江苏省大学生创新训练计划项目研究总结报告

附件3

江苏省大学生创新训练计划项目研究总结报告

一、项目研究背景及意义

20世纪集成电路的发展为数字音频技术提供了良好的发展空间，使数字音频技术得到了迅猛的发展。随着音频处理技术的发展，它们对音质、体积、功耗和处理速度的要求越来越苛刻，作为其分支之一的语音识别技术也得到了广泛的应用。但这种技术都还未达到令人满意的程度，问题在于如何有效提高识别准确率。而此时，随着科技的发展，电子电路的设计正逐渐摆脱传统的设计模式，采用FPGA来设计电子电路正成为设计的趋势。这是因为采用FPGA设计电子电路不仅开发时间短，资金投入相对少，且可将电路板级产品集成为芯片级产品。

从目前的情况来看，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和发展。音频处理的数字化是利用数字滤波算法对采集到的音频信号进行变换处理来实现的。传统的数字滤波器采用乘法和累加（MAC）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，耗费了大部分功率，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地满足现代音频处理对体积小、功耗小、信号处理速度高的要求。因此，通过 FPGA 实现对数字音频的处理，有着重要的现实意义，能实现体积小、功耗低、高速度的要求。通过数字音频处理，把处理后的数据应用到语音识别，将对语音识别的准确率和速度产生积极的影响，使语音识别技术更广泛地应用到人们的生活中。

对音频信号进行数字处理的有关技术，包括模/数和数/模转换、数据的传输、记录、存储、混合以及其他处理技术。与音乐和语音有关的信号则是音频信号的主要对象，这些信号需要在处理过程中满足高保真的要求，而通信技术中的语音处理则需要满足可懂度准则。数字音频技术的主要优点是能提高音频信号的质量，增强抗干扰能力，而且数字音频设备使用面广，适于大规模生产。

二、课题人员分工

三、课题研究方法、步骤

利用FPGA开发板模块，在硬件基础上先编写硬件电路测试软件，再利用模块化设计思想编写基于FPGA的嵌入式系统软件。具体设计技术路线为：首先进行开发方案的选择，接下来分别进入试验设计、性能测试、改进和提高、总结阶段。截至2015年4月9日，我们实现了项目各个模块的主要功能，完成了模块连接以及最终成品的调试工作。项目实施按预期计划进行，并取得了较好的预期成果。项目具体实施进展情况如下：

2014年5月-9月：购买了FPGA开发板及部分元器件、在网上下载了包括用户手册、开发例程、视频教程等多种资料，并认真学习。确定了各软件模块功能，完成部分程序设计。主要完成的工作有：

1.确定系统设计的具体方案，对方案的可行性进行了论证。通过学习，熟练应用基于ALTERA公司的FPGA芯片Cyclone II EP2C8Q208C8的核心板及QuartusII开发软件。

2. 完成音频信号实时采集、编解码程序的设计。

3. 使用VHDL编写了音频编解码器的控制程序，通过QuartusII搭建软件模块，并进行仿真。

2014年10月-12月：通过Matlab/Simulink实现数字滤波器的设计与仿真，完成各模块软硬件联调，对系统性能进行进一步优化。

2015年1月-4月：在前期工作基础上，根据所完成的软件系统，撰写了一篇《LMS自适应滤波器及DSP-Builder实现》研究论文，并完成结题材料。

四、课题研究的过程（实验原理、过程）

1.基于FPGA的音频信号的数字化采集和重放

音频编解码芯片需配合专用CPU控制器方可实现音频信号的数字化采集和重放等功能。利用FPGA作为语音芯片的控制芯片，先用VHDL编制底层程序模块及顶层程序模块，然后将程序通过Quartus II 9.0进行编译、仿真和下载，配置到FPGA

