基于FPGA的PBX语音信号处理

基于FPGA的语音信号处理技术研究一、概述随着科技的进步，声音成为人类重要的交流方式之一。

而语音信号处理技术依靠数字信号处理（DSP）和信号处理器（ASIC）等技术进行处理，用于提高语音信号的质量以及更好地适应不同环境下的应用。

其中，基于现场可编程门阵列（FPGA）的语音信号处理技术，具有高效性、灵活性和可重构性等突出优点。

本篇文章，我们将结合实际应用，深入探究基于FPGA的语音信号处理技术的研究。

二、FPGA在语音信号处理中的应用FPGA作为一种专门用于数字电路设计、实现和调试的芯片，以其高度集成、可重构、低延迟、低功耗等特点，被广泛应用于语音信号处理领域。

1.语音信号数字化语音信号的数字化处理是语音信号处理技术的基础。

传统的数字信号处理方法通常使用高速采样、模数转换和数字滤波等技术将模拟信号转换成数字信号，但这种方法需要大量的硬件资源和高时钟频率，难以满足实际需要。

采用FPGA实现语音信号数字化处理时，不仅可以实现高速采样处理，还可以减少功耗并提高系统的实时性。

为了实现高速采样、低噪声和低功耗，可以使用FPGA中的高速模数转换器（ADC）和数字信号处理器（DSP）等功能单元，这些单元可以根据系统需求进行配置和优化，确保数字化方法的可靠性和稳定性。

