基于FPGA的多通道音频信号评估系统
2022年电子技术应用第2期
张皓然，万书芹，蒋颖丹，张 涛
中科芯集成电路有限公司，江苏 无锡214063
摘要： 设计并实现了一种基于FPGA的六通道音频信号评估系统。系统由最高64 kS/s的16位模数转换器AD73360对常用音频信号进行采样。设计了一个嵌套式状态机，按照状态跳变，将输入信号暂存到FIFO中。FIFO中的数据会通过USB协议上传到电脑端的MATLAB GUI(Graphical User Interface)中，GUI负责处理数据并显示结果。系统配备了ARM处理器作为辅助，可以根据不同的ADC采样频率和输入信号频率，计算并实时纠正FPGA和GUI的通信波特率，确保不丢码。试验结果表明，该系统可以实现对音频信号的高精度采集。该系统为保真采集音频信号提供了完整的解决方案。
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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