芯片中，从而完成音频信号的采集和音频信号的实时重放，实现音频信号的实时数字化传输或存储。

语音信号采集和重放框图如图1所示，对于单声道的音频编解码器而言，语音信号源提供相应的语音信号，通过语音PCM编码芯片将模拟的语音信号转换为数字信号形成PCM编码格式，产生数据帧同步信号FST、位时钟信号BCLKT，为了保证数字化传输的同步，需要在PCM编码格式中加入同步头。FPGA处理数据，恢复位时钟信号BCLKR、帧同步信号FSR，并去除所加的同步头。将数据发送给语音PCM编码芯片实现语音信号实时重放。

图1 语音信号采集和重放框图

2.LMS滤波器的原理与结构

（1）LMS滤波器的原理

根据LMS算法构成的自适应滤波器原理框图如图2所示。

x(n) d(n)

图2 自适应滤波器框图

由于误差信号为参数可调线性滤波器的输出与期望信号相减的结果，自适应算法可以根据误差信号自动控制参数可调线性滤波器的参数，以实现自适应过程，算法决定了这个闭合反馈环路的自适应过程所需的时间。

LMS算法是基于最小均方误差准则，在梯度法的基础上，通过改进均方误差梯度的估计值计算方法，取单个误差样本平方的梯度作为均方误差梯度的估计值。采用横向滤波器结构，该算法可用以下一组迭代公式来表示，即

y(n)WT(n)X(n) (1)

e(n)d(n)y(n) (2)

W(n1)W(n)2e(n)X(n) (3)

TW(n)[w(n) w(n)  w(n)]01L1式中，W(n)是滤波器系数向量（L为滤波器的阶数），

TX(n)[x(n) x(n)  x(n)]01L1是依赖于输入信号的加权矢量； X(n)是由输入向量；

WT(n)是W(n)的转置；为控制算法的稳定性和收敛性的步长因子。越大，则算法收敛越快，但收敛后的误差信号也越大；越小，则算法收敛越慢，但收敛后的误差信号也越小。因此，可以通过调整步长因子来改善LMS算法的性能。

要使该算法收敛，需满足一定的收敛条件。假设输入信号为平稳信号且与权系数向量相互独立时，则应满足

01

max (4) 其中，max为输入信号自相关矩阵R的最大特征值。

根据公式(3)可求出LMS滤波器结构框图如图3所示。

x(n)

图3 LMS滤波器算法框图

（2）用DSP-Builder实现LMS滤波器

利用FPGA设计滤波器的流程为：打开 MATLAB 软件，打开Simulink，建立MDL文件，调用 DSP-Builder模块构成所需要设计算法的结构模型，仿真成功后将MDL文件转换为HDL文件，在ATLERA公司的QUARTUS软件中完成编译并下载到FPGA中，从而完成整个设计。

根据图3的LMS滤波器结构框图，使用Matlab/Simulink和Altera/DSP-Builder，设计相应的LMS自适应滤波器。本文采用16阶滤波器。LMS自适应滤波器的结构模型如图4到图6所示，图4为底层模块，图5为8个底层模块级联，图6为级联构成的16阶滤波器。

图4 LMS自适应滤波器的底层模块

图5 8个底层模块级联

（2）用DSP-Builder实现LMS滤波器

利用FPGA设计滤波器的流程为：打开 MATLAB 软件，打开Simulink，建立MDL文件，调用 DSP-Builder模块构成所需要设计算法的结构模型，仿真成功后将MDL文件转换为HDL文件，在ATLERA公司的QUARTUS软件中完成编译并下载到FPGA中，从而完成整个设计。

根据图3的LMS滤波器结构框图，使用Matlab/Simulink和Altera/DSP-Builder，设计相应的LMS自适应滤波器。本文采用16阶滤波器。LMS自适应滤波器的结构模型如图4到图6所示，图4为底层模块，图5为8个底层模块级联，图6为级联构成的16阶滤波器。

图4 LMS自适应滤波器的底层模块

图5 8个底层模块级联

图6 16阶LMS自适应滤波器

3.仿真实验及结果分析

实验1：在外部添加测试电路，如图所示，采用正弦波信号作为输入并线性叠加高斯噪声，用示波器观测相应的滤波输出波形，通过改变步长因子得到不同的仿真结果，如图6到图9所示。

