2009全国大学生电子设计竞赛 题目F：
参赛学生：徐宋静 刘玉河 梁杰
指导教师： 赵正敏 杨定礼
学 校：淮阴工学院
院 系： 电子与电气工程学院
2009年9月5日
摘要：
本系统采用DSP作为主控制器，通过前置放大、滤波，经AD转换，对信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过离散傅氏变换（DFT）运算，在时域和频域对音频信号各个频率分量 以及功率等指标进行分析和处理，最后通过低频功放将信号放大，并通过计算机辅助设计软件MATLAB将处理后的参数送入DSP,同时将信息在液晶屏上显示出来 。
关键词：DSP、数字均衡、低频功放、MATLAB
1 引言
随着数字信号处理(DSP)技术的发展，DSP技术已广泛应用于各个领域。借助于现代数字电子及数字信号处理技术，古老的音响技术也焕发出新的活力。本次大赛中我们选择了F题，围绕这一课题我们进行方案选择与论证、系统的软硬件设计与调试，基本实现了课目的各项指标也要求。并在此基础上，撰写了本报告的。 整个系统分为前置放大、信号滤波、数字均衡及功率放大几个部分，以下分别介绍。
2 前置放大器的设计
2.1 前置放大的硬件设计和带阻网络
2.1.1 前置放大的硬件设计
可控增益宽带放大器由芯片AD603构成。AD603为单通道、低噪声、增益变化范围线性连续可调的可控增益放大器，AD603的带宽为90MHz时，其增益高达30dB. 本课题中，我们选择两片AD603，构成如图.1所示的自动增益控制放大器。
图.1可编程放大电路
2.1.2 带阻网络设计
本题中要求，所制作的带阻网络对前置放大电路所输出的信号进行滤波，根据题目要求，本次制作的带阻网络电路图如图.2所示。
图.2带阻网络
根据题目中所给的阻带网络结构，我们采用Multisim进行了辅助分析与设计，其幅频特性的分析结果如图.4所示。
图.3波特图
根据图.3可知，在以10kHz时输出信号电压幅度为基准，衰减大约为30db，达到了最大衰减的要求。
3 数字均衡方法比较与选择
在音响系统中，均衡器可以分别调节音频信号的各频率
成分增益，从而可以补偿扬声器
和声场的缺陷。均衡器可分为三类：图示均衡器，参量均衡器和房间均衡器。传统的均衡器仅将音频信号按高频、中频、低频三段频率进行调节。采用数字信号处理技术可以实现对音频信号的更精细的调节，这类均衡器称为数字均衡器。数字均衡器可以作成图示EQ、参量EQ或者两者兼有的EQ，不仅性能指标优异，操作方便，而且还可同时储存多种用途的频响均衡特性，以供不同节目要求选用。数字均衡可以做到10段参量均衡和29段图示均衡，结合其它功能，如噪声门功能等。 在本次设计中，我们给出了一个有参量EQ或者两者兼有的EQ。其设计过程如下：
3.1 数字均衡器实现方案选择
方案一：采用ARM（嵌入式系统）实现数字均衡
基于精简指令集（RISC）的32位ARM微控制器具有一定的数字信号处理能力，可以用来实现简单的数字均衡器，但当均衡器的功能及性能要求较高时，ARM就不能胜任了。
方案二：采用基于DSP的数字信号处理系统
数字信号处理器具有强大的数字信号处理功能，能够胜任较为复杂的音频信号的各种处理功能，速度快，功耗低。但是DSP弱于事务管理。往往要结合其它处理器，实现友好的人机界面。
方案三：大规模可编程器件
利用大规模可编程器件实现的算法是以逻辑运算完成的最大优越性在于“高速”，实现算法的系统延时非常小，但价格较高。
综合以上各种因素，并考虑到我们的知识与能力，我们选择DSP实现音频信号的数字均衡，并以DSP实现简单的人机界面。
3.2 数字均衡算法选择
3.2.1 软件理论实现方案有三种，如下：
方案一：带通滤波器
根据数字均衡基本原理，我们可以采用一组中心频率和带宽符合一定要求、增益可调的带通滤波器（band-pass filter）实现均衡，并采用MATLAB等计算机辅助分析与设计工具，选择设计理想的滤波器，生成滤波函数的时域冲激响应系数，最后在DSP中以时域卷积的形式实现滤波与均衡。
方案二：傅立叶变换
傅立叶变换是将信号从时域变换到频域的一种变换形式，是信号处理领域中的一种重要的分析工具。离散傅立叶变换（DFT）是连续傅立叶变换在离散系统中的表现形式。在信号的频谱分析、系统分析、设计和实现中都会用到DFT的计算。快速傅立叶变换（FFT）算法，这是一种快速计算的DFT，可以明显降低运算量，大大地提高了DFT的运算速度。
综上所述，由于水平有限，我们在软件理论中采用了带通滤波器的方式。
3.2.2用Matlab实现带通滤波器
Matlab的信号处理工具箱提供了支持实现FIR滤波器和IIR滤波器设计方法的函数，以下是通过Matlab所画出的滤波图。
4 低频功放的硬件设计
由于甲类功率放大器的效率小于50%，所以不符合题目中≥60%的要求。B类功率放大器虽然效率较高，但是其交越较大，所以也不符合要求。AB类功放存在着交越失真，也不符合，所以选择D类功率放大器。D类功放具有效率高、体积小、输出功率大等优点。
低频功率放大器
对于D类功放有三种方案
4.1 采用专用的D类功放器件
此类D 类功放主要由脉冲宽度调制器、开关放大器和低通滤波器等三部分组成，由三角波发生器、比较器和音频输入信号构成脉宽调制器( PWM )；两只输出场效应管组成开关放大器；LF 和 CF 构成低通滤波器，用以恢复音频信号。驱动级用来驱动开关放大器，使放大器输出信号为在和间切换的高频方波。
图.4经典D 类功放结构示意图
4.2 基于或的D类功率放大器件
首先对输入的音频PCM信号进行采样, 然后进入DSP 处理系统进行数字变换和滤波, 包括差值运算器, 数字低通滤波器和Σ- △调制器。然后用已经获得的二进制序列法去控制MOS管的通断, 并通过模拟的0~24K 的低通滤波器传输到模拟输出。
此方案是利用DSP 芯片的高速计算能力, 实现了数字功率放大器的功能及数字处理本身的特性, 整个放大过程的精度、 信噪比和延时都可以通过对算法的修改来实现,。比PWM技术具有更大的灵活性, 且能实现较好的还原效果。
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