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1、1基于 FPGA 数字信号音频处理 The Digital Signal Processing of audio based on FPGA摘 要：目前，随着电子技术的快速发展人们对 MP3 多媒体播放器、DVD 音频唱盘、Iphone 等的音质、体积、功耗和处理速度有了更多更高要求。因此现在数字音频处理技术已经逐渐取代模拟音频处理技术，并且得到了迅速的普及应用。音频处理的数字化是利用数字滤波算法对采集的音频信号进行变换处理来实现，对此在本文中介绍了数字滤波器的一些算法。傅里叶变换（DFT）作为其数字信号处理中的基本运算，发挥着重要作用。特别是可快速傅里叶变换换（FFT）算法的提出，减少了当
2、N 很大的时候 DFT 的运算量，使得数字信号处理的实现与应用变得更加容易。由于快速傅里叶变换算法在实际中得到了广泛应用，毕业设计给出了基-2FFT 原理、讨论了按时间抽取 FFT 算法的特点。本文主要探讨了基于 FPGA 数字信号音频处理的理论与实现，涉及到了其结构与设计流程、硬件描述语言（VHDL） 、Quartus II 软件、音频录放、DE2 开发板介绍等等。 关键词：音频处理技术、 数字滤波 、算法、FPGA2AbstractAt present,with the rapid development of the electronic technology,people have m
3、any higher requirements such as sound quality,volume,power waste and processing speed to the MP3 multimedia,DVD audio disc,Iphone and so on.So nowadays,the analog audio processing technology is replaced gradually by the digital audio processing technology,and digital audio processing technology has
4、a chance to become common and widely used.The audio processing digitization is using the digital filter algorithm to sample.In the part of this passage there are some introduction about the digital filter algorithm. DFT plays an important part in digital signal processing as a basic calculation.Espe
5、cially,FFT algorithm reduces the calculation quantity when N is a little great ,which makes it much easier for implement and application.As the fast Fourier transform algorithm in practice to a wide range of applications，radix-2 FFT theory has been given out and the characteristic of DIT FFT are dis
6、cussed in the design of graduation.The passage mainly probes into the theories and realization of the digital signal processing of audio based on FPGA(Field Programmable Gate Array),including its structure and processing of design.It also contains VHDL，Quartus II software ，audio record and broadcast
7、,introduction of DE2 study board and so on.Keywords:audio processing technology、digital filter、algorithm、FPGA3前言第一章 绪论1.1 音频处理技术概述在科技飞速发展的数字化时代，数字音频技术是数字信号处理中应用最为广泛的数字技术之一。同时大规模集成电路 VLSI（Large Scale Integrated circuites）的迅猛发展对数字音频技术发展也起到促进作用，芯片集成度越高，VSLI 设计技术不断提高使得数字新品技术得到更加广泛的作用。对音频信号进行数字处理的有关技术，包括
8、模数和数模的转化、数据的传输、记录、存储、混合及其他的处理技术等。数字音频技术的主要有点事能提高音频信号的质量，增强抗干扰能力，而且数字音频信号设备使用灵活，便于大规模生产。1.2 FPGA 简介FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一中半定制电路而实现的，它既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。它是当今数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点就是完全有用户通过软件进行配置和编程，从而完成某
9、种特定功能，且可以反复擦写。在修改和升级时，不需额外地改变 PCB 电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计的周期，提高了实现的灵活性并降低了成本，因此获得了广大硬件工程师的青睐。1.2.1 FPGA 结构FPGA 的基本结构由以下几部分构成：1）可编程逻辑功能模块 CLB（Configurable Logic Block）2）可编程输入输出模块 IOB(Input/Output Blocks)3）可编程内部互联资源 PI(Programmable Interconnection)4随着工艺的进步和应用系统的需求，一般在 FPGA 中还包含以下可选资
