数据的采集与音频信号的频谱分析课程设计

中北大学课程设计说明书学生姓名：谢航飞学号：1305014126学院：信息与通信工程学院专业：电子信息工程题目：信息处理信息实践：数据的采集与音频信号的频谱分析指导教师：王玉职称：副教授2016年1月22日中北大学课程设计任务书15/16学年第一学期学院：信息与通信工程学院专业：电子信息工程学生姓名：关炜学号：1305014102学生姓名：谢航飞学号：1305014126学生姓名：李庆学号：1305014140课程设计题目：信息处理信息实践：数据的采集与音频信号的频谱分析起迄日期：2016年1月4日～2016年1月22日课程设计地点：学院楼201实验室指导教师：王玉负责人：王浩全下达任务书日期：2016年1月4日课程设计任务书1．设计目的：（1）掌握USB总线或PCI总线的基本结构，了解基于USB总线或PCI总线A/D卡的通用结构；（2）掌握数据采集卡采集数据的过程和原理；（3）了解MATLAB的信号处理技术；（4）掌握MATLAB实现音频信号的读取、保存、拼接与频谱分析。2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：（1）查阅相关资料，撰写关于基于USB总线或PCI总线A/D卡的报告；（2）采用A/D卡采集信号发生器产生的信号；（3）采用MATLAB读取两个以上音频信号，截取各信号中的一段进行拼接，并进行频谱分析，并讨论不同的采样频率对频谱的影响；（4）保存拼接后的音频信号，并进行播放证实存储的正确性，同时对拼接后的信号进行频谱分析，并与原有信号的频谱作对比；（5）要求3位同学完成。3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：（1）要求设计组的每个成员都要了解设计的要求和思路；（2）MATLAB数据处理部分要求有正确的运行结果及结果分析；（3）数据处理部分要求每位同学有自己的理解；（4）每位同学针对上述内容撰写设计说明书（每人1份）。课程设计任务书4．主要参考文献：1黄顺吉.数字信号处理及其应用.北京：国防工业出版社，19822陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用[M].北京：电子工业出版社.2008，13赵知劲，刘顺蓝.数字信号处理实验.杭州：浙江大学出版社，20074程佩青.数字信号处理教程.北京：清华大学出版社，20075徐明远，刘增力.MATLAB仿真在信号处理中的应用.西安：西安电子科技大学出版社，20076丛玉良，王宏志.数字信号处理原理及其MATLAB实现(第2版).北京：电子工业出版社，20095．设计成果形式及要求：课程设计说明书程序运行结果6．工作计划及进度：2016年1月4日~1月6日：查资料，了解基于USB总线或PCI总线A/D卡的通用结构以及A/D采集卡的应用；1月7日~1月20日：在老师指导下完成课程设计内容；1月20日~1月22日：撰写课程设计说明书、答辩。负责人审查意见：签字：年月日目录一、A/D卡设计......................................................11.1基于USB总线的A/D卡.......................................11.2基于PCI总线的A/D卡.......................................21.2.1PCI的含义.............................................21.2.2PCI总线的基本结构.....................................31.2.3PCI的总线接口的含义...................................51.2.4PCI控制功能的实现.....................................61.2.5基于PCI的A/D卡的工作原理.............................7二、设计方案简介....................................................8三、语音信号的采集................................................83.1录音系统流程................................................9四、语音信号的分析................................................94.1语音信号时域分析..........................................94.2语音信号频域分析...........................................10五、程序设计及仿真图..............................................10六、语音信号的读取、拼接、保存与频谱分析...........................116.1设计条件及主要参数表.......................................126.2设计主要参数计算...........................................126.2.2采样频率对语音频谱的影响..............................22七、心得体会.......................................................25八、参考文献.......................................................25第1页一、A/D卡设计1.1基于USB总线的A/D卡1.USB总线介绍USB总线为通用串行总线，USB接口位于PS/2接口和串并口之间，允许外设在开机状态下热插拔，最多可串接下来127个外设，传输速率可达480Mb/S，P它可以向低压设备提供5伏电源，同时可以减少PC机I/O接口数量。