基于FPGA的IIR数字音频滤波器设计

论文摘要

当前模拟音频处理技术逐渐被数字音频处理技术取代,数字音频处理技术得到了迅速的普及和发展。数字滤波技术对采集到的音频信号进行变换处理后,就实现了音频处理的数字化。数字滤波是业内人士的研究热点,是数字信号处理技术中的关键技术之一。由于采用的乘法器结构庞大,传统的数字滤波器的音频处理系统在体积和处理速度上存在着不足。随着可编程逻辑器件的发展,FPGA在性能、成本、灵活性和功耗等方面具有明显的优势,在信号处理领域中基于FPGA的信号处理器已经被广泛的应用。本论文研究了数字滤波器的基本理论、数字音频处理方法和全相位数据预处理方法,完成了基于FPGA的IIR数字音频滤波器的设计与实现。首先,全相位数据预处理方法应用于数字音频处理中存在减小截断效应的优势,以N=4时无窗全相位数据预处理为例,对音频信号进行了预处理,结果表明,音频信号首尾波形平滑,都保持了连续性,另外缩小了旁谱泄露范围,减小谱间干扰,波形失真和泄露抑制得到了很好的改善,从而减小了截断误差。改进了IIR并行处理的实现方法,由二路并行处理改进为四路并行处理,提供一种基于FPGA的并行处理滤波器的实现方案,采用四路并行处理方法设计数字滤波器,并把经过无窗全相位数据预处理后的音频信号作为四路并行处理滤波器的输入。提出采用八路并行处理方法设计数字滤波器的设想,证明四路、八路并行处理的正确性与可实现性,应用硬件描述语言VHDL实现了设计。QuartusⅡ软件除了具有强大的编译综合功能外,还提供了一定的波形仿真功能。由于其输入和输出均以波形的形式给出,难以对结果进行定量分析。为了加强QuartusⅡ软件的仿真功能,提高设计效率,本论文主要采取MATLAB及QuartusⅡ联合仿真的方式,以经过无窗全相位数据预处理后的音频信号作为输入信号,对所设计的滤波器的滤波效果进行测试验证。实验系统测试结果表明,本论文所设计的IIR音频滤波器时钟频率得到增强,滤波速度得到了提高,其中四路并行处理IIR滤波器的时钟频率是98.41MHz,二路并行处理IIR滤波器的时钟频率是95.29MHz,前者要高于后者3.12MHz,达到了设计的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文主要内容及章节安排
• 第二章 数字滤波器理论
• 2.1 数字滤波器
• 2.1.1 IIR数字滤波器
• 2.1.2 FIR滤波器
• 2.1.3 FIR滤波器与IIR滤波器的比较
• 2.2 全相位数据预处理
• 2.2.1 无窗全相位数据预处理
• 2.2.2 单窗全相位数据预处理
• 2.2.3 双窗全相位数据预处理
• 2.3 数字音频处理
• 2.3.1 数字音频信号的特点
• 2.3.2 音频信号的数字化及特征分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 四路并行处IIR低通滤波器设计
• 3.1 滤波器的相关性能特征
• 3.2 IIR滤波器改进
• 3.2.1 无窗全相位数据预处理
• 3.2.2 二路并行处IIR滤波器
• 3.2.3 四路并行处理滤波器的设计
• 3.2.4 八路并行处理的设想及扩展
• 3.3 并行处理IIR滤波器仿真
• 3.3.1 应用VHDL语言进行设计仿真
• 3.3.2 并行IIR滤波器仿真
• 3.3.3 下载到FPGA试验箱
• 3.4 本章小结
• 第四章 验证
• 4.1 Quartus Ⅱ软件简介
• 4.1.1 Quartus Ⅱ软件的特点及支持的器件
• 4.1.2 Quartus Ⅱ软件的工具及功能介绍
• 4.1.3 Quartus Ⅱ仿真步骤
• 4.2 MATLAB和Quartus Ⅱ联合验证方法简介
• 4.3 验证具体过程
• 4.3.1 利用时域交叉原理设计的滤波器的验证
• 4.3.2 利用并行处理设计的滤波器的验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