图7 仿真测试电路

输入信号

输入+噪声

滤波输出

误差

图8 μ=0.1仿真结果

输入信号

输入+噪声

滤波输出

误差

图9 μ=0.01仿真结果

输入信号

输入+噪声

滤波输出

误差

图10 μ=0.001仿真结果

输入信号

输入+噪声

滤波输出

误差

图11 μ=0.0001仿真结果

根据图8到图11的各组波形图，比较在4种不同步长因子情况下的输出波形，当μ=0.01和μ=0.001时，滤波器性能较好。当μ=0.01时，收敛速度快，但误差较大；当μ=0.001时，误差较小，但收敛速度慢。

实验2：采用实际的音频信号附加正弦噪声，模拟音频啸叫干扰，实验结果如图11所示。

图12 啸叫干扰抑制

在图12中，第一个波形为时间长度为15秒的音频信号，第二个波形为叠加噪声后的信号，第3个波形为滤波后输出信号，第4个波形为误差信号。记录的是输出数据与没有混入噪声的源音频数据的差距，可以清楚的看到在1秒左右的地方滤波器达到收敛状态。在第5个输出的音频波形中，可以观察到啸叫由强转弱最后消失的过程。

五、课题研究的结果（结论）

本项目主要研究基于FPGA的数字音频处理技术。选取Cyclone II EP2C8Q208C8核心板作为设计平台，研究音频信号采集、音频信号编码、音频信号解码、数字滤波、数字音频存储技术等相关内容。利用QuartusII编程实现对立体声音频编解码器的控制，实现音频信号采集、存储和重放；同时通过Matlab/Simulink实现数字滤波器的设计与仿真。

取得如下研究成果：

1.基于FPGA的音频处理软件 1套

2.研究论文 1篇（已录用）

六、经验体会（与预期计划相比，说明完成情况和存在问题，经验教训及自我评价等）

作为该项目的主持人，本人全程参与了项目的申报、研究和结题工作。通过参与项目申报，提高了我文献查找、阅读总结的能力，并且让我接触了专业最新的研究方向及研究内容，开阔了自己专业知识视野，丰富了专业知识。在项目申报资料整理过程中，锻炼了自己在项目研究方向、研究内容及创新点上的提炼能力，进一步明确了项目每个阶段的目标和最终项目成果，明白了创新的意义在于将新的知识应用于工程中，解决实际问题。

在项目实施过程中，我和我的项目成员紧紧围绕研究内容，以现有的专业知识为基础，对FPGA软件的开发进行了深入学习。通过和项目组成员的不断努力，我们按原计划设计完成音频信号采集、音频信号编码、音频信号解码、数字滤波、数字音频存储技术等相关内容，并利用QuartusII编程实现对立体声音频编解码器的控制，实现音频信号采集、存储和重放；同时通过Matlab/Simulink实现数字滤波器的设计与仿真以及《LMS自适应滤波器及DSP-Builder实现》研究论文的撰写工作。

经过一年的钻研和设计，完成了以下成果：基于FPGA的音频处理软件1套，研究论文1篇。与预期计划相比，已基本实现基于FPGA的音频处理系统的设计工作。

通过参与本次基于FPGA的音频处理系统设计项目的设计研发工作，我收获颇多。创新需要知识的积累，在创新实践中产生的这种认识，促使课题组的学生充分利用课余时间，进书店、上互联网、到图书馆、请教学长，去获取新的知识。我们不仅体会到了理论知识的重要性，更体验到了理论联系实际的重要性。

在创新性实验的过程中，学习的能力得到了提升。创新的过程就是一个发现问题和解决问题的过程。面对一次又一次的方案修改，我们通过组内讨论、查阅资料、调研思考、跨学科交流，渐渐学会了如何全面地考虑问题、如何从多角度考虑问题、如何从别人的设计中去提炼精华，使分析问题和解决问题的能力得到质的飞跃，从而提高了创新思维能力。当完成了一件具有创新性的作品，同学们不仅体会到了成功的快乐，更重要的是增强了信心，提高了韧性，养成了耐心、细致、注意把握细