2.语音信号滤波处理语音信号滤波处理是提高语音信号质量的重要方法之一。

在语音通信系统中，由于各种噪声和衰落的干扰，语音信号经常受到频谱扭曲和干扰。

FPGA中的数字滤波器是一种常用的滤波器，可以根据信号处理需求，通过适当调节滤波器的参数，对语音信号进行滤波处理，消除其中的噪声和干扰，使信号更加清晰、准确。

3.语音信号压缩和编码语音信号的压缩和编码是减少声音带宽，提高语音传输效率的重要方法。

在传统语音通信系统中，基于线性预测编码（LPC）的压缩方法被广泛应用。

然而，这种方法需要大量的计算资源，并且难以实现实时性处理。

FPGA中的数字信号处理器（DSP）和数字信号编码（DSC）等功能单元，可以快速地实现高质量、低延迟的语音信号压缩和编码。

基于FPGA的多通道语音信号处理系统实现随着科技的不断发展，人们的生活也得到了极大的变化。

现在的人们更加注重高品质的音乐，同时也对语音信号处理有了更高的要求。

为了满足人们的需求，科学家们发明了一种基于FPGA的多通道语音信号处理系统，能够实现高效率的信号处理。

FPGA是什么？FPGA是Field Programmable Gate Array的缩写，中文名称为现场可编程门阵列。

FPGA可以根据用户的要求进行编程，从而实现特定的功能。

FPGA多通道语音信号处理系统的组成FPGA多通道语音信号处理系统由FPGA芯片、多路ADC、FPGA板、多路DAC等组成。

多路ADC是模数转换器（Analog-to-Digital Converter）的缩写，是一种将模拟信号转换为数字信号的装置。

多路ADC能够同时处理多个通道的模拟信号，将其转换为数字信号，为后续的数字信号处理提供了实时数据支持。

多路DAC是数字模拟转换器（Digital-to-Analog Converter）的缩写，是将数字信号转换为模拟信号的装置。

FPGA芯片是整个系统的核心，它的作用是根据用户要求进行编程，从而实现数字信号的处理和控制。

FPGA板是一个板子，上面集成了FPGA芯片、多路ADC和多路DAC，为整个系统提供了一起工作的基础。

多通道语音信号处理系统的功能FPGA多通道语音信号处理系统能够实现多种处理功能，例如滤波、降噪、分频、等化器等。

滤波滤波处理是将数字信号经过一系列滤波器，滤除干扰和杂音，使得数字信号更加纯净。

FPGA多通道语音信号处理系统可以通过滤波器对语音信号进行处理，使其更加清晰。

降噪降噪处理是去除语音信号中的背景噪音，例如环境噪音、电源噪音等。

FPGA多通道语音信号处理系统通过数字信号处理技术，对语音信号进行去噪，使其更加清晰。

分频分频处理是将语音信号分成不同频段进行处理。

FPGA多通道语音信号处理系统可以通过数字信号处理技术，将语音信号分成不同的频段，为后续处理提供便利。

基于 FPGA 的语音录放系统的设计0.摘要 (2)1.概述 (2)1.1本设计的调研工作 (2)1.2本设计在工程中的作用 (2)2.系统设计 (2)2.1系统设计思路[2] (2)2.2系统设计框图 (2)2.3各子单元的设计思路 (2)2.3.1 AD转换器[3] (2)2.3.2 ADPCM的编码和解码[4] (4)2.3.3 DAC0832数模转换器[7] (6)2.4子单元之间的接口关系 (8)3.综合报告 (8)3.1使用FPGA器件的型号 (8)3.2工程综合报告 (8)4.仿真报告 (9)5.结论及总结 (10)6．附录 (10)7.参考文献 (35)0.摘要在语音录放系统的FPGA 设计当中，可以采用ADPCM 技术，它是一种音频有损压缩编码方式，它具有文件体积小、音质好的特点。

除此之外，它还具有良好的 语音质量以及抗干扰性能，目前在ISDN 、卫星通信等领域得到了广泛的应用。

1.概述1.1本设计的调研工作首先安装quartus II 工具用于测试及仿真，然后查阅了有关语音录放系统的资料和相关的论文，并且初步构思了设计的过程。

1.2本设计在工程中的作用随着数字信号处理器 、超大规模集成电路 的高速发展 ，语音记录技术已从模拟录音阶段过渡到数字录音阶段。

在数字化录音技术中，压缩后的语音数据有些存储在硬盘中，有些存储在带有掉电保护功能的RAM 或FLASH 存储器中。

本文设计的语音存储与回放系统 ，未使用专用的语音处理芯片，不需要扩展接口电路，只利用FPGA 作为核心控制器，就能完成语音信号的数字化处理，即实现语音的存储与回放[1]。

2.系统设计2.1系统设计思路[2]数字化语音存储与回放系统的基本工作原理是将模拟语音信号通过模数转换器(A/D)转换成数字信号，再通过控制器采用ADPCM 压缩编码后存储在存储器中；回放时，由FPGA 控制器通过ADPCM 解码将数据从存储器中读出，然后通过数模转换器(D/A)转换成模拟信号，经放大后由扬声器输出。

基于FPGA的音频信号处理研究一、引言随着科学技术的不断发展，电子技术在各个领域中发挥着重要的作用，音频处理技术研究便是其中之一。

基于FPGA的音频信号处理极大地提高了音频信号处理的效率和精度。

二、基于FPGA的音频信号处理概述FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程数字嵌入式IC芯片，它可以采取不同的处理算法来执行各种任务。

而音频信号处理技术则是指对音频信号进行数字处理的过程，将信号处理为需要的形式。

在音频信号处理中，FPGA可以起到并行处理和高速计算的作用。

传统的数字信号处理器（DSP）对于音频信号处理能力较弱，而FPGA则可以通过自适应滤波器、FFT（快速傅里叶变换）、DWT（离散小波变换）等算法，以及直接的数字幅频滤波和数字滤波，对音频信号进行快速且精确的处理。

三、基于FPGA的音频信号处理算法1.自适应滤波器自适应滤波器是利用最小均方误差（LMS）算法的一种数字信号处理技术，它可以使得滤波器的系数根据收到的输入信号自动调整，使其输出信号与所需信号之间的误差最小。

