。该系统具有精度高、可靠性好、结构
简单、操作方便、人机界面友好等优点。
关键词： 快速傅里叶变换；频谱分析；失真度；FPGA
Abstract
Design of this audio signal analyzer is mainly based on a FPGA chip and it
utilizes FFT method to get frequency spectrum, power spectrum and distortion
analysis. First, the measured audio signal is put through programmable gain amplifier
and high-speed A/D converter. Then digital D/Ata is gotten and put into FPGA to get
FFT results. After this procedure, frequency and power spectrum can be gotten. With
this procedure the distortion information can also gotten. The FPGA will send all
results to MCU by the self-defined high-speed parallel port. In our design, the MCU
system mainly deals with signal modulation, LCD display and human-machine
interface. By practical tests for all indexes, this desigh has met all the requirements of
the subject. The system has the A/Dvantages of high accuracy, high reliability, simple
structure, easy operation and excellent human machine interface etc.
Keywords: FFT； frequency spectrum analysis； harmonic distortion； FPGA
一、系统方案
1、比较与选择
方案一、以模拟扫频方法实现
本设计可以采用超外差原理， 由本机振荡器产生随时间线性变化的步进频率
信号，与衰减后的输入信号混频，然后经滤波和检波滤出代表相应频点的幅度，
送入示波器的 X， Y 轴显示信号振幅与频率的对应关系。这种方案扫频范围大，
硬件成本低，但对硬件电路要求较高，整体调试有一定难度。
方案二、以 FPGA 为核心实现
音频信号经前端调理之后，使用高速模拟/数字转换器(A/D)对输入信号采
样，将数字化的音频数据送入 FPGA 芯片的 FFT 运算单元处理，即可获得音频
信号的频谱分布图。利用 FPGA 现场可编程芯片可实现本方案的大部分硬件设
计， 外加基于单片机的信号调理和数据显示电路即可完成设计。 此方案原理清晰、
结构简单、精度与可靠性高、设备体积小，因此具有较高的可行性。但频率范围
和频率分辨率受 A/D 采样速率和 FFT 运算容量的限制。
根据实际已有实验条件、时间和成本上的考虑，另一方面考虑到题目还有对
于计算正弦波失真度的要求，通过对比上述两种方案，认为方案二是完成本题设
计的合理选择。
2、方案描述
输入峰–峰值为 10mV～10V 的音频信号经过前端调理后，得到输出峰–峰值
恒定在 2V－ 200mV 以内的信号送入高速并行模/数转换 A/D， 经采样的数字信号
直接送入 FPGA(Xilinx Spartan 3E)芯片中对其进行 FFT 运算， 得到归一化的频谱
输出，一路经高速 D/A 输出至示波器上显示频谱图，一路输出数值经过处理和
筛选，送入至单片机中进行计算各频率分量的频率和功率值，并送至 LCD 显示
屏每隔 5 秒刷新显示，其频率分辨率可达到 10Hz 档。系统方框图如图 1：
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