附件3

江苏省大学生创新训练计划项目研究总结报告

一、项目研究背景及意义

20世纪集成电路的发展为数字音频技术提供了良好的发展空间，使数字音频技术得到了迅猛的发展。随着音频处理技术的发展，它们对音质、体积、功耗和处理速度的要求越来越苛刻，作为其分支之一的语音识别技术也得到了广泛的应用。但这种技术都还未达到令人满意的程度，问题在于如何有效提高识别准确率。而此时，随着科技的发展，电子电路的设计正逐渐摆脱传统的设计模式，采用FPGA来设计电子电路正成为设计的趋势。这是因为采用FPGA设计电子电路不仅开发时间短，资金投入相对少，且可将电路板级产品集成为芯片级产品。

从目前的情况来看，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和发展。音频处理的数字化是利用数字滤波算法对采集到的音频信号进行变换处理来实现的。传统的数字滤波器采用乘法和累加（MAC）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，耗费了大部分功率，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地满足现代音频处理对体积小、功耗小、信号处理速度高的要求。因此，通过 FPGA 实现对数字音频的处理，有着重要的现实意义，能实现体积小、功耗低、高速度的要求。通过数字音频处理，把处理后的数据应用到语音识别，将对语音识别的准确率和速度产生积极的影响，使语音识别技术更广泛地应用到人们的生活中。

对音频信号进行数字处理的有关技术，包括模/数和数/模转换、数据的传输、记录、存储、混合以及其他处理技术。与音乐和语音有关的信号则是音频信号的主要对象，这些信号需要在处理过程中满足高保真的要求，而通信技术中的语音处理则需要满足可懂度准则。数字音频技术的主要优点是能提高音频信号的质量，增强抗干扰能力，而且数字音频设备使用面广，适于大规模生产。

二、课题人员分工

三、课题研究方法、步骤

利用FPGA开发板模块，在硬件基础上先编写硬件电路测试软件，再利用模块化设计思想编写基于FPGA的嵌入式系统软件。具体设计技术路线为：首先进行开发方案的选择，接下来分别进入试验设计、性能测试、改进和提高、总结阶段。截至2015年4月9日，我们实现了项目各个模块的主要功能，完成了模块连接以及最终成品的调试工作。项目实施按预期计划进行，并取得了较好的预期成果。项目具体实施进展情况如下：

2014年5月-9月：购买了FPGA开发板及部分元器件、在网上下载了包括用户手册、开发例程、视频教程等多种资料，并认真学习。确定了各软件模块功能，完成部分程序设计。主要完成的工作有：

1.确定系统设计的具体方案，对方案的可行性进行了论证。通过学习，熟练应用基于ALTERA公司的FPGA芯片Cyclone II EP2C8Q208C8的核心板及QuartusII开发软件。

2. 完成音频信号实时采集、编解码程序的设计。

3. 使用VHDL编写了音频编解码器的控制程序，通过QuartusII搭建软件模块，并进行仿真。

2014年10月-12月：通过Matlab/Simulink实现数字滤波器的设计与仿真，完成各模块软硬件联调，对系统性能进行进一步优化。

2015年1月-4月：在前期工作基础上，根据所完成的软件系统，撰写了一篇《LMS自适应滤波器及DSP-Builder实现》研究论文，并完成结题材料。

四、课题研究的过程（实验原理、过程）

1.基于FPGA的音频信号的数字化采集和重放

音频编解码芯片需配合专用CPU控制器方可实现音频信号的数字化采集和重放等功能。利用FPGA作为语音芯片的控制芯片，先用VHDL编制底层程序模块及顶层程序模块，然后将程序通过Quartus II 9.0进行编译、仿真和下载，配置到FPGA