自适应滤波器在音频降噪、语音增强等方面有着广泛的应用。

2.FFTFFT在音频信号处理中有着非常广泛的应用，如音频数据的频率分析、滤波和信号识别等。

FFT通过将时间域信号转换为频域信号，使得计算时间和内存要求大大降低。

3.DWTDWT是一种数字信号处理技术，可以将任意长度的信号转换为一组不同分辨率的信号，从高到低按照频率排列。

DWT在音频压缩、信号分析、音频滤波和语音增强等方面有着广泛的应用。

四、基于FPGA的音频信号处理应用1.音频降噪利用自适应滤波器对音频信号进行处理，可以达到良好的音频降噪效果。

2.音频识别FFT算法可以分析音频数据的频率特征，从而实现语音识别。

3.音频增强利用DWT算法可以将音频信号转换为不同分辨率的信号，并对信号进行分析和滤波，使得音频增强效果更加显著。

五、基于FPGA的音频信号处理发展趋势FPGA在音频信号处理中有着广泛的应用，同时随着FPGA硬件技术的快速发展，其计算能力和存储容量也日益增加。

技术创新《微计算机信息》(嵌入式与SOC )2009年第25卷第8-2期360元/年邮局订阅号：82-946《现场总线技术应用200例》PLD CPLD FPGA 应用基于FPGA 的多通道语音通信控制器的设计Design of Multichannel Speech Communication Controller Based on FPGA(桂林电子科技大学)孙敬国刘庆华SUN Jing-guo LIU Qing-hua摘要:基于PowerPC 处理器的多通道通信系统中需要相应的控制器用于实现数据缓冲和控制、握手信号的产生。

文中介绍了一种基于FPGA 实现的四通道语音通信控制器,该控制器使用异步FIFO 实现数据缓冲,应用基于FSM(有限状态机)的逻辑电路控制AD 、DA 转换芯片周期性的、依次处理各通道的语音和MPC860T 传送数据。

设计时对各部分电路的设计方法进行了深入的研究,以使其满足系统功能和时序要求,应用该控制器的多通道语音通信系统话音质量稳定、没有杂音,能够满足性能要求。

关键词:PowerPC;异步FIFO;状态机;串并转换;并串转换;Verilog HDL 中图分类号:TN409文献标识码:BAbstract:Communication between different clock domains is involved in systems of voice acquisition and playback,thus a control log -ic should be designed to buffer data and generate control and handshaking signals.A control logic based on FPGA is discussed in this paper.It ’s composed of asynchronous FIFOs 、modules designed based on FSM and imployed to provide control signals for the AD 、DA convertor to process one of the four channels peridicaly 、sequentially and MPC860T data transfer.The control logic men -tioned above has already been used in our speech acquisition and playback system which has a high and stable performace.Key words:PowerPC;Asynchronous FIFO;SM;Sertopar &Partoser conversion;Verilog HDL文章编号:1008-0570(2009)08-2-0148-03引言我们设计了一种基于高端通信处理器PowerPC 的多通道语音通信系统,该系统支持多路语音实时采集和播放,可用作VOIP 终端。

基于FPGA并行技术的多通道被动声呐信号模拟黄晓燕;冯西安;高天德【摘要】利用FPGA并行技术,采用软实时的嵌入式处理器与高速硬实时的可编程FPGA模块结合方式实现了128路被动模拟信号的高速实时动态生成;系统由一路信号实时产生出具有不同相位和噪声的128路信号;实时系统将一路信号下发后,FPGA通过并行插值运算产生不同通道间的时延,叠加高斯背景噪声信号后经乒乓缓存输出;系统以192kHz输出采样率每333μs更新缓冲区数据,由此输出节拍控制装订参数与实时计算节拍;系统测试结果表明生成128路的模拟信号可编程FPGA工作时钟只需要12M即可保证连续输出,需要系统开辟的输出乒乓缓冲区大小为32K,可保证系统在最高采样速率下实时计算输出被动辐射噪声信号,满足系统实时性要求.%using the embedded soft real time processor combining high speed hard real time module to generate 128 channel simulation signals based on FPGA parallel technology. 128 signals which have different time delay and noise is generated by one channel. When parameters loaded by real time system, the different time delay of multi-channels are parallel computed after liner interpolation, by overlapping background noise, the multi channel signal parallel output through pingpang buffer memory. The output buffer update data per 333us, meanwhile, according to this tempo, FPGA start loading parameters and computing. The system test results show that generate 128 simulation signals FPGA working clock just needed 12MHz. Meanwhile, less than 32K system flash memory space is needed to ensure continuous simulation signal output. Experimental results show that System has high real time ability and reliability.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2011(019)004【总页数】4页(P935-937,940)【关键词】FPGA并行技术;多通道;被动目标模拟;半实物仿真系统;实时性【作者】黄晓燕;冯西安;高天德【作者单位】西北工业大学航海学院,陕西西安,710072;西北工业大学航海学院,陕西西安,710072;西北工业大学航海学院,陕西西安,710072【正文语种】中文【中图分类】TN911.70 引言随着反潜战和海洋开发的飞速发展 ,各种类型的声纳设备已经在军事领域和经济领域内得到了极其广泛的应用。

