基于FPGA的音频信号处理完整版doc资料.docx
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基于FPGA的音频信号处理完整版doc资料
毕业设计(论文开题报告课题名称:
基于FPGA的音频信号处理
指导老师:
陈嘉庚
学生:
华电子
班级:
T483-2
学号:
7
专业:
电子信息科学与技术(电子信息工程
时间:
2021年3月1日
“基于FPGA的音频信号处理”开题报告
音频信号的处理在语音、声纳、地震、通信系统、机械振动、遥感预测、故障诊断等众多领域都得到广泛应用。
对音频信号的处理时主要应用数字信号处理技术,灵活方便的实现复杂信号的处理任务,达到高精度、高稳定性和高机动性。
随着数字技术日益广泛的应用,以现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray为代表的ASIC器件得到了迅速的普及和发展,器件的集成度和速度都在高速增长。
FPGA既具有门阵列的高逻辑密度和高可靠性,又具有可编程逻辑器件的用户可编程性,可以减少系统的设计和维护的风险,降低产品成本,缩短设计周期。
目前,信号处理技术、通信技术和多媒体技术的迅猛发展都得益于DSP技术的广泛应用。
但是对于便携式和家用的语音系统而言,基于一般的DSP芯片的设计方案并不理想。
首先DSP的芯片成本以及开发成本在现阶段仍然是比较高的,尤其是芯片成本,远远不及大批量ASIC芯片成本之低。
其次便携式的设备对体积要求十分苛刻,限制了一部分DSP芯片的使用,而体积正是ASIC芯片的优点之一。
本文提出了一种基于FPGA的音频信号的处理的硬件电路实现方案。
采用FIR滤波器和IIR滤波器的算法,将音频信号的高音和低音部分分离出来形成左右声道,通过耳机放大器输出,可以直接驱动耳机或有源音箱。
一、课题研究背景
(一国内外的研究现状
1、数字信号处理大都采用DSP与FPGA
现在方兴未艾的移动通信许多关键技术:
CDMA技术,软件无线电,多用户检测等技术都依靠高性能的DSP与FPGA来实现。
第三代数字蜂窝通信系统和其它方兴为艾的高性能通信系统如宽带通信、MPEG-4和视频点播等的快速发展对DSP&FPGA提出了许多新的要求。
例如,对4096MHz的W-CDMA工作模式的软件无线电解决方案来说,所需的最高计算能力是每路约400MIPS,即1600MIPS。
随着超大规模集成电路技术的发展,芯片做得越来越小,制造线宽越来越窄,集成的晶体管越来越多,时钟频率越来越高。
软件无线电技术的发展和实用取决于高速集成电路,如DSP与FPGA、模/数、数/模的技术发展情况。
为了达到最大的灵活性,人们希望在天线输入/输出端和终端模拟输
入/输出接口进行模/数变换(ADC和数/模变换(DAC,由DSP与FPGA完成其间所有的处理任务,只要更改下载软件就可以满足用户需要其中最具挑战性和最重要的部分就是以DSP与FPGA为核心的实时信号处理器。
2、我国FPGA技术和产品的研究开发相对国外落后
我国在DSP技术和产品的研究开发成绩斐然,我国DSP技术起步较早,基本上与国外同步发展,而在FPGA方面的起步较晚。
全国有100来所高等院校从事DSP与FPGA的教学和科研,除了一部分DSP芯片需要从国外进口外,在信号处理理论和算法方面,与国外处于同等水平。
而在FPGA信号处理和系统方面,有了喜人的进展,正在进行与世界先进同样的研究。
(二课题研究的意义
1、数字信号处理的良好应用前景
数字信号处理是起源于十七和十八世纪数学的一个学科,今天它在各个科学和技术领域中,已经成为一种重要的现代化工具。
数字信号处理技术及其应用,目前正以惊人的速度向前发展着。
随着大规模集成电路的出现和数字部件的成本下降、体积缩小及运算速度提高,数字信号处理的应用日益广泛。
数字滤波技术是数字信号处理的重要组成部分,数字滤波的概念和模拟滤波器相同,只是信号的形式和实现滤波的方式不同,使得数字滤波器具有比模拟滤波器精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不要求阻抗匹配以及实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能等特点。
数字滤波器可用于图像处理和识别、语音处理和识别、通信、雷达、人工智能、核技术等多个领域。
2、充分发挥FPGA/CPLD的优势
数字滤波器的实现方法通常有以下几种:
(1采用在通用计算机系统中加上专用的加速处理机的方法;(2采用通用的可编程DSP芯片实现的方法;(3采用专用DSP芯片的方法,与通用DSP芯片相比,这种芯片将相应的滤波算法在芯片内部用硬件实现,不需要编程;(4采用普通硬件组合的方法,即采用加法器、乘法器、延时器设计专用的滤波器电路;(5采用EDA技术和FPGA/CPLD的方法等。
上述几种方法中,第(1种方法的缺点是速度较慢,一般可用于DSP算法的模拟。
第(2、(5种方法都可以通过编程来实现各种数字滤波,相比而言,第(2种因有专用的指令故编程较容易,而第(5种方法速度快、成本低、效率高。
