通信技术毕业论文
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题目： 基于NiosII的音频信号分析仪设计
专 业：
通信工程
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目 录
摘要....................................................................................................................................... Ⅰ ABSTRACT .......................................................................................................................... Ⅰ 1 引言................................................................................................................................... 1 1.1 SoC概述 ...................................................................................................................... 1
1.1.1 SOC技术发展 ................................................................................................ 1 1.1.2 SOC设计的关键技术 ................................................................................... 1 1.1.3 SOC用途分类 ................................................................................................ 1 1.1.4 SoC与应用概念 ............................................................................................. 1 1.1.5 SoC的实现 ....................................................................................................... 1 1.2 本文所做的工作....................................................................................................... 1 2 FPGA开发技术概述 .......................................................................................................... 2
2.1 FPGA技术特点 ......................................................................................................... 2 2.1 FPGA开发流程 ......................................................................................................... 2 2.3 quartus II软件及NiosII软件介绍 ............................................................................. 5
2.3.1 quartus Ⅱ软件介绍 ........................................................................................... 7 2.3.2 NiosII软件介绍 ................................................................................................ 9 2.3.3以数码管闪烁控制为例介绍quartus II软件及NiosII软件 ........................ 10
3 语音信号处理..................................................................................................................... 11 3.1 数字信号处理.......................................................................................................... 12
3.1.1 傅里叶变换................................................................................................... 13 3.1.1.1连续时间非周期信号............................................................................. 15 3.1.1.2连续时间周期信号................................................................................. 19 3.1.1.3离散时间非周期信号............................................................................. 19 3.1.1.4离散时间周期信号................................................................................. 19 3.1.1.5快速傅里叶变换（FFT） ...................................................................... 19
3.2 语音信号处理......................................................................................................... 21 4 音频信号分析仪设计....................................................................................................... 24
4.1设计思想................................................................................................................... 25 4.2 设计流程.................................................................................................................. 25 4.2.1系统具体设计与实现....................................................................................... 25 4.2.1.1前端可控增益放大电路及增益控制电路.............................................. 25 4.2.1.2混叠滤波.................................................................................................. 25 4.2.1.3 A/D转换 .................................................................................................. 25 4.2.1.4 数字滤波及Nios实现方式 ................................................................... 26
4.2.1.4.1 Nios II软核配置过程 ............................................................... 28 4.2.1.4.2 Quartus II综合 .......................................................................... 28
4.2.2 理论分析与参数设计........................................................................................ 29 4.2.3 软件设计............................................................................................................ 29 4.2.3 测试仪器............................................................................................................ 29 4．2.4指标测试结果................................................................................................... 30 6 参考文献............................................................................................................................. 30 7 致 谢................................................................................................................................... 31
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基于Nios Ⅱ的音频信号分析仪设计
摘要
本系统基于Altera Cyclone II 系列FPGA嵌入高性能的嵌入式IP核(Nios)处理器软核，代替传统DSP芯片或高性能单片机，实现了基于FFT的音频信号分析。并在频域对信号的总功率，各频率分量功率，信号周期性以及失真度进行了计算。并在FPGA中嵌入了8阶IIR切比雪夫（Chebyshev）II型数字低通滤波器，代替传统有源模拟滤波器实现了性能优异的音频滤波。配合12位A/D转换芯片AD1674，和前端自动增益放大电路，使在50mV到5V的测量范围下，单一频率功率及总功率测量误差均控制在1%以内。
关键词：FPGA； IP核； FFT； IIR； Abstract
This system is based on IP core(Nios) soft-core processors embedded in the FPGA of Altera Cyclone II family. Instead of using DSP or microcontroller, we use Nios II to perform a low-cost FFT-based analysis of the audio signal.And we caculated the power of the whole signal,the power of each frequence point that componented the signal.By the way,we anlysised its periodicity and distortion.We also embedded an 8-order Chebyshev II IIR digital low-pass filter to replace the traditional analog Active Filter to perform an excellent audio filter. With 12bit A / D converter chip AD1674, and the front-end automatic gain amplifier, this system’s single-frequency power and total power measurement error is below 1% in 50mV to 5V measurement range.