随着语音识别技术的应用越来越广，对其实时性的要求也越来越高。

专用的DSP语音芯片虽然有硬件加速功能，但其指令依然是串行计算，在实时性方面有所欠缺。

如今，具有并行运算能力的FPGA主频不断提高，加上其设计灵活、功耗低、体积小等优点[1]，可以满足语音信号实时处理的要求。

目前很多语音处理算法都是基于软件平台的，真正的语音处理硬件实现很少。

本文针对非特定人的语音信号,研究当前主流的语音处理算法，并将这些基于软件平台的算法“硬件化”。

在保证一定精度的前提下将浮点运算转换成便于FPGA实现的定点运算[2]。

本文以通过对语音信号滤波、分帧、加窗、能量计算等模块的设计为例,介绍语音信号实时处理的方法，需要运用到MATLAB.、DSP Builder、QUARTUS II、ModelSim 等EDA工具联合设计[3]。

语音信号经过模数转换进入FPGA以后，对其滤波,因为要对信号进行实时处理，需要采用动态分帧，最后计算出每帧的能量为语音信号的下一步处理如端点检测、特征提取[4]等做好前期准备。

1实时处理算法分析语音数据经过A/D转换之后进入芯片，首先对其进行滤波。

为了使信号的频谱趋向平坦，需要对其进行预加重滤波，这里采用一阶FIR滤波器[5]：H(z)=1-μz-1μ≈0.9375(1)差分方程表示为：s[i]=s[i]-μ×s[i-1]0≤i≤N(2)语音信号虽然是一种非平稳信号,但在短时内(10ms~ 30ms)可以看作是平稳的[2]，这样就可以对其进行分帧处理。

在实时系统中无法确定语音的长度和大小，只能对其进行动态分帧。

考虑到帧的连续性,采用交叠分帧，帧移取0.5，硬件中可以用两个FIFO实现，其中FIFO1的读时钟频率是写时钟的两倍，且FIFO2的读写时钟频率与FIFO1读时钟频率相同。

分帧后的数据需要窗函数对其加权，加窗后的语音信号为sω(n)=s(n)×ω(n)。

由于汉明窗在语音频段的平滑特性，因此本文采取汉明窗[4]：基于FPGA的语音信号实时处理姜元亭，樊昌元，杨军华（成都信息工程学院电子工程学院，四川成都610225）摘要：介绍一种在语音识别系统中运用FPGA技术对语音信号进行前期实时处理的方法。

FPGA在音频信号处理中的应用研究随着数字信号处理技术的飞速发展，特别是高速计算和大容量存储技术的普及，FPGA（可编程逻辑门阵列）在音频信号处理方面的应用研究逐渐加强。

