基于FPGA的人耳听觉频率特性仿生研究

论文摘要

神经科学是研究人神经系统结构和功能的科学，是对脑探索的科学。人的大脑是目前已知生物领域中的一个构造最为复杂的器官，同时也是一个智能性最高的器官。人脑智能信息处理这一领域已经成为信息处理技术的前沿，其中对人脑的智能仿生是目前智能信息处理领域的研究热点。对于声音的处理，人耳具有现有的人工声音处理系统所无法比拟的优越性。通过对人耳听觉频率特性的仿生，可以为声音识别和处理提供新的方法。目前基于人耳听觉频率特性的研究多数只停留在软件仿真阶段，只有少数用模拟滤波器来实现人耳听觉的频率选择特性，但是模拟电路使用大量的电容、电阻、运放来搭建，体积较为庞大，而且模拟器件容易受环境温度、电磁噪声等的影响，稳定性差。电路设计完成之后，参数改变，其滤波电路也要重新设计，给电路的反复设计带来了很大的不便。本文通过研究人耳听觉的生理结构，采用听觉数字滤波器组技术，以一组Gammatone滤波器仿真人耳基底膜的频率特性，并在软件仿真可行的基础上，提出用FPGA实现Gammatone滤波器的方法。系统整体设计用VHDL语言完成，最终配置到FPGA中，在SignalTapII中进行在线测试，验证设计的可行性。相比于模拟滤波器的设计方法，这种数字化设计具有抗干扰能力强，调试周期短等优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 人耳听觉频率特性研究现状
• 1.3 论文结构的安排
• 第二章 人耳听觉生理研究
• 2.1 声音特性
• 2.2 声音传导的途径
• 2.3 人耳生理结构
• 2.3.1 外耳生理结构
• 2.3.2 中耳生理
• 2.3.3 内耳生理
• 2.4 人耳基底膜位置与其相应的特征频率的关系
• 2.5 基底膜的滤波特性
• 2.6 本章小结
• 第三章 用 Gammatone 滤波器仿真人耳频率特性
• 3.1 Gammatone 滤波器
• 3.2 对 Gammatone 滤波器进行仿真
• 3.2.1 仿真平台介绍
• 3.2.2 纯音信号通过 Gammatone 滤波器组的仿真结果
• 3.2.3 复音信号通过 Gammatone 滤波器组的仿真结果
• 3.2.4 仿真结果分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 FPGA 的基本结构及 VHDL 设计语言
• 4.1 FPGA 的结构和工作原理
• 4.1.1 FPGA 介绍
• 4.1.2 FPGA 的查找表逻辑结构
• 4.1.3 FPGA 的内部结构
• 4.2 面向 FPGA 设计的开发流程
• 4.3 硬件描述语言 VHDL
• 4.4 本章小结
• 第五章 Gammatone 滤波器的 FPGA 实现
• 5.1 Gammatone 滤波器离散域变换
• 5.2 Gammatone 滤波器的系数的选取
• 5.3 Gammatone 滤波器二阶节结构模型设计
• 5.4 Gammatone 滤波器二阶节结构模块化设计
• 5.4.1 时钟模块
• 5.4.2 延时模块
• 5.4.3 乘加模块
• 5.4.4 截位模块
• 5.5 Gammatone 滤波器整体模块
• 5.6 硬件结构及顶层文件设计
• 5.7 Gammatone 滤波器测试
• 5.7.1 嵌入式逻辑分析仪 SignalTap II 的原理
• 5.7.2 使用 SignalTap II 测试 Gammatone 滤波器
• 5.8 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