Keyword: FPGA； IP core; FFT; IIR;
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1 引言
1.1 SOC概述
片上系统（SoC：System-on-a-chip）指的是在单个芯片上集成一个完整的系统，对所有或部分必要的电子电路进行包分组的技术。所谓完整的系统一般包括中央处理器(CPU)、存储器、以及外围电路等。从狭义角度讲,它是信息系统核心的芯片集成,是将系统关键部件集成在一块芯片上;从广义角度讲, SoC是一个微小型系统,如果说中央处理器(CPU)是大脑,那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上,它通常是客户定制的,或是面向特定用途的标准产品。
SoC将系统的主要功能综合到一块芯片中，本质上是在做一种复杂的IC设计。与普通的集成电路相比，SoC不再是一种功能单一的单元电路。而是将信号采集，信号处理，输入和输出等完整的系统功能集成在一起，成为一个专用功能的电子系统芯片。 1.1.1 SOC技术发展
集成电路的发展已有40年的历史，它一直遵循摩尔所指示的规律推进，现已进入深亚微米阶段。由于信息市场的需求和微电子自身的发展，引发了以微细加工（集成电路特征尺寸不断缩小）为主要特征的多种工艺集成技术和面向应用的系统级芯片的发展。随着半导体产业进入超深亚微米乃至纳米加工时代，在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电子系统，诸如手机芯片、数字电视芯片、DVD 芯片等。在未来几年内，上亿个晶体管、几千万个逻辑门都可望在单一芯片上实现。SoC (System - on - Chip)设计技术始于20世纪90年代中期,随着半导体工艺技术的发展,IC设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上, SoC正是在集成电路( IC)向集成系统( IS)转变的大方向下产生的。1994年Motorola发布的FlexCore系统(用来制作基于68000和PowerPC的定制微处理器)和1995年LSILogic公司为Sony公司设计的SoC,可能是基于IP( IntellectualProperty)核完成SoC设计的最早报导。由于SoC可以充分利用已有的设计积累,显著地提高了ASIC的设计能力,因此发展非常迅速,引起了工业界和学术界的关注。 SOC是集成电路发展的必然趋势。
1.1.2 SOC设计的关键技术
具体地说,SoC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等,此外还要做嵌入式软件移植、开发研究,是一门跨学科的新兴研究领域。
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1.1.3 SOC用途分类
SoC按用途的不同可以分为两种类型：一种是专用SoC芯片，是专用集成电路（ASIC）向系统级集成的发展；另一种是通用SoC芯片，将绝大部分部件（如MCU、DSP、RAM、I/O等）集成在单个芯片上，同时提供用户设计所需要的逻辑资源和编程所需要的软件资源。SoC的出现是电子系统设计领域的一场革命，它对电子信息产业的影响将不亚于集成电路诞生所产生的影响。当今电子系统的设计已经不再是利用各种通用IC进行PCB板级的设计和调试，而是转向以ASIC或大规模FPGA为物理载体的系统芯片设计。 1.1.4 SoC与应用概念
1.系统功能集成是SoC的核心技术
在传统的应用电子系统设计中，须要根据设计要求的功能模块对整个系统进行综合，即 根据设计要求的功能，寻找相应的集成电路，再根据设计要求的技术指标设计所选电路的连 接形式和参数。这种设计的结果是一个以功能集成电路为基础，器件分布式的应用电子系统结构。设计结果能否满足设计要求不仅取决于电路芯片的技术参数，而且与整个系统PCB版图的电磁兼容特性有关。同时， 对于须要实现数字化的系统，往往还须要有单片机等参与，所以还必须考虑分布式系统对电路固件特性的影响。很明显，传统应用电子系统的实现，采用的是分布功能综合技术。 对于SoC来说，应用电子系统的设计也是根据功能和参数要求设计系统，但与传统方法有着本质的差别。SoC不是以功能电路为基础的分布式系统综合技术。而是以功能IP为基础的系统固件和电路综合技术。首先，功能的实现不再针对功能电路进行综合，而是针对系统整体固件实现进行电路综合，也就是利用IP技术对系统整体进行电路结合。其次，电路设计的最终结果与IP功能模块和固件特性有关，而与PCB板上电路分块的方式和连线技术基本无关。因此，使设计结果的电磁兼容特性得到极大提高。换句话说，就是所设计的结果十分接近理想设计目标。
2.固件集成是SoC的基础设计思想
在传统分布式综合设计技术中，系统的固件特性往往难以达到最优，原因是所使用的是分布式功能综合技术。一般情况下，功能集成电路为了满足尽可能多的使用面，必须考虑两个设计目标：一个是能满足多种应用领域的功能控制要求目标；另一个是要考虑满足较大范围应用功能和技术指标。因此，功能集成电路（也就是定制式集成电路）必须在I/O和控制方面附加若干电路，以使一般用户能得到尽可能多的开发性能。但是，定
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