基于fpga的音頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)(畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告)

1、<p>　　基于FPGA的音頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1 課題來源：</b></p><p>　　隨著數(shù)字記錄技術(shù)和大規(guī)模集成 電路技術(shù)的迅速發(fā)展,消費(fèi)類電子產(chǎn)品正以日新月異的新姿展現(xiàn)在當(dāng)代人的面前,音響類 娛樂產(chǎn)品的多樣化、小型化與數(shù)字化及品種的琳瑯滿目豐富了音響產(chǎn)品市場(chǎng),滿足了多層次消費(fèi)者的不同需要。在這些科技產(chǎn)品的快速發(fā)展過程中，數(shù)字

2、音頻技術(shù)在其中扮演著重要的角色。</p><p>　　現(xiàn)在音頻處理技術(shù)的任務(wù)越來越復(fù)雜,對(duì)信號(hào)處理的效果要求不斷提高,音頻處理技術(shù)的算法也越來越復(fù)雜，要求在幾十ms甚至幾ms的時(shí)間內(nèi)完成音頻信號(hào)大量的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸,這就對(duì)音頻處理系統(tǒng)處理器的運(yùn)算速度提出了更高的要求。</p><p>　　2 研究的目的和意義：</p><p>　　隨著消費(fèi)電子的快速發(fā)展

3、，數(shù)字音頻技術(shù)的應(yīng)用顯得越來越重要，對(duì)數(shù)字音頻技術(shù)的研究符合市場(chǎng)與科技需求。數(shù)字音頻處理技術(shù)涉及生活的方方面面,包括濾波器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、人工智能、模式識(shí)別、編碼學(xué)、等多個(gè)學(xué)科的知識(shí),是信息化技術(shù)類學(xué)科當(dāng)中發(fā)展極為迅速的一個(gè)方向之一。音頻信號(hào)處理技術(shù)包含的內(nèi)容非常多,主要有信號(hào)存儲(chǔ)、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別、音頻壓縮、語(yǔ)音理解、音頻編碼、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音增強(qiáng)等多個(gè)分支,總而言之,音頻信號(hào)處理技術(shù)包括音頻信號(hào)的數(shù)字化處理、數(shù)字化實(shí)現(xiàn)、數(shù)字化變

4、換、數(shù)字化存儲(chǔ)、數(shù)字化傳播、及音頻的變換、語(yǔ)音的處理、語(yǔ)音的識(shí)別等自然科學(xué)多個(gè)領(lǐng)域的綜合運(yùn)用。</p><p>　　傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器采用乘法和累加結(jié)構(gòu),需要進(jìn)行多次的乘法和加法運(yùn)算。由于乘法器龐大的結(jié)構(gòu),占用了系統(tǒng)芯片上的大部分面積,消耗了大部分功率,使得音頻處理系統(tǒng)在體積和處理速度上存在著不足,所以傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器不能很好的滿足家用和便攜式音頻處理器對(duì)體積小、功耗小信號(hào)處理速度高的要求。而近些年來使用范圍越來越

5、廣泛，技術(shù)越來越成熟的FPGA器件對(duì)于解決對(duì)于解決音頻信號(hào)的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?；贔PGA器件的音頻信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方案,在于對(duì)聲音信號(hào)的收集、處理及應(yīng)用,工作的重點(diǎn)是在噪聲環(huán)境中如何能有效地地把需要的語(yǔ)音信號(hào)提取出來開,消除或者衰減噪聲,這涉及到濾波器的設(shè)計(jì),通過數(shù)字濾波來處理噪聲信號(hào)。</p><p>　　3 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)：</p><p>　　20世紀(jì)50年

6、代開發(fā)成功的晶體管，代表著音頻放大技術(shù)的巨大飛躍。但晶體管技術(shù)至少具有兩個(gè)重大缺陷。盡管晶體管比烤得整個(gè)房間發(fā)熱的電子管更具效率，但只是迅速取代了真空管，實(shí)際上基本未觸動(dòng)上游信號(hào)源。利用發(fā)熱更少、效率更高的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的設(shè)計(jì)工藝只是剛剛進(jìn)入包括音頻在內(nèi)的許多市場(chǎng)。當(dāng)時(shí)由于使用的是質(zhì)量相對(duì)較低的存儲(chǔ)媒體(vinyl和磁帶)、傳輸和接收技術(shù)(AM收音機(jī)和VHS電視)也不夠完美，音質(zhì)下降的問題顯得還不是那么明顯和突出，但是現(xiàn)在的情況已全然