10、源：4）存储器资源(Block RAM 和 Select RAM)5）数字时钟管理单元(DCM 分频、倍频、数字延迟)6）I/O 多电平标准兼容(Select I/O)7）算数运算单元(乘法器、加法器)8）特殊功能模块（MAC 等硬件 IP 核）9）微处理器（PPC405 等应处理器）FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中，配置完成后，FPGA 进入工作状态。掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，
11、FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无需专用的 FPGA 编辑器，只需用通用的EPROM、PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA 功能时，只需换一片 EPROM 即可。这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA使用非常灵活。与 FPGA 对应的还有 DSP 处理器，DSP 处理器速度虽然很快，并对许多 DSP应用来说很有用，但仍有一些应用要求性能更进一步提升，而 FPGA 提供了更高的性能。FPGA 可以生成一个定制硬件设计，从而控制逻辑能够在硬件中实现，不必再利用精确的时钟周期来实现控制功能。此外，通过裁剪硬件结构，FPGA可以提高额外的性能。如果
12、最重要的设计考虑因素是速度，那么可以在 FPGA 中设计完全并行的算法处理方案。现在，许多系统已经包含了一个 FPGA，用于协议转换、胶合逻辑或一些其它系统功能。如果那个 FPGA 没有被完全利用，那么把 DSP 功能加入其中可以为系统节约成本。而且如果标准发生改变，使用 FPGA就不会有任何风险。FPGA 的配置文件能够像软件那样升级，尽管它们必须被存储在系统的非易失性的存储器中。1.2.2 FPGA 与 CPLDCPLD 是基于 ROM 结构的下电后代码不丢失；而 FPGA 是基于 RAM 结构的，5下电后代码丢失，所以 FPGA 一般必须有一个配置 ROM 在每次上电时加载代码到RAMC
13、PLD 的硬件设计比较简单，FPGA 的硬件设计相对复杂些。而这制造工艺上的差别也导致了它们内部结构的不同，CPLD 的逻辑资源不可能做的太大，而 FPGA 却能做到数万乃至数百万逻辑门。CPLD 更适合于一些简单的应用，而 FPGA 可以做更多更复杂的工作。1.2.3 FPGA 发展前景目前，FPGA 的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入“片上可编程系统” （SOPC）的新纪元芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进；芯片朝着高密度、低功耗、低压等方向前进；国际各大公司都在积极扩充其 IP 库，以优化的资源更好的满足用户需求，扩大市场，特别是引人注目的 FPGA 动
14、态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计观念的巨大转变。第二章 FPGA 架构2.1 FPGA 设计流程2.1.1 FPGA 设计流程一般来说，完整的 FPGA 设计流程包括电路设计与输入，功能仿真、综合、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证、班级仿真验证与调试等主要步骤。如图 2-1 所示：系统规范模块设计设计输入功能仿真综合系统设计规范HDL 语言描述，IP 核时序/面积/功耗约束，工艺库设计输入文件（ .v ，.vhd ）6图 2-1 FPGA 的设计流程(1)系统规范系统规范阶段是整个项目最有创造性的阶段。它描述项目完成的功能，确定设计的总体方案，平衡各个方面的因素，对整个项目有一个初步的
15、规划。在系统设计阶段，根据对设计面积、功耗、I/O 和 IP 核使用等的估算，确定所使用的目标芯片和设计工具。（2）模块设计在制定完系统规范后，根据系统功能，采用自顶向下的方法，逐步细化， ，将系统划分为可实现的设计模块。这些模块之间存在着一定的层次关系，每个模块完成相对独立的功能。（3）设计输入设计输入是指将模块设计阶段定义好的模块借助于一定的设计输入手段转换为 EDA 工具能接受的信息格式。目前主要的而设计输入手段有：高级硬件描述语言 HDL（包括 Verilog/VHDL）和原理图。HDL 语言支持不同层次的描述，不依赖于 FPGA 产家的工艺器件，便于修改。它可以用任意的文本编辑器作为
16、输入平台，在状态机、控制逻辑、总线功能方面较强。原理图输入法具有图形化强、直观等特点。（4）功能仿真设计输入后，经 HDL 编译器检查没有语法错误后，就可以对设计进行验证布局布线时序验证反标注文件（.sdf)I/O 指派，布局布线约束配置下载下载位流文件7了。这里的验证是指通过软件验证其功能是否符合有步骤 1 所制订的规范，称这一阶段的验证为功能仿真或行为仿真。目前，仿真工具比较多，其中Cadence 公司的 NC-verilog，Synopsys 公司的 VCS 和 Mentor 公司的 Modelsim都是业界广泛应用的仿真工具。（5）综合综合实际上是根据设计功能和实现该设计的约束条件(如面积、速度、功耗和成本等） ，将设计描述（如 HDL 文件，原理图等）变换成满足要求的电路设计方案，该方案必须同时满足预期的功能和约束条件。对于综合来说，满足要求的方案可能有多个，综合其将产生一个最优的或接近最优的结果。因此，综合党的过程也就是设计目标的优化过程，最后获得的结构域综合其的性能有关。这个阶段产生网表，供布局布线使用，网表中包含了目标器件中的逻辑元件和互连的信息。FP
