基于SOPC的数字语音滤波器的设计与实现

论文摘要

数字语音滤波器是语音信号处理的核心部件。广泛应用于通信、语音识别、语音增强等领域。每一款数字滤波器的应用针对性都很强,其性能直接决定了产品的质量,因此科学界和工业界都对其进行了深入的研究,发明了各种滤波器的实现结构。因为滤波器是对特定频率进行处理的器件,所以它的复用性一直不高,尤其针对不同的应用,为系统的升级、更新和功能替换带来了问题。而且,由于功能部件较多,系统的连接复杂度和设计、测试难度都很大。因此,采用SOC技术降低板级系统连接的复杂度,并使用可编程器件设计性能参数可调、可改系统已经成为系统研究的重要方向,已引起了各大通信厂家的重视。近几年来,SOPC技术作为嵌入式技术的一个分支已逐渐进入人们的视野,它既具有普通CPU的程控功能,又具有硬件可编程特点。如果将这项新技术引入语音信号处理领域,将会有效解决系统重构和系统连接问题。本课题通过FPGA的可重构特点,提出了参数可调、结构可调的FPGA解决方案,成功解决了语音滤波器的可重构问题,并利用SOPC的特点,在FPGA上完成了采集、处理和播放的功能,大大降低了系统板级设计的复杂度,减少了外围器件的连接,节约了系统成本。本课题将概念、算法和实现有机的融合在一起,在一块FPGA芯片上完成了所有的系统软硬件开发。具有体积小、可编程、可重构的特点,对于音频信号的处理研究和产品研发很有参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本课题研究背景及意义
• 1.2 音频信号采集与语音分析处理的现状
• 1.3 本论文的主要工作与章节安排
• 2 语音滤波技术及系统方案设计
• 2.1 语音滤波技术
• 2.1.1 语音特征
• 2.1.2 噪声特性
• 2.1.3 语音滤波的基本方法和原理
• 2.2 系统设计方案的选择
• 2.3 SOPC系统简介
• 2.4 系统的软硬件设计方案
• 2.5 本章小结
• 3 数字音频信号处理的关键技术
• 3.1 数字音频信号处理研究的内容
• 3.2 数字音频信号处理的基本方法
• 3.3 音频信号频谱分析
• 3.3.1 傅里叶变换及FFT
• 3.3.2 利用MATLAB对音频信号的频谱分析
• 3.4 语音滤波器设计
• 3.4.1 滤波器概述
• 3.4.2 滤波器系统函数设计
• 3.4.3 滤波器实现
• 3.5 本章小结
• 4 系统硬件设计与SOPC实现
• 4.1 系统硬件总体框架
• 4.2 SOPC系统设计
• 4.3 Avalon总线概述
• 4.4 Avalon外设接口设计
• 4.5 滤波器在Nios II中的应用
• 4.6 本章小结
• 5 系统软件设计
• 5.1 软件设计方案和数据流图
• 5.2 音频芯片驱动设计
• 5.2.1 Audio Codec芯片初始化程序设计
• 5.2.2 音频数据读写驱动设计
• 5.3 SD卡文件系统
• 5.3.1 文件系统简介
• 5.3.2 文件系统移植
• 5.3.3 SD卡驱动程序
• 5.3.4 文件操作
• 5.4 wav文件播放
• 5.4.1 wav文件简介
• 5.4.2 wav文件解码
• 5.4.3 wav文件播放任务
• 5.5 线输入模式
• 5.6 按键中断程序设计
• 5.7 本章小结
• 6 系统调试与应用测试
• 6.1 系统仿真调试
• 6.2 系统应用测试
• 6.3 本章小结
• 7 结论
• 7.1 结论
• 7.2 对未来研究工作的建议和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录一 改进型FFT的MATLAB源码
• 附录二 凯泽窗带阻滤波器的MATLAB实现及系统函数系数生成的程序
• 附录三 按键中断服务程序
• 附录四 WAV文件播放程序