7、不同。</p><p>　　早在20世紀(jì)60年代，集成電路的發(fā)展就為顯著提高音質(zhì)提供了一個(gè)物美價(jià)廉的手段，并有力地促進(jìn)了電子產(chǎn)品的小型化。在這個(gè)階段，由于所有的音源都是模擬式的，聽得見的噪聲背景限制了可重復(fù)的動(dòng)態(tài)范圍。</p><p>　　隨著時(shí)代的發(fā)展，新型音源出現(xiàn)了，幾乎完全進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代。MP3等壓縮技術(shù)開始出現(xiàn)，進(jìn)而需要數(shù)字放大器電路來滿足這些新型媒體。早期的數(shù)字放大器與模擬音源配

8、合得很好，在某種程度上與數(shù)字音源的配合也不錯(cuò)，但最多只能生成分辨率為12~13.5位的音頻。</p><p>　　新型的多媒體產(chǎn)品需要全16位的音頻重現(xiàn)，以支持市場(chǎng)所要求環(huán)繞聲、回響和音樂廳效果等越來越多的空間特點(diǎn)。典型的D類數(shù)字放大器，有些具有模擬輸入，有些具有數(shù)字輸出，不能滿足上述目標(biāo)，因?yàn)楸M管它們成本低和效率高，但缺乏生成精確音頻所需的分辨率。而且，這些元件甚至不能滿足 CD機(jī)、汽車立體聲系統(tǒng)、DVD影碟機(jī)

9、或MP3播放器等越來越普通的先進(jìn)設(shè)備。利用CD發(fā)行數(shù)字音頻，消除了音頻信號(hào)格式方面的一個(gè)弱點(diǎn)。最終很輕便的手持式設(shè)備甚至都可以實(shí)現(xiàn)影院級(jí)音質(zhì)。</p><p>　　隨著家用和便攜式音頻處理器如DVD音頻唱盤、MP3多媒體播放器、助聽器等對(duì)音質(zhì)、體積、功耗和處理速度的要求越來越苛刻,數(shù)字音頻處理技術(shù)逐漸取代模擬音頻處理技術(shù),并且得到了迅速的普及和發(fā)展。數(shù)字音頻處理即使被復(fù)制無數(shù)次,數(shù)字音頻信號(hào)絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)任何信號(hào)丟

10、失或發(fā)生變化的情況數(shù)字音頻技術(shù)是通過將聲波波形轉(zhuǎn)換成一連串的二進(jìn)制的數(shù)據(jù)來保存聲音的。</p><p>　　理論上，數(shù)字音頻信號(hào)是沒有噪聲的，它被作為一系列的“0”和“1”加以處理，沒有給可能引起微小失真的噪聲留下任何空間。盡管現(xiàn)有的數(shù)字化處理技術(shù)較以前的技術(shù)已有所改善，但它們?cè)谝糍|(zhì)、封裝、性能、價(jià)格和核心技術(shù)方面還需要進(jìn)行改進(jìn)。首先是音質(zhì)，為了生成精確的音頻，除了在音源上進(jìn)行改進(jìn)之外，在音頻信號(hào)傳輸過程中，對(duì)音

11、頻信號(hào)的優(yōu)化、處理也是一個(gè)重要的研究對(duì)象。</p><p>　　音頻信號(hào)處理系統(tǒng)要求,音頻信號(hào)在通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)/模轉(zhuǎn)換后,要盡可能接近輸入的模擬信號(hào),做到盡量可能少的失真,還要把噪聲盡可能地過濾到,達(dá)到完美的語(yǔ)音音質(zhì)。數(shù)字化信號(hào)處理技術(shù)能較好地完成此類任務(wù),能很好地完成音頻信號(hào)合成、編輯、效果處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙ぷ?但是數(shù)字化音頻處理技術(shù),也并不是要全部釆用數(shù)字信號(hào)而忽略模擬信號(hào)的處理,而是數(shù)字信號(hào)處理和模擬

12、信號(hào)處理相結(jié)合,做到揚(yáng)長(zhǎng)避短,用數(shù)字化處理技術(shù)來完成傳統(tǒng)音頻處理無法或難以完成的部分,盡可能實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)完美的音質(zhì),做到數(shù)字處理與模擬處理的和協(xié)統(tǒng)一是信號(hào)處理技術(shù)唯一目的。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的數(shù)字化處理一般有兩種實(shí)現(xiàn)方法:一種是采用專用或通用的信號(hào)處理器,通過處理器及一些輔助的結(jié)構(gòu)組建一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的實(shí)時(shí)處理,系統(tǒng)包括通用(專用)數(shù)字信號(hào)處理器芯片、接口芯片、存儲(chǔ)芯片、信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片等組成。

