基于FPGA的音频处理系统设计(毕业设计开题报告)

基于FPGA的音频处理系统设计

1 课题来源：

随着数字记录技术和大规模集成电路技术的迅速发展,消费类电子产品正以日新月异的新姿展现在当代人的面前,音响类娱乐产品的多样化、小型化与数字化及品种的琳琅满目丰富了音响产品市场,满足了多层次消费者的不同需要。在这些科技产品的快速发展过程中，数字音频技术在其中扮演着重要的角色。

现在音频处理技术的任务越来越复杂,对信号处理的效果要求不断提高,音频处理技术的算法也越来越复杂，要求在几十ms甚至几ms的时间内完成音频信号大量的数据采集、处理、存储、传输,这就对音频处理系统处理器的运算速度提出了更高的要求。

2 研究的目的和意义：

随着消费电子的快速发展，数字音频技术的应用显得越来越重要，对数字音频技术的研究符合市场与科技需求。数字音频处理技术涉及生活的方方面面,包括滤波器技术、数字信号处理、人工智能、模式识别、编码学、等多个学科的知识,是信息化技术类学科当中发展极为迅速的一个方向之一。音频信号处理技术包含的内容非常多,主要有信号存储、语音合成、语音识别、音频压缩、语音理解、音频编码、语音识别、语音增强等多个分支,总而言之,音频信号处理技术包括音频信号的数字化处理、数字化实现、数字化变换、数字化存储、数字化传播、及音频的变换、语音的处理、语音的识别等自然科学多个领域的综合运用。

传统的数字滤波器采用乘法和累加结构,需要进行多次的乘法和加法运算。由于乘法器庞大的结构,占用了系统芯片上的大部分面积,消耗了大部分功率,使得音频处理系统在体积和处理速度上存在着不足,所以传统的数字滤波器不能很好的满足家用和便携式音频处理器对体积小、功耗小信号处理速度高的要求。而近些年来使用范围越来越广泛，技术越来越成熟的FPGA器件对于解决对于解决音频信号的高标准、高要求有着其独特的优势。基于FPGA器件的音频信号处理的实现方案,在于对声音信号的收集、处理及应用,工作的重点是在噪声环境中如何能有效地地把需要的语音信号提取出来开,消除或者衰减噪声,这涉及到滤波器

的设计,通过数字滤波来处理噪声信号。

3 国内外的研究现状和发展趋势：

20世纪50年代开发成功的晶体管，代表着音频放大技术的巨大飞跃。但晶体管技术至少具有两个重大缺陷。尽管晶体管比烤得整个房间发热的电子管更具效率，但只是迅速取代了真空管，实际上基本未触动上游信号源。利用发热更少、效率更高的数字信号处理技术的设计工艺只是刚刚进入包括音频在内的许多市场。当时由于使用的是质量相对较低的存储媒体(vinyl和磁带)、传输和接收技术(AM收音机和VHS电视)也不够完美，音质下降的问题显得还不是那么明显和突出，但是现在的情况已全然不同。

早在20世纪60年代，集成电路的发展就为显著提高音质提供了一个物美价廉的手段，并有力地促进了电子产品的小型化。在这个阶段，由于所有的音源都是模拟式的，听得见的噪声背景限制了可重复的动态范围。

随着时代的发展，新型音源出现了，几乎完全进入了数字时代。MP3等压缩技术开始出现，进而需要数字放大器电路来满足这些新型媒体。早期的数字放大器与模拟音源配合得很好，在某种程度上与数字音源的配合也不错，但最多只能生成分辨率为12~13.5位的音频。

新型的多媒体产品需要全16位的音频重现，以支持市场所要求环绕声、回响和音乐厅效果等越来越多的空间特点。典型的D类数字放大器，有些具有模拟输入，有些具有数字输出，不能满足上述目标，因为尽管它们成本低和效率高，但缺乏生成精确音频所需的分辨率。而且，这些元件甚至不能满足 CD机、汽车立体声系统、DVD影碟机或MP3播放器等越来越普通的先进设备。利用CD发行数字音频，消除了音频信号格式方面的一个弱点。最终很轻便的手持式设备甚至都可以实现影院级音质。

随着家用和便携式音频处理器如DVD音频唱盘、MP3多媒体播放器、助听器等对音质、体积、功耗和处理速度的要求越来越苛刻,数字音频处理技术逐渐取代模拟音频处理技术,并且得到了迅速的普及和发展。数字音频处理即使被复制无数次,数字音频信号绝对不会出现任何信号丢失或发生变化的情况数字音频技术是通过将声波波形转换成一连串的二进制的数据来保存声音的。

理论上，数字音频信号是没有噪声的，它被作为一系列的“0”和“1”加以处理，没有给可能引起微小失真的噪声留下任何空间。尽管现有的数字化处理技术较以前的技术已有所改善，但它们在音质、封装、性能、价格和核心技术方面还需要进行改进。首先是音质，为了生成精确的音频，除了在音源上进行改进之外，在音频信号传输过程中，对音频信号的优化、处理也是一个重要的研究对象。

音频信号处理系统要求,音频信号在通过模/数转换及数/模转换后,要尽可能接近输入的模拟信号,做到尽量可能少的失真,还要把噪声尽可能地过滤到,达到完美的语音音质。数字化信号处理技术能较好地完成此类任务,能很好地完成音频信号合成、编辑、效果处理、存储、传输等工作,但是数字化音频处理技术,也并不是要全部釆用数字信号而忽略模拟信号的处理,而是数字信号处理和模拟信号处理相结合,做到扬长避短,用数字化处理技术来完成传统音频处理无法或难以完成的部分,尽可能实现输出信号完美的音质,做到数字处理与模拟处理的和协统一是信号处理技术唯一目的。

实现音频信号的数字化处理一般有两种实现方法:一种是采用专用或通用的信号处理器,通过处理器及一些辅助的结构组建一个独立的系统进行信号的实时处理,系统包括通用(专用)数字信号处理器芯片、接口芯片、存储芯片、信号转换芯片等组成。这种方法常属于专用处理系统，可以开发成为拥有独立系统的产品使用。另一种方法是用电脑作为主处理器,挂接几块数字化信号处理板组成数字化处理系统，主要用于音频识别、音频合成等。

4 研究的主要内容：

在日常遇到的问题中有很多需要进行声音处理,本文提出了一种基于FPGA器件的音频信号处理的实现方案,探讨声音信号的收集、处理及应用,工作的重点是在噪声环境中如何能有效地地把需要的语音信号提取出来开,消除或者衰减噪声,这涉及到滤波器的设计,通过数字滤波来处理噪声信号。

本文所设计的FIR滤波器的性能指标为：阶数N：8；采样频率：44.1KHz；频率范围：20~20KHZ；采样数据位数：16位。

通过算法改良，可以实现一个8阶FIR滤波器,普通的算法需要8次的乘法和7次的加法。所以至少需要一个硬件乘法器和一个定点或者浮点加法器来实现这个