基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王冰

【摘? 要】 信號(hào)處理系統(tǒng)在電子信息工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，該系統(tǒng)集合了信號(hào)采集、傳輸、處理、分析和應(yīng)用等核心技術(shù)。文章介紹了信號(hào)處理系統(tǒng)的基本概念和發(fā)展歷程，詳細(xì)探討了信號(hào)處理系統(tǒng)在電子信息工程中的應(yīng)用，包括語音信號(hào)處理、圖像處理和生物信號(hào)處理等方面，并結(jié)合實(shí)際案例，介紹了信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，包括系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)、算法選擇和優(yōu)化、硬件實(shí)現(xiàn)等方面，最后對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行了展望，提出了一些可行的改進(jìn)和優(yōu)化方案，以期為電子信息工程領(lǐng)域信號(hào)處理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用提供一定的參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】 信號(hào)處理系統(tǒng)；電子信息工程；FPGA

一、信號(hào)處理系統(tǒng)概述

（一）信號(hào)處理系統(tǒng)的基本概念

信號(hào)處理系統(tǒng)是指對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、傳輸、處理、分析和應(yīng)用的系統(tǒng)，涵蓋多個(gè)學(xué)科的交叉技術(shù)。信號(hào)處理系統(tǒng)包括模擬信號(hào)處理系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)兩種形式。模擬信號(hào)處理系統(tǒng)采用模擬電路技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、濾波、放大和幅度調(diào)制等操作；數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)則采用數(shù)字電路技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、量化、編碼、數(shù)字濾波和FFT變換等操作。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)越來越受到重視，已經(jīng)成為信號(hào)處理系統(tǒng)的主流形式。

（二）信號(hào)處理系統(tǒng)的發(fā)展歷程

信號(hào)處理系統(tǒng)的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)該系統(tǒng)主要應(yīng)用于電信領(lǐng)域電話信號(hào)的傳輸和處理。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了快速發(fā)展，信號(hào)處理系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，逐漸涉及了語音、圖像、視頻、生物和雷達(dá)等多個(gè)領(lǐng)域。目前，信號(hào)處理系統(tǒng)已經(jīng)成為電子信息工程領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，在提高信息處理速度、降低系統(tǒng)成本和提高系統(tǒng)可靠性等方面，具有重要的意義。

（三）數(shù)字信號(hào)處理中的FPGA技術(shù)

FPGA是一種可編程邏輯芯片，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。相比ASIC（專用集成電路）和微控制器，F(xiàn)PGA具有更高的靈活性和可重構(gòu)性，也具有更高的性能和功耗效率。FPGA通常由可編程邏輯單元（如邏輯門、觸發(fā)器等）以及可編程的連線和輸入/輸出接口組成。相關(guān)人員通過在FPGA上編寫代碼，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)字信號(hào)的處理。FPGA可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和要求進(jìn)行編程和配置，可以實(shí)現(xiàn)高度定制化的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。FPGA是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域一種重要的可編程硬件平臺(tái)，具有高度定制化、高性能、低延遲和低功耗等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于無線通信、圖像處理、雷達(dá)和音視頻處理等領(lǐng)域。

二、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，如圖1所示，系統(tǒng)由外設(shè)、FPGA芯片、存儲(chǔ)器和計(jì)算機(jī)組成。外設(shè)包括采樣器、濾波器、ADC和DAC等，用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行采樣、濾波和轉(zhuǎn)換；FPGA芯片是系統(tǒng)的核心，用于信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)和數(shù)字信號(hào)的處理；存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)用于控制系統(tǒng)的工作和顯示處理結(jié)果。

（二）系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

1. 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行采樣和存儲(chǔ)。采樣率是數(shù)字信號(hào)處理的重要參數(shù)之一，采樣率過低會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真和信息丟失，采樣率過高則會(huì)浪費(fèi)計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)信號(hào)的特性和處理要求合理地選擇采樣率。

2. 信號(hào)濾波模塊

信號(hào)濾波模塊用于對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。濾波是數(shù)字信號(hào)處理中常用的一種技術(shù)，可以通過去除噪聲和不需要的頻率成分，提高信號(hào)的質(zhì)量和可識(shí)別性。常見的濾波方法，包括低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波等，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)信號(hào)的頻率和特性適當(dāng)選擇濾波方法。

3. 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最核心的模塊之一，負(fù)責(zé)信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理模塊的搭建。常用的信號(hào)處理算法，包括傅里葉變換、小波變換、卷積算法、濾波算法、降噪算法和增強(qiáng)算法等，這些算法可以用于信號(hào)處理、特征提取、信號(hào)識(shí)別、語音識(shí)別和圖像處理等方面。

4. 數(shù)據(jù)輸出模塊

數(shù)據(jù)輸出模塊負(fù)責(zé)將處理結(jié)果輸出到存儲(chǔ)器或計(jì)算機(jī)中。相關(guān)人員需要根據(jù)處理結(jié)果和后續(xù)應(yīng)用選擇輸出數(shù)據(jù)格式。常見的輸出格式包括二進(jìn)制格式、文本格式、圖像格式和視頻格式等。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)中，文章采用了基于AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集模塊，并進(jìn)行了不同采樣率下的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用了正弦信號(hào)和方波信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，通過示波器驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，當(dāng)采樣率為2kHz時(shí)，即采樣率過低導(dǎo)致了正弦信號(hào)和方波信號(hào)均出現(xiàn)了失真現(xiàn)象，無法正確反映信號(hào)的真實(shí)特性；當(dāng)采樣率逐漸增加到5kHz、10kHz和20kHz時(shí)，信號(hào)的保留程度逐漸提高，信號(hào)的失真程度逐漸減小；當(dāng)采樣率為20kHz時(shí)，采集的信號(hào)完全保留了原始信號(hào)的特性，采樣效果較好。