第(3、(4种方法专用性强,应用受到很大的限制。
而数字滤波器的应用场合大都要求实时处理,有的还要进行复杂运算,因此对速度要求很高,而上述实现方法的前四种均难以满足这方面的要求。
采用FPGA/CPLD器件实现数字滤波
除了速度方面的优势以外,还具有开发周期短、成本低、安全性能等方面的优点。
3、完善利用FPGA/CPLD的数字滤波技术的应用
利用FPGA/CPLD对音频信号处理,还没有一个既简单有适用的产品,大多停留在理论研究,或是利用DSP芯片。
基于FPGA的音频信号的处理灵活运用了数字滤波技术,推动了数字滤波技术的发展。
二、课题研究内容
(一研究的主要内容
1、数字滤波算法
2、I2C总线控制音频编/解码芯片WM8731
3、方案的扩展
(1语音输出程控
(2进行FFT分析
(3NiosII控制
(二整体方案
1、方案结构框图
图2.1基于FPGA的音频信号的处理系统框图
2、主要方案选择
(1方案中的处理器选用了Altera公司的CycloneII系列FPGA中的EP2C35F672C6。
CycloneII系列FPGA是低成本FPGA在市场上取得成功之后,Altera公司推出的更低成本的FPGA,它将低成本FPGA的密度扩展到68416个逻辑单元(LEs,从而可以在低成本FPGA上实现复杂的数字系统。
CycloneII系列FPGA支持Altera公司的NiosII嵌入式软核处理器。
NiosII具有灵活的可配置特性,而且可以非常容易地实现各种外设的扩展。
对于并行事务处理,可以在一个FPGA上放置多个NiosII软核,大大提高了处理器的效率,也方便多个小组同时开发,进一步加快了新产品的研发速度。
在数字信号处理方面,CycloneII系列FPGA具有明显的优势。
CycloneII系列FPGA可以内置多达150个18x18的硬件乘法器,片上大容量的M4KRAM以及经过专门优化的对外部存储器的高速存取特性,使它们非常适合于数字信号处理器或协处理器的应用场合。
(2方案中选择了音频编/解码硬件芯片WM8731来实现音频的编/解码
本方案音频输入/输出由Wolfson公司的低功耗立体声24位音频编/解码芯片WM8731。
WM8731的音频采样速率为8~96kHz可调;提供2线与3线两种与主控制器的接口方式;支持四种音频数据格式:
I2S模式、左对齐模式、右对齐模式和DSP模式。
WM8731包含了线路输入、麦克风输入及耳机输出。
两路线路输入RLINEIN和LLINEIN能以1.5dB的步距在+12dB~-34.5dB范围内进行对数音量调节,完成A/D转换后,还可以进行高通数字滤波,有效去除输入中的直流成分。
一路麦克风输入可以在-6dB~34dB范围内进行音量调节。
这三路模拟输入都有单独的静音功能。
D/A转换器输出、线路输入旁路及麦克风输入经过侧音电路后可相加作为输出,可以直接驱动线路输出(LOUT和ROUT,也可以通过耳机放大器输出,以驱动耳机(RHPOUT和LHPOUT。
耳机放大电路的增益可以在+6dB~-73dB范围内以1dB步距进行调整。
(三课题研究中的重难点以及解决方案
本项目的研究关键在于数字滤波算法的实现和I2C总线协议,扎实的数字信号处理理论知识是成功设计的关键,只有理解了I2C总线协议才可以实现对音频编/解码芯片WM8731的控制。
为了解决上述问题,可以通过课本或Internet上查阅相关资料,认真学习理论知识、以及查看已有的相关程序,从而使本方案顺利实施。
湖北汽车工业学院毕业设计(开题报告)(四)课题的研究目标本项目的研究目标是:
设计一台提供音频的各种接口,能够调节音频频段,音量的分贝,选择产生各种音效,进行频谱分析,以及显示功能的通用音频信号处理器。
(五)预期成果形式1、论文发表基于FPGA的音频信号的处理的应用论文。
2、产品研究将研究的产品移植并试用音响设备或需要信号处理的设备中。
三、研究方法与技术路线
(一)研究方法与步骤本项目的研究主要采用理论推导,试验调试等方法。
1、方案的选取,通过对所选芯片的特性,选取合适算法和控制方法。
2、实际制作,并调试,将采用理论与试验相结合的方法。
(二)关键技术1、数字滤波器的设计;2、FPGA的编程技术;3、I2C的FPGA控制;四、研究基础
(一)已有相关成果可参考已发表的相关论文。
(二)研究条件湖北汽车工业学院电子信息科学系创新实验室五、进度安排:
2021年3月收集资料,方案确定;程序设计;2021年4月程序优化设计;5
・830 ・\A=系统工程与电子技术0.8\0.70.210.3\010.81\2020年 0.2007 结 论在AHP判断矩阵构造过程中,由于决策者自身心理因素、认识不清或者外界环境因素的影响,掌握的信息不足以确定决策对象的真实状态和数量关系而带来的纯主观的不确定性,而造成判断矩阵构造过程中序等价类变化的情况时常发生。
因此在决策过程中,必须提供一种有效的控制机制,来反映决策过程中的心理活动以及这种不确定性。
本文提供了一种前馈控制模型来定性分析序等价类,并考虑到决策过程中存在的不确定性,结合Fuzzy半序理论,经过运算并最终给出决策图进行分析。
