隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，聲紋因其采集方便,，成本低,，易于在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，而作為一種應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)和電話網(wǎng)中的認(rèn)證技術(shù)變得越來越重要^[1],。由于聲音采集的環(huán)境復(fù)雜,，背景噪聲經(jīng)常是非平穩(wěn)的，諸如在辦公室,、街道和工廠等,，正確區(qū)分語音和噪聲是系統(tǒng)正常工作的保證。因此音頻信號的預(yù)處理成了整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分^[2],。

    為完成音頻信號的預(yù)處理,，有些人在MATLAB中編寫代碼完成濾波器設(shè)計(jì)，但是它不能在硬件上實(shí)現(xiàn)SOPC設(shè)計(jì),；有些人采用Verilog 語言直接在FPGA中實(shí)現(xiàn),，但是它需要對Verilog語言十分熟悉^[3]。本文提出一種利用DSP builder技術(shù)設(shè)計(jì)濾波器,，既不需要對Verilog語言十分熟悉,，還可以借助Simulink平臺(tái)完成基于線性相位結(jié)構(gòu)和DA算法的音頻濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后通過Signal Compiler轉(zhuǎn)換為HDL語言,，實(shí)現(xiàn)由算法級到RTL級的轉(zhuǎn)換^[4-8],。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)流程

    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)、濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、MATLAB理論計(jì)算,、ModelSim時(shí)序仿真和板級驗(yàn)證等流程，如圖1所示,。

1.2 濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)

    本文中的濾波器采用線性相位結(jié)構(gòu)和DA算法^[9-12],，它的系數(shù)是對稱的，即h(n)=±h(N-n-1),。系數(shù)使用SystemVue軟件獲取，并在MATLAB中進(jìn)行量化,。

1.2.1 SystemVue設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)

    打開SystemVue軟件,，在空白處右鍵選擇linear sys filters，選擇菜單欄中的filters,，選擇漢明窗,，截止頻率使用歸一化頻率設(shè)置為0.45,，如圖2所示，最后得到如圖3所示濾波器的時(shí)域圖,。

1.2.2 濾波器系數(shù)

    SystemVue設(shè)計(jì)出的12階系數(shù),，如表1所示。

1.3 濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    打開MATLAB2009b,，在Command窗口輸入Simulink,，新建一個(gè)model文件，打開Altera DSP Builder庫,，選擇組件,，包括延時(shí)模塊、Parallel Adder Subtractor,、Bus Splitter,、Data type conversion、Look-up table,、Product等,，完成一個(gè)12階的線性相位結(jié)構(gòu)和DA算法的濾波器模塊設(shè)計(jì)，如圖4所示,。

    它是由3個(gè)4階濾波器子系統(tǒng)組成的,，一個(gè)4階濾波器子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5  4階線性相位濾波器

2 Verilog HDL語言生成

    在Simulink中添加Signal Compiler組件,，點(diǎn)擊圖標(biāo)進(jìn)行設(shè)置,，就可以完成HDL代碼的生成，設(shè)置如圖6所示,。

3 仿真與驗(yàn)證

3.1 下載

    首先在Quartus II中點(diǎn)擊編譯按鈕,，之后出現(xiàn)詳細(xì)的存儲(chǔ)資源分配情況，可看到存儲(chǔ)資源類型,、存儲(chǔ)器位寬和深度以及存儲(chǔ)量大小,，還有初始化文件映射等，如圖7所示,。

3.2 仿真

    在Simulink中添加Source為一個(gè)幅值為10的方波信號,，Sink為信號顯示器，仿真結(jié)果如圖8所示,。

    在Quartus II中進(jìn)行ModelSim仿真,，結(jié)果轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，如圖9所示,。

    為驗(yàn)證音頻濾波器設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,，在MATLAB軟件中編寫濾波器的卷積公式，計(jì)算得出的理論結(jié)果和Simulink仿真的結(jié)果進(jìn)行比較，由表2可看出兩者的數(shù)值很接近,，可看出本文設(shè)計(jì)是準(zhǔn)確的,。

    本文在DE2開發(fā)板上完成了音頻信號的采集和預(yù)處理，在Simulink中完成線性相位結(jié)構(gòu)和DA算法的濾波器的模塊設(shè)計(jì),，由Signal Compiler轉(zhuǎn)換為HDL代碼燒寫到板子中,，節(jié)省了大量的編程時(shí)間，減少了設(shè)計(jì)音頻濾波器的復(fù)雜度,。把Simulink仿真值和MATLAB理論計(jì)算值進(jìn)行對比,，結(jié)果很接近，可驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,。本文使用的SOPC設(shè)計(jì),，大大縮短設(shè)計(jì)周期，這將為后續(xù)的用于互聯(lián)網(wǎng)和電話網(wǎng)的聲紋特征提取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供便利,。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳擁權(quán),，張羽，胡翀豪,，等.聲紋識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用前景分析[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用,，2013(11)：24-25.

[2] 李琳琳，秦敏.音頻異步采樣率轉(zhuǎn)換IP的設(shè)計(jì)及聯(lián)合仿真[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2013,，39(6)：121-123.

[3] 蔣小燕.MATLAB/FPGA/Dsp builder在《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊，2013,，20(4)：197-199.

[4] 鄭爭兵.基于DSPBuilder的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與仿真[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),，2013(2)：34-38.

[5] 單文軍，周雪純,，李文華.基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),，2013，36(14)：123-126.

[6] 陳勇,，南玲巧,，任鶴翔，等.基于SOPC的網(wǎng)絡(luò)入侵檢測中模式匹配系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2011,，37(11)：13-16.

[7] 杜友杰,，王紫婷.基于DSP Builder的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測試,，2012(8)：43-46.

[8] GHAMKHARI S F，GHAZNAVI G M B.A new low-power architecture design for distributed arithmetic unit in FIR filter implementation[J].Circuits,，Systems,，and Signal Processing,，2014,，33(4)：1245-1259.

[9] Wei Ling,，Yang Rijie，Cui Xutao.Design of FIR filter based on distributed arithmetic and its FