基于FPGA的音频信号的FIR滤波（Matlab+Modelsim验证）

 

1 设计内容

        本设计是基于FPGA的音频信号FIR低通滤波，根据要求，采用Matlab对WAV音频文件进行读取和添加噪声信号、FFT分析、FIR滤波处理，并分析滤波的效果。通过Matlab的分析验证滤波效果后，将叠加噪声信号的音频信号输出到txt文件里。然后使用Matlab语言编写滤波器模块和测试模块，通过Modelsim软件读取txt文件的数据，将数据送入滤波模块，最后将滤波的结果输出到txt文件里，最后用Matlab将处理的结果从txt文件读出、显示、FFT分析用Verilog设计的FIR滤波器的处理效果。

 

2 设计原理

2.1 语音信号概述

       语言是人类创造的，是人类区别于其他地球生命的本质特征之一。人类用语言交流的过程可以看成是一个复杂的通信过程，为了获取便于分析和处理的语音信源，必须将在空气中传播的声波转变为包含语音信息并且记载着声波物理性质的模拟（或数字）电信号，即语音信号，因此语音信号就成为语音的表现形式或载体。

       语音学和数字信号处理的交叉结合便形成了语音信号处理。语音信号处理是建立在语音学和数字信号处理基础之上的，对语音信号模型进行分析、存储、传输、识别和合成等方面的一门综合性学科。

       本设计中，从WAV音频文件用Matlab读取音频信号进行分析、处理。

2.2 数字滤波器原理

       若滤波器的输入、输出都是离散时间信号，那么该滤波器的单位冲激响应h(n)也必然是离散的，这种滤波器称为数字滤波器（DF）。数字滤波器实质上是一种运算过程——用来描述离散系统输入与输出关系的差分方程的计算或卷积计算。数字滤波器的实质是用一有限精度算法实现的离散时间线性时不变系统，以完成对信号进行滤波处理的过程。它是数字信号处理的一个重要分支，具有稳定性好、精度高、灵活性强、体积小、质量轻等诸多优点。

      根据单位冲激响应h(n)的时间特性分类

（1） 无限冲激响应（IIR）数字滤波器

（2） 有限冲激响应（FIR）数字滤波器

      本设计中选择FIR低通滤波器对音频信号进行滤波处理。

      FIR滤波器响应（简称FIR）系统的单位脉冲响应h(n)为有限长序列，系统函数H（z）在有限z平面上不存在极点，其运算结构中不存在反馈支路，即没有环路。如果h(n)的长度为N，则它的系统函数和差分方程一般具有如下形式：

      FIR滤波器的结果主要有：直接型、级联型、线性相位型。

      设计中采用线性相位型，FIR滤波器最主要的特性就是它可以具备线性相位的特性。所谓线性相位特性，是指滤波器对不同频率的正弦波所产生的相移和正弦波的频率成直线关系。因此，在滤波器通带内的信号通过滤波器后，除了由相移特性的斜率决定的延时外，可以不失真地保留通带内的全部信号。这一点很重要，在很多的应用场合都有所需求。

      当系统的单位抽样响应h（n）满足下列对称条件时，即

偶对称条件：h（n）=h（N-1-n）0<n<N-1

奇对称条件：h（n）=-h（N-1-n）0<n<N-1

      系统的相頻特性是线性的。其对称中心为（N-1）/2。采用线性相位型可以比直接型少用（N-1）/2个乘法器。下图为N为偶数和奇数的情形，a图为N=7, b图为N=6。

图 1 N为偶数和奇数的FIR滤波器结构

3. 设计思路

      本设计主要分为两个部分，一个是Matlab的设计验证和音频信号提取，另一个为Modelsim平台上基于Verilog的FIR滤波器的设计和testbench的编写。

      Matlab的设计验证和音频信号提取：在MATLAB中，[y,fs,bits]=wavread('Blip',[N1 N2]);用于读取语音，采样值放在向量y中，fs表示采样频率(Hz)，bits表示采样位数。[N1 N2]表示读取的值从N1点到N2点