13、這種方法常屬于專用處理系統(tǒng)，可以開發(fā)成為擁有獨(dú)立系統(tǒng)的產(chǎn)品使用。另一種方法是用電腦作為主處理器,掛接幾塊數(shù)字化信號(hào)處理板組成數(shù)字化處理系統(tǒng)，主要用于音頻識(shí)別、音頻合成等。</p><p>　　4 研究的主要內(nèi)容：</p><p>　　在日常遇到的問題中有很多需要進(jìn)行聲音處理,本文提出了一種基于FPGA器件的音頻信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方案,探討聲音信號(hào)的收集、處理及應(yīng)用,工作的重點(diǎn)是在噪聲環(huán)境中如何

14、能有效地地把需要的語(yǔ)音信號(hào)提取出來開,消除或者衰減噪聲,這涉及到濾波器的設(shè)計(jì),通過數(shù)字濾波來處理噪聲信號(hào)。</p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的FIR濾波器的性能指標(biāo)為：階數(shù)N：8；采樣頻率：44.1KHz；頻率范圍：20~20KHZ；采樣數(shù)據(jù)位數(shù)：16位。</p><p>　　通過算法改良，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)8階FIR濾波器,普通的算法需要8次的乘法和7次的加法。所以至少需要一個(gè)硬件乘法器和一個(gè)定

15、點(diǎn)或者浮點(diǎn)加法器來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。而經(jīng)過改良后的濾波算法則只需要若干次加法和16次移位操作即可完成FIR濾波,這使得算法的復(fù)雜度和功耗都大大降低，也使芯片的面積大大節(jié)約。</p><p>　　5工作的主要階段、進(jìn)度：</p><p>　　6最終目標(biāo)及完成時(shí)間：</p><p>　　對(duì)Altera 公司的新一代嵌入式處理器NiosⅡ進(jìn)行研究,利用SOPC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于N

16、iosⅡ嵌入式處理器的數(shù)字音頻處理系統(tǒng)。計(jì)劃至5月20號(hào)完成整個(gè)的設(shè)計(jì)以及論文的書寫。</p><p>　　7現(xiàn)有條件及必須采取的措施</p><p>　　在指導(dǎo)老師的幫助下，充分利用電氣信息樓四樓的手機(jī)實(shí)驗(yàn)室以及開發(fā)板資源，盡全力做出最好的畢業(yè)設(shè)計(jì)。</p><p>　　8協(xié)助單位及要解決的主要問題</p><p>　　計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院手機(jī)

17、實(shí)驗(yàn)室，計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院通信工程系。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　1劉桂華.基于FPGA的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2012,9</p><p>　　2楊軍,丁洪偉.基于FPGA的FFT處理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[M].科學(xué)出版社2012,11`</p><p>

18、;　　4周潤(rùn)景,蘇良碧.基于Quartus 2的FPGA/CPLD數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例(第2版)[M].電子工業(yè)出版社,2013.1</p><p>　　5郭黎利,李北明,竇崢.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)[M].國(guó)防工業(yè)出版社,2013,2 </p><p>　　6羅納德.貝利,原魁 (譯)基于FPGA的嵌入式圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社2013,2</p><p

19、>　　7 杜勇.數(shù)字通信同步技術(shù)的MATLAB與FPGA實(shí)現(xiàn)[M].電子工業(yè)出版社, 2013,4</p><p>　　8任文平.EDA技術(shù)與FPGA工程實(shí)例開發(fā)[M]機(jī)械工業(yè)出版社,2013,9 </p><p>　　9 林英撐.FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)指南.中國(guó)電力出版社2012.6</p><p>　　10劉波文、張軍.FPGA嵌入式項(xiàng)目開發(fā). 北京

20、航空航天大學(xué)出版社,2012,5</p><p>　　11 薩斯(Sass R.).FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐[M].清華大學(xué)出版社,2012.4</p><p>　　12杜勇.數(shù)字濾波器的MATLAB與FPGA實(shí)現(xiàn)[M].電子工業(yè)出版社,2013,3</p><p>　　13禇振勇、翁木云、 高楷娟.FPGA設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].西安電子科學(xué)大學(xué)出版社,2012

21、.4</p><p>　　14楊軍、張偉平.面向SOPC的FPGA設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].科學(xué)出版社,2012.3</p><p>　　15Computer Architecture and Security: Fundamentals of Designing Secure Computer Systems Wang, Shuangbao Paul、 Ledley, Robert S. Joh

22、n Wiley & Sons Inc .2013.11</p><p>　　16FPGA Imaging Gorgon, Marek Springer-Verlag New York Inc. (2014-03)</p><p>　　17Entwurf Eingebetteter Systeme: Vergleich Von Mikroprozessor- Und FPGA-Sys

23、temen Gessler, Ralf Springer Vieweg (2014-01) </p><p>　　18Computer Architecture and Security: Fundamentals of Designing Secure Computer Systems Wang, Shuangbao Paul、 Ledley, Robert S. John Wiley & Sons I