音频信号采集系统中数字滤波器的研究与设计

摘要

数字音频信号处理一直以来都是数字信号处理研究的热点问题之一。如何使音频信号在采集、传输的过程中受到外部环境的干扰和损耗最小受到了各通信厂商的重视。数字音频信号处理的主要内容就是对音频信号进行滤波处理,从而消除或衰减非有用信号。随着微电子技术的不断发展,科学界和工业界逐渐加深了对音频滤波技术的研究,研究出各种滤波器的实现结构以及实现方法。力求滤波器在满足要求的同时也减少了开发的周期,降低资金的投入。随着可编程逻辑器件的发展,具有高可靠性、通用性强、易实现及可同时实现多种滤波和多处滤波等优点的以FPGA为处理核心的滤波器成为了主流的滤波器设计方法。
　　系统在设计过程中以Xilinx公司Spartan-6系列的XC6SLX45芯片为主控制芯片,通过XC6SLX45芯片控制LM4550(AC-972.1)将麦克风采集到的语音信号实时地处理转换为数字信号,并将数据传给主控制芯片XC6SLX45,对数字音频信号进行滤波处理,滤除非有用信号,本论文设计了一款以实时语音信号采集、滤波处理、回放为一体的音频滤波系统。利用FPGA可反复编程、擦除、使用的特点成功地解决了语音滤波器可重构的特点。
　　音频信号采集系统中滤波器的设计选用Xilinx公司的Spartan-6系列FPGA芯片XC6SLX45作为主控制芯片。主控制芯片通过编程实现系统控制、音频信号的采集与回放、音频信号的滤波等。其中音频信号的滤波器设计又分为3个子模块,即高通、低通和带通滤波器。外围部件主要包括音频编解码芯片LM4500、晶振、按键、开关、LED、JTAG口、音频输入输出接口等。在音频信号采集系统中滤波器的硬件设计主要完成音频信号的采集、传输、滤波处理以及音频信号的回放的硬件模块。在设计的过程中,通过JTAG接口和测试接口实现对FPGA的编程和测试。
　　音频信号采集系统中滤波器的设计软件平台选用Xilinx公司的的FPGA配套软件开发平台ISE Foundation14.3、System Generator工具包和Math Works公司的MATLAB作为开发工具进行联合设计。利用System Generator和MATLAB进行模块化设计,完成音频信号的采集、音频信号的处理、以及音频信号的回放;使用ISE Foundation综合平台实现系统的时序仿真、程序调试。最后对系统进行在线逻辑仿真和硬件测试。

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1 绪论

1.1 课题研究的意义

1.2 滤波器的发展概述

1.3 论文的主要工作和章节安排

2 数字音频信号处理的相关知识

2.1 数字音频信号处理的理论基础

2.2 音频信号的频谱分析

2.3 音频信号的滤波处理

3 数字音频信号处理系统开发平台简介

3.1 MATLAB平台简介

3.2 ISE平台简介

3.3 Xilinx FPGA简介

3.4 ChipScope Pro简介

3.5 System Generator平台简介

3.6 ATLYS开发板简介

4 音频信号采集系统中滤波器的实现

4.1 系统总体设计

4.2 FPGA实现逻辑控制模块

4.3 基于System Generator数字滤波器模块的设计

5 系统的测试和整体实现

5.1 系统整体实现

5.2 测试结果与分析

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果