FPGA利用可编程门阵列和普通逻辑门阵列的优点，可以实现高速计算和低功耗。

本文将介绍FPGA在音频信号处理中的应用研究现状，包括音频信号滤波、降噪、压缩、调节以及无线传输等方面。

音频信号滤波音频信号滤波是信号处理的重要部分，滤波器可以通过将频率响应回收到预期水平来改善音频信号的质量。

FPGA滤波器是应用最广泛的数字信号处理器之一。

目前常用的FPGA滤波器包括FIR滤波器和IIR滤波器。

FIR滤波器由于其稳定性和阶数的灵活性，被广泛应用于通信系统、音频信号处理、图像处理、控制系统等领域。

IIR滤波器则被广泛应用于模拟滤波器和数字滤波器中，具有低阶和高阶性能较好的特点。

音频信号降噪音频信号降噪是实时处理有噪音的音频信号的重要技术，在许多场景中应用广泛。

FPGA能够实现快速和准确对信号进行降噪，使信号更加清晰和易于理解。

目前，常见的音频信号降噪方法包括基于小波变换的降噪方法、自适应降噪以及频域降噪等方法。

其中，基于小波变换的降噪方法是最为适应现代通信技术的信号降噪方法之一，其优点在于延迟低、实现简单、效果明显。

自适应降噪的方法则利用自适应滤波算法进行信号处理，常用的自适应方法包括LMS算法和RLS算法。

频域降噪方法则通过频谱分析降低噪声水平。

音频信号压缩音频信号压缩是通过利用压缩算法减少音频数据量的过程。

FPGA能够实现高速的音频信号压缩，在保证音质不变的前提下，通过压缩算法将音频数据量减少到较小的程度，节省存储空间和传输时间。

目前常用的音频压缩算法包括有损压缩和无损压缩。

有损压缩包括MP3、AAC等常见格式，这些格式能够有效地将原始音频数据量减少至少90%，从而在保持音质的同时大大减少存储空间。

而无损压缩算法则能够减小音频数据的量，而不会对音乐质量造成明显的影响。

摘要随着可编程逻辑器件及相关技术的不断发展和完善，它在现代电子技术领域变现出越来越高的优越性。

近几年，嵌入式数字音频产品受到越来越多消费者的青睐。

数字语音集成电路与嵌入式微处理器相结合，既实现了系统的小型化、低功耗，又降低了产品开发成本，提高了设计的灵活性，具有体积小、扩展方便等诸多特点，具有广泛的发展前景。

在MP3、手机等电子产品中，音频处理功能已成为不可或缺的重要组成部分，而高质量的音效是当前发展的重要趋势。

本文研究基于FPGA的音频编解码控制器，设计利用硬件描述语言在FPGA上编程实现对所需芯片的控制，完成录音放音功能。

通过I2C总线对音频编解码芯片WM8731提供控制信号，并通过I2S总线实现WM8731的数据传输。

本设计包含WM8731配置模块、I2S总线控制模块、语音数据存储模块等三大模块。

经过适当的修改，该控制器可以移植到各类FPGA中，以控制音频编解码芯片。

系统在功能扩展上具有极大的潜力，有很好的应用前景。

关键词：WM8731，FPGA，音频编解码控制器摘要AbstractNowadays,with the programmable logic devices and related technologies continue to develop and improve its technology in the field of modern electronic technology was demonstrated technology leadership,has incomparable superiority of traditional methods.In recent years,embedded digital audio products are more and more consumers of all ages. Digital voice integrated circuits and embedded microprocessors,which not only realized the system's small size,low power consumption,and reduced product development costs and improve design flexibility,small size,easy expansion,and many other features,a broad prospects for development.In MP3,mobile phones and other electronic products,audio processing features have become an indispensable part of the current development of high-quality audio is an important trend.This article is the study of audio codec controller based on FPGA,using hardware description language to realize control of the needed chips to complete the function of record and playback.It provides control singals through the I2C bus.The data control signals are carried by the I2S bus.This example contains the configuration of WM8731module,I2S bus controlling module,and the voice data storage module.After appropriate modification,this controller can be transplanted to all kinds of FPGA.This system has great potential in the functional extension.It has a good application prospect and research value.Keywords:WM8731,FPGA,Audio codec controller目录i目录第一章绪论 (1)1.1研究的背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.3本设计的主要目的 (3)1.4论文的组织结构 (3)第二章芯片介绍 (5)2.1音频编解码芯片WM8731 (5)2.2WM8731外围电路图 (7)2.2SRAM芯片IS61WV1024ALL (7)2.3FPGA器件EPC4115F29C7 (9)第三章总线协议 (11)3.1I2C总线 (11)3.1.1I2C总线特性 (11)3.1.2I2C标准模式总线规范 (11)3.1.3位传输 (12)3.1.4数据传输 (12)3.1.5仲裁与时钟发生 (13)3.1.6传输协议 (14)3.2I2S总线 (14)3.2.1I2S总线的数据格式及时序 (15)3.2.2I2S总线的数据采样率 (16)第四章模块设计 (17)4.1开发环境与编程语言 (17)4.1.1开发环境 (17)4.1.2编程语言 (17)4.2硬件模块设计框图 (18)4.3功能模块的设计 (19)4.3.1顶层模块 (19)4.3.2时钟分频模块 (20)4.3.3I2C时序接口模块 (22)4.3.4WM8731配置模块 (24)4.3.5I2S时序接口模块 (30)4.3.6I2S数据转换模块 (32)4.3.7FIFO缓存模块 (35)4.3.8SRAM控制模块 (37)4.4小结 (40)结论 (41)致谢 (43)参考文献 (45)ii目录目录1第一章绪论1.1研究的背景及意义FPGA（Field－Programmable Gate Array），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。