芯片中，从而完成音频信号的采集和音频信号的实时重放，实现音频信号的实时数字化传输或存储。

语音信号采集和重放框图如图1所示，对于单声道的音频编解码器而言，语音信号源提供相应的语音信号，通过语音PCM编码芯片将模拟的语音信号转换为数字信号形成PCM编码格式，产生数据帧同步信号FST、位时钟信号BCLKT，为了保证数字化传输的同步，需要在PCM编码格式中加入同步头。FPGA处理数据，恢复位时钟信号BCLKR、帧同步信号FSR，并去除所加的同步头。将数据发送给语音PCM编码芯片实现语音信号实时重放。

图1 语音信号采集和重放框图

2.LMS滤波器的原理与结构

（1）LMS滤波器的原理

根据LMS算法构成的自适应滤波器原理框图如图2所示。

x(n) d(n)

图2 自适应滤波器框图

由于误差信号为参数可调线性滤波器的输出与期望信号相减的结果，自适应算法可以根据误差信号自动控制参数可调线性滤波器的参数，以实现自适应过程，算法决定了这个闭合反馈环路的自适应过程所需的时间。

LMS算法是基于最小均方误差准则，在梯度法的基础上，通过改进均方误差梯度的估计值计算方法，取单个误差样本平方的梯度作为均方误差梯度的估计值。采用横向滤波器结构，该算法可用以下一组迭代公式来表示，即

y(n)WT(n)X(n) (1)

e(n)d(n)y(n) (2)

W(n1)W(n)2e(n)X(n) (3)

TW(n)[w(n) w(n)  w(n)]01L1式中，W(n)是滤波器系数向量（L为滤波器的阶数），

TX(n)[x(n) x(n)  x(n)]01L1是依赖于输入信号的加权矢量； X(n)是由输入向量；

WT(n)是W(n)的转置；为控制算法的稳定性和收敛性的步长因子。越大，则算法收敛越快，但收敛后的误差信号也越大；越小，则算法收敛越慢，但收敛后的误差信号也越小。因此，可以通过调整步长因子来改善LMS算法的性能。

要使该算法收敛，需满足一定的收敛条件。假设输入信号为平稳信号且与权系数向量相互独立时，则应满足

01

max (4) 其中，max为输入信号自相关矩阵R的最大特征值。

根据公式(3)可求出LMS滤波器结构框图如图3所示。

x(n)

图3 LMS滤波器算法框图

（2）用DSP-Builder实现LMS滤波器

利用FPGA设计滤波器的流程为：打开 MATLAB 软件，打开Simulink，建立MDL文件，调用 DSP-Builder模块构成所需要设计算法的结构模型，仿真成功后将MDL文件转换为HDL文件，在ATLERA公司的QUARTUS软件中完成编译并下载到FPGA中，从而完成整个设计。

根据图3的LMS滤波器结构框图，使用Matlab/Simulink和Altera/DSP-Builder，设计相应的LMS自适应滤波器。本文采用16阶滤波器。LMS自适应滤波器的结构模型如图4到图6所示，图4为底层模块，图5为8个底层模块级联，图6为级联构成的16阶滤波器。

图4 LMS自适应滤波器的底层模块

图5 8个底层模块级联

（2）用DSP-Builder实现LMS滤波器

利用FPGA设计滤波器的流程为：打开 MATLAB 软件，打开Simulink，建立MDL文件，调用 DSP-Builder模块构成所需要设计算法的结构模型，仿真成功后将MDL文件转换为HDL文件，在ATLERA公司的QUARTUS软件中完成编译并下载到FPGA中，从而完成整个设计。

根据图3的LMS滤波器结构框图，使用Matlab/Simulink和Altera/DSP-Builder，设计相应的LMS自适应滤波器。本文采用16阶滤波器。LMS自适应滤波器的结构模型如图4到图6所示，图4为底层模块，图5为8个底层模块级联，图6为级联构成的16阶滤波器。

图4 LMS自适应滤波器的底层模块

图5 8个底层模块级联

图6 16阶LMS自适应滤波器

3.仿真实验及结果分析

实验1：在外部添加测试电路，如图所示，采用正弦波信号作为输入并线性叠加高斯噪声，用示波器观测相应的滤波输出波形，通过改变步长因子得到不同的仿真结果，如图6到图9所示。

