基于FPGA的多通道音頻信號評估系統
2022年電子技術應用第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： 設計并實現了一種基于FPGA的六通道音頻信號評估系統。系統由最高64 kS/s的16位模數轉換器AD73360對常用音頻信號進行采樣。設計了一個嵌套式狀態機，按照狀態跳變，將輸入信號暫存到FIFO中。FIFO中的數據會通過USB協議上傳到電腦端的MATLAB GUI(Graphical User Interface)中，GUI負責處理數據并顯示結果。系統配備了ARM處理器作為輔助，可以根據不同的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。試驗結果表明，該系統可以實現對音頻信號的高精度采集。該系統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[J].電子技術應用，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[J].電子技術應用，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成為評估其質量的關鍵。
因此，本文提出了一種基于FPGA的六通道音頻信號評估系統，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。系統中FPGA和ADC通過工業串行端口(SERIAL PORT，簡稱SPORT)進行功能配置和數據傳輸，依托MATLAB圖形化用戶界面(GUI)實現了對應的上位機，配合FPGA的嵌套狀態機，可實時顯示采樣數據的時域波形和經過快速傅里葉變換(FFT)的頻譜曲線。該系統經過了測試和驗證，可以準確反映出對應頻段音頻信號的質量。
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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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