USB是基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。数据采集就是把来自各种传感器的信号数据实时地、准确地测量或汇集起来，用计算机进行实时处理或记录存储，实时完成测试和控制功能。数据采集系统结构通过微机的标准接口连接各种功能模块、仪器仪表和传感器，组成测量系统。2．USB接口电路设计图1.1USB接口电路图R3是上拉电阻器，它可使USB口的D+端上拉到DS2490S的VB端，表示USB主机系统是高速设备，同时这个上拉电阻器告诉主机有USB设备插入。该上拉电阻器的设置对适配器的影响很大，它的负载值和1-Wire网络的总长决定1-Wire总线电压上升到5V的速度。经过实验测试选择R3的阻值为27Ω±lO%。R1、R2为USB数据线保护电阻器。L、L2具有禁止高频干扰并且减弱EMI辐射的功能。LF33CV为3.3V电压稳压器，与周围元件C1、C2组成强上拉部分，给EEPROM第2页或温度传感器等器件提供额外的电源。3.USB接口的数据采集系统的设计实现数据采集系统使用采集卡进行数据采集，然后经过A/D转换器供计算机加工处理。基于USB接口的数据采集与频谱分析系统本系统结构由硬件部分和软件部分组成，硬件部分主要有计算机、I/O接口设备.计算机作为硬件平台的核心可采用台式机，系统采用的I/O设备为A/D数据采集卡，该采集卡是一种基于USB总线数据采集产品，可与带USB接口的各种台式计算机、笔记本电脑、工控机连接构成高性能的数据采集测量系统.整个系统主要由4部分组成：USB接口芯片及外围电路、控制电路、数据缓冲电路和A／D转换电路。USB接口芯片选择了Cypress公司的EZ-USB2131Q，该芯片内嵌8051控制器，因此整个系统以EZ-USB控制器为核心，由EZ-USB经控制电路实现对A／D转换电路和数据缓冲电路的控制，模拟信号转换后的数据送入数据缓冲器，当数据缓冲器存满之后，通知EZ-USB控制器，由主机取出数据。4.A／D转换电路声卡是计算机对语音信号进行加工的重要部件，它具有对信号滤波、放大、采样保持、A/D和D/A转换等功能。系统中A／D转换芯片采用了MAXIM公司的MAX122，该芯片是12b的高速的A／D转换器。在完全转换模式下，他的转换时间可以达到2．6&mu；s，采样率为333kS／s。MAX122有5种工作模式，在数据采集系统中，采用了模式2即连续转换模式。在这种模式下，每次转换需要13～14个时钟脉冲节拍，转换可以不间断地进行，但是需要提供开始转换使能信号，并且要保证使能信号和时钟信号同步，读信号和片选始终处于有效状态。数据输出使能信号一直有效，在转换结束时产生新的数据。1.2基于PCI总线的A/D卡1.2.1PCI的含义PCI是由Intel公司1991年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI是在第3页CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供了连接接口，它的工作频率为33MHz/66MHz。PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。PCI是PeripheralComponentInterconnect(外设部件互连标准)的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。PCI插槽也是主板带有最多数量的插槽类型，在目前流行的台式机主板上，ATX结构的主板一般带有5～6个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有2～3个PCI插槽，可见其应用的广泛性。1.2.2PCI总线的基本结构1、PCI总线PCI总线由HOST主桥或者PCI桥管理，用来连接各类设备，如声卡、网卡和IDE接口卡等。在一个处理器系统中，可以通过PCI桥扩展PCI总线，并形成具有血缘关系的多级PCI总线，从而形成PCI总线树型结构。在处理器系统中有几个HOST主桥，就有几颗这样的PCI总线树，而每一颗PCI总线树都与一个PCI总线域对应。与HOST主桥直接连接的PCI总线通常被命名为PCI总线0。考虑到在一个处理器系统中可能有多个主桥，图1-1将HOST主桥x推出的PCI总线命名为x0总线，而将PCI桥x1扩展出的PCI总线称之为x1总线；而将HOST主桥y推出的PCI总线称为y0-yn。分属不同PCI总线树的设备，其使用的PCI总线地址空间分属于不同的PCI总线域空间。2、PCI设备在PCI总线中有三类设备，PCI主设备、PCI从设备和桥设备。其中PCI从设备只能被动地接收来自HOST主桥，或者其他PCI设备的读写请求；而PCI主设备可以通过总线仲裁获得PCI总线的使用权，主动地向其他PCI设备或者主存第4页储器发起存储器读写请求。而桥设备的主要作用是管理下游的PCI总线，并转发上下游总线之间的总线事务。一个PCI设备可以即是主设备也是从设备，但是在同一个时刻，这个PCI设备或者为主设备或者为从设备。PCI总线规范将PCI主从设备统称为PCIAgent设备。在处理器系统中常见的PCI网卡、显卡、声卡等设备都属于PCIAgent设备。在PCI总线中，HOST主桥是一个特殊的PCI设备，该设备可以获取PCI总线的控制权访问PCI设备，也可以被PCI设备访问。但是HOST主桥并不是PCI设备。PCI规范也没有规定如何设计HOST主桥。在PCI总线中，还有一类特殊的设备，即桥设备。桥设备包括PCI桥、PCI-to-(E)ISA桥和PCI-to-Cardbus桥。PCI桥的存在使PCI总线极具扩展性，处理器系统可以使用PCI桥进一步扩展PCI总线。PCI桥的出现使得采用PCI总线进行大规模系统互连成为可能。但是在目前已经实