图7 仿真测试电路

输入信号

输入+噪声

滤波输出

误差

图8 μ=0.1仿真结果

输入信号

输入+噪声

滤波输出

误差

图9 μ=0.01仿真结果

输入信号

输入+噪声

滤波输出

误差

图10 μ=0.001仿真结果

输入信号

输入+噪声

滤波输出

误差

图11 μ=0.0001仿真结果

根据图8到图11的各组波形图，比较在4种不同步长因子情况下的输出波形，当μ=0.01和μ=0.001时，滤波器性能较好。当μ=0.01时，收敛速度快，但误差较大；当μ=0.001时，误差较小，但收敛速度慢。

实验2：采用实际的音频信号附加正弦噪声，模拟音频啸叫干扰，实验结果如图11所示。

图12 啸叫干扰抑制

在图12中，第一个波形为时间长度为15秒的音频信号，第二个波形为叠加噪声后的信号，第3个波形为滤波后输出信号，第4个波形为误差信号。记录的是输出数据与没有混入噪声的源音频数据的差距，可以清楚的看到在1秒左右的地方滤波器达到收敛状态。在第5个输出的音频波形中，可以观察到啸叫由强转弱最后消失的过程。

五、课题研究的结果（结论）

本项目主要研究基于FPGA的数字音频处理技术。选取Cyclone II EP2C8Q208C8核心板作为设计平台，研究音频信号采集、音频信号编码、音频信号解码、数字滤波、数字音频存储技术等相关内容。利用QuartusII编程实现对立体声音频编解码器的控制，实现音频信号采集、存储和重放；同时通过Matlab/Simulink实现数字滤波器的设计与仿真。

取得如下研究成果：

1.基于FPGA的音频处理软件 1套

2.研究论文 1篇（已录用）

六、经验体会（与预期计划相比，说明完成情况和存在问题，经验教训及自我评价等）

作为该项目的主持人，本人全程参与了项目的申报、研究和结题工作。通过参与项目申报，提高了我文献查找、阅读总结的能力，并且让我接触了专业最新的研究方向及研究内容，开阔了自己专业知识视野，丰富了专业知识。在项目申报资料整理过程中，锻炼了自己在项目研究方向、研究内容及创新点上的提炼能力，进一步明确了项目每个阶段的目标和最终项目成果，明白了创新的意义在于将新的知识应用于工程中，解决实际问题。

在项目实施过程中，我和我的项目成员紧紧围绕研究内容，以现有的专业知识为基础，对FPGA软件的开发进行了深入学习。通过和项目组成员的不断努力，我们按原计划设计完成音频信号采集、音频信号编码、音频信号解码、数字滤波、数字音频存储技术等相关内容，并利用QuartusII编程实现对立体声音频编解码器的控制，实现音频信号采集、存储和重放；同时通过Matlab/Simulink实现数字滤波器的设计与仿真以及《LMS自适应滤波器及DSP-Builder实现》研究论文的撰写工作。

经过一年的钻研和设计，完成了以下成果：基于FPGA的音频处理软件1套，研究论文1篇。与预期计划相比，已基本实现基于FPGA的音频处理系统的设计工作。

通过参与本次基于FPGA的音频处理系统设计项目的设计研发工作，我收获颇多。创新需要知识的积累，在创新实践中产生的这种认识，促使课题组的学生充分利用课余时间，进书店、上互联网、到图书馆、请教学长，去获取新的知识。我们不仅体会到了理论知识的重要性，更体验到了理论联系实际的重要性。

在创新性实验的过程中，学习的能力得到了提升。创新的过程就是一个发现问题和解决问题的过程。面对一次又一次的方案修改，我们通过组内讨论、查阅资料、调研思考、跨学科交流，渐渐学会了如何全面地考虑问题、如何从多角度考虑问题、如何从别人的设计中去提炼精华，使分析问题和解决问题的能力得到质的飞跃，从而提高了创新思维能力。当完成了一件具有创新性的作品，同学们不仅体会到了成功的快乐，更重要的是增强了信心，提高了韧性，养成了耐心、细致、注意把握细