1、基于基于 FPGAFPGA 的音频处理系统设计的音频处理系统设计 1 1 课题来源：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
2、速度提 出了更高的要求。 2 2 研究的目的和意义：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
3、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
4、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 3 国内外的研究现状和发展趋势：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
5、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1213.5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
6、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