但是如何克服决策心理抖动因素来构造一个稳定的判定矩阵,是下一步将要进行研究的问题。
根据式(3,将不确定矩阵A转换成Fuzzy拟半序关系矩阵R1R=0100.7500.571100010.7511经分析得知,矩阵R具有自反性、反对称性以及传递性,因此,R是半序关系矩阵,根据该Fuzzy矩阵,决策图如图3所示。
根据决策图,决策者可以很容易地得到一个经过定性分析的决策顺序,x1最佳,x4最次,且排列顺序是x1:
x3:
x2:
x4,根据箭头上的权重,后者次于前者的程度都很大,如x3次于x1的程度为1,表明决策者对于该准则下决策对象的优劣程度能够很明确地区分。
而最终定性分析的决策结果构成的序等价类{x1,x3,x2,x4}将作为控制序列直接参与到AHP判断矩阵的构造过程中,并指导决策者对判断矩阵进行构造。
(上接第783页参考文献:
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总第187期2021年第1期
舰船电子工程
ShipElectronicEngineering
Vol.30No.1129
基于SystemGenerator开发数字信号处理系统*
牛斌凯雍少为张建陈亮
(国防科技大学电子科学与工程学院卫星导航定位研发中心长沙410073
摘要在分析了传统数字信号处理开发方法不足的基础上提出采用基于SysGen的数字信号处理系统开发方法,并应用新方法设计验证了一套数字下变频系统,实验证明SysGen在数字信号处理开发方面具有明显优势。
关键词Simulink;systemgeneratorforDSP;数字下变频
中图分类号TN911.72
ResearchonDesignMethodforDigitalSignalProcessingSystemBasedonSystemGenerator
NiuBinkaiYongShaoweiZhangJianChenLiang
(SatelliteNavigationandPositioningR&DCenter,SchoolofElectronicScienceandEngineering,
NationalUniv.ofDefenseTechnology,Changsha410073
AbstractWiththeanalysisofthedefectionsoftraditionalDSPdesignmethods,thispaperproposedanovelmethodofDSPdesignbasedonthesystemgeneratortoolswhichprovidedasolutionofthesedefections.Asacasestudy,aFPGAimplementationofadigitdownconvertsystemwasderivedandverified.
KeyWordsSimulink,systemgeneratorforDSP,digitdownconvert
ClassNumberTN911.72
1引言
最近几年,FPGA已经成为数字信号处理系统的核心器件,其高速并行运算能力使得它成为高性能数字信号处理的理想平台[1]。
然而,数字信号处理设计者往往使用MATLAB或C/C++语言来进行系统建模,而FPGA设计者却使用的是硬件描述语言(HDLVHDL或Verilog,所以如何将两种设计方法相结合,具有一定挑战。
SysGen是一种系统级(或算法级的设计工具。
较传统的数字信号处理系统开发方式,它有着突出的优点:
首先,SysGen能够在Matlab/Simulink提供的高水平运行环境中对所需的硬件系统进行图形化建模,这种建模方式扩展了传统的HDL设计方式,提高了开发效率[2];其次,在Simulink环境下建模的数字系统可自动转换成ISE、FPGA工程,大大减少了系统控制逻辑设计用时及具体硬件实现用时,降低了出错概率;再次,对SysGen系统仿真时,Matlab强大的数据生成、处理功能与Modlsim等基础仿真工具很好的结合了起来,取代了编写复杂testbench的困难;另外,SysGen的硬件联合仿真功能,可以让FPGA作为系统设计的一部分,实现已经验证了的大规模并行计算,以此来加快系统其他部分仿真的速度。
本文通过分析数字系统设计传统方法与SysGen的技术特点,总结了基于SysGen的数字系统开发方法和一般流程,并应用该方法设计验证了一套数字下变频(DDC系统,通过系统仿真结果及分
*收稿日期:
2021年9月14日,修回日期:
2021年10月18日
作者简介:
牛斌凯,男,硕士,研究方向:
GPS接收机硬件实现、SOC技术等。
雍少为,男,教授,研究方向:
多址通信、卫星导航技术等。
张建,男,博士,讲师,研究方向:
GPS接收机设计、集成电路设计等。
陈亮,男,博士,研究方向:
析,证明了该方法对于数字系统的建模优势明显。
2基于FPGA的数字系统传统设计
方法
在传统设计方法中,系统级建模时往往使用Matlab、C++语言来描述各功能模块,而在寄存器传输级则使用
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