基于FPGA的音频处理系统(毕业设计论文).doc

毕业设计（论文）题目 基于FPGA的音频处理系统 学生姓名 学号 专 业 班级 指导教师 评阅教师 完成日期 2014 年 5月20日学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于1、保密 □，在_________年解密后适用本授权书2、不保密 □请在以上相应方框内打“√”）作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 目录摘要 11绪论 31.1 课题研究背景 31.1.1 课题来源 31.1.2 研究目的及意义 31.2 国内外的研究现状及发展趋势 31.2.1 FPGA的发展历程 31.2.2 音频处理技术的发展 41.2.3 SOPC的特点及其应用 51.3 课题研究的内容 72 器件介绍 82.1 WM8731 82.1.1 WM8731概述 82.1.2 WM8731控制接口 82.1.3 数字音频接口 92.2 FPGA芯片介绍 123 硬件电路 133.1 硬件开发环境 133.2 硬件电路设计 133.2.1 SOPC系统设计 133.2.2 WM8731的外围电路 133.2.3 nios_audio模块 143.3 顶层例化 154 SOPC系统软件程序设计 164.1 软件开发环境 164.2 人机接口介绍 174.3 各功能模块实现方案 174.2.1 I2C总线 174.2.2 WM8731驱动模块设计 184.2.2音频处理软件开发流程 204.3 结果展示 214.4 本章小结 225 总结与展望 23致谢 24参 考 文 献 25附录 26第 38 页 共 43 页基于FPGA的音频处理系统设计学 生： 吴佳乐指导教师： 唐廷龙（三峡大学 计算机与信息学院）摘要：随着数字记录技术和大规模集成 电路技术的迅速发展,消费类电子产品正以日新月异的新姿展现在当代人的面前,音响类 娱乐产品的多样化、小型化与数字化及品种的琳琅满目丰富了音响产品市场,满足了多层次消费者的不同需要。

在这些科技产品的快速发展过程中，数字音频技术在其中扮演着重要的角色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本设计基于Nios II的SOPC技术，利用Verilog 硬件描述语言开发基于FPGA的音频编解码芯片控制器，以实现对音频编/解码芯片WM8731的控制同时本文提出了一种基于FPGA器件的音频信号处理的实现方案,探讨声音信号的收集、处理及应用,工作的重点是在噪声环境中如何能有效地地把需要的语音信号提取出来开,消除或者衰减噪声,这涉及到滤波器的设计,通过数字滤波来处理噪声信号关键词：WM8731, FPGA, I2C总线, 音频处理Abstract: With the rapid development of digital recording technology and LSI technology, consumer electronics products are in the ever-changing contemporary new look show in front of people, diverse sound like entertainment products, miniaturization and digitization and dazzling varieties enriches the audio products market, to meet the different needs of multi-level consumers. In the rapid development of these technology products, and digital audio technology in which play an important role. Digital Voice IC with embedded microprocessor combination of both to achieve the miniaturization, low-power system, but also reduce product development costs and improve design flexibility, small size, easy to expand, and many other features, with extensive prospects for development.The design is based on the Nios II SOPC technology, using Verilog hardware description language developed FPGA-based audio codec chip controller, in order to achieve an audio encoder / decoder chip WM8731 control. This paper presents a realization of the program while the audio signal processing based on FPGA devices, explore the collection, processing and application, focusing on the work of the sound signal in a noisy environment is how to effectively put the desired speech signal extracted open, eliminating or noise attenuation, which involves the design of the filter, filtering processing by a digital noise signal.Keywords： WM8731, FPGA, I2C Bus, Audio controller1绪论1.1 课题研究背景1.1.1 课题来源 随着数字记录技术和大规模集成 电路技术的迅速发展,消费类电子产品正以日新月异的新姿展现在当代人的面前,音响类 娱乐产品的多样化、小型化与数字化及品种的琳琅满目丰富了音响产品市场,满足了多层次消费者的不同需要。

在这些科技产品的快速发展过程中，数字音频技术在其中扮演着重要的角色现在音频处理技术的任务越来越复杂,对信号处理的效果要求不断提高,音频处理技术的算法也越来越复杂，要求在几十ms甚至几ms的时间内完成音频信号大量的数据采集、处理、存储、传输,这就对音频处理系统处理器的运算速度提出了更高的要求1.1.2 研究目的及意义随着消费电子的快速发展，数字音频技术的应用显得越来越重要，对数字音频技术的研究符合市场与科技需求数字音频处理技术涉及生活的方方面面,包括滤波器技术、数字信号处理、人工智能、模式识别、编码学、等多个学科的知识,是信息化技术类学科当中发展极为迅速的一个方向之一音频信号处理技术包含的内容非常多,主要有信号存储、语音合成、语音识别、音频压缩、语音理解、音频编码、语音识别、语音增强等多个分支,总而言之,音频信号处理技术包括音频信号的数字化处理、数字化实现、数字化变换、数字化存储、数字化传播、及音频的变换、语音的处理、语音的识别等自然科学多个领域的综合运用传统的数字滤波器采用乘法和累加结构,需要进行多次的乘法和加法运算由于乘法器庞大的结构,占用了系统芯片上的大部分面积,消耗了大部分功率,使得音频处理系统在体积和处理速度上存在着不足,所以传统的数字滤波器不能很好的满足家用和便携式音频处理器对体积小、功耗小信号处理速度高的要求。

而近些年来使用范围越来越广泛，技术越来越成熟的FPGA器件对于解决对于解决音频信号的高标准、高要求有着其独特的优势基于FPGA器件的音频信号处理的实现方案,在于对声音信号的收集、处理及应用,工作的重点是在噪声环境中如何能有效地地把需要的语音信号提取出来开,消除或者衰减噪声,这涉及到滤波器的设计,通过数字滤波来处理噪声信号1.2 国内外的研究现状及发展趋势1.2.1 FPGA的发展历程FPGA是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）领域中的一种半定制电路而出现的，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FPGA是Ross Freema于1985年发明的，当时第一个FPGA采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个，当时他所创造的 FPGA被认为是一项不切实际的技术，他的同事Bill Carter曾说：“这种理念需要很多晶体管，但那时晶体管是非常珍贵的东西所以人们认为Ross的想法过于脱离现实。

但是Ross预计：根据摩尔定律（每18个月晶体管密度翻一翻），晶体管肯定会越来越便宜，因此它必将成为未来不可或缺的技术在短短的几年时间内，正如Ross所预言的，出现了数十亿美元的现场可编程门阵列（FPGA）市场但可惜的是，他已经无法享受这一派欣欣向荣的景象，Ross Freeman在1989年已经与世长辞了，但是它的发明却持续不断地促进电子行业的进步与发展一般来说，FPGA内部是由最小的物理逻辑单位LE、布线网络、输入输出模块与片内外设组成的，而最小物理逻辑单元是指用户无法修改的、固定的最小单元，设计者只能将这些单元通过互联线将其连接起来，然后实现特定的功能一个LE是由触发器、LUT与控制逻辑组成的，从而同样可以实现组合逻辑和时序逻辑随着FPGA集成度的不断增加，。