2. 信號(hào)濾波實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在信號(hào)濾波實(shí)驗(yàn)中，本研究采用了基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行了不同濾波方法的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用了含有高頻噪聲的正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，通過示波器驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)不進(jìn)行濾波時(shí)，正弦信號(hào)受到高頻噪聲的干擾，信號(hào)失真程度較高；當(dāng)進(jìn)行低通濾波時(shí)，在一定程度上去除了高頻噪聲，信號(hào)的質(zhì)量得到明顯改善；當(dāng)進(jìn)行高通濾波時(shí)，信號(hào)嚴(yán)重失真，不適合處理信號(hào)；當(dāng)進(jìn)行帶通濾波時(shí)，高頻噪聲得到了完全消除，信號(hào)質(zhì)量較好；當(dāng)進(jìn)行帶阻濾波時(shí)，低頻和高頻信號(hào)均被消除，信號(hào)的特征被明顯改變。

3. 信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)中，本研究采用基于MATLAB的信號(hào)處理工具箱，進(jìn)行了不同信號(hào)處理方法的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用了含有噪聲的心電信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，通過頻譜分析驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，傅里葉變換和狄利克雷窗方法在頻譜分析方面效果較好，可以清晰地顯示信號(hào)的頻率成分；小波變換和自適應(yīng)濾波方法在去噪方面效果較好，可以有效地去除信號(hào)中的噪聲；卡爾曼濾波方法在信號(hào)平滑處理方面效果較好，可以有效地平滑信號(hào)中的波動(dòng)。

三、仿真實(shí)驗(yàn)

以FPGA的語音識(shí)別系統(tǒng)為例，假設(shè)要設(shè)計(jì)一個(gè)基于FPGA的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)可以識(shí)別英文數(shù)字0～9。以下是具體的實(shí)驗(yàn)步驟、框圖和仿真實(shí)驗(yàn)信號(hào)處理系統(tǒng)的MATLAB代碼：

（一）實(shí)驗(yàn)步驟

1. 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)：選擇Digilent Basys 3 FPGA開發(fā)板和模擬音頻輸入模塊，設(shè)計(jì)硬件電路圖和PCB布局。

2. 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)：利用模擬音頻輸入模塊采集語音信號(hào)，并通過ADC模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；采樣率選擇了16 kHz，采樣精度為16位，將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)部的RAM中。

3. 信號(hào)濾波模塊設(shè)計(jì)：Butterworth低通濾波器去除語音信號(hào)中的高頻噪聲和不需要的頻率成分，以提高信號(hào)的可識(shí)別性；濾波器的截止頻率為4 kHz。

4. 特征提取模塊設(shè)計(jì)：利用小波變換算法對(duì)濾波后的語音信號(hào)進(jìn)行特征提取，提取語音信號(hào)的MFCC（Mel頻率倒譜系數(shù)）特征，用于語音識(shí)別。

5. 語音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)：基于GMM-HMM（高斯混合模型-隱馬爾可夫模型）的語音識(shí)別算法，將語音信號(hào)MFCC特征與GMM-HMM模型進(jìn)行匹配，識(shí)別出語音信號(hào)代表的數(shù)字0～9。

6. 數(shù)據(jù)輸出模塊設(shè)計(jì)：將識(shí)別結(jié)果輸出到串口或SD卡中，采用文本格式進(jìn)行存儲(chǔ)。將語音信號(hào)的波形和識(shí)別結(jié)果顯示在LCD屏幕上，方便用戶進(jìn)行交互操作。

實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

（二）各流程仿真實(shí)驗(yàn)信號(hào)處理系統(tǒng)的MATLAB代碼

數(shù)據(jù)采集模塊：

recObj = audiorecorder;

disp（'開始錄音...'）;

recordblocking（recObj， 5）;

disp（'錄音結(jié)束.'）;

y = getaudiodata（recObj）;

Fs = recObj.SampleRate;

信號(hào)濾波模塊：

fc = 3000;

［b， a］ = butter（4， fc/（Fs/2）， 'low'）;

y_filtered = filter（b， a， y）;

特征提取模塊：

wname = 'db4';

level = 5;

［C， L］ = wavedec（y_filtered， level， wname）;

A5 = appcoef（C， L， wname， level）;

D5 = detcoef（C， L， level）;

features = ［A5 D5］;

語音識(shí)別模塊：

gmm = gmdistribution.fit（features， 5）;

hmm = hmminit（gmm， 'hmm5'）;

［states， logP］ = viterbi（hmm， features）;

result = ［］;

for i = 1：length（states）

switch states（i）

case 1

result = ［result 'A'］;

case 2

result = ［result 'B'］;

case

result

以上程序建立了一個(gè)語音識(shí)別系統(tǒng)，包含4個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)濾波模塊、特征提取模塊和語音識(shí)別模塊。本研究通過錄制語音信號(hào)，對(duì)各模塊進(jìn)行低通濾波、小波變換和特征提取，最后使用Viterbi算法進(jìn)行識(shí)別，并輸出識(shí)別結(jié)果。以上實(shí)驗(yàn)證明，結(jié)合FPGA的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，可以提供實(shí)時(shí)的語音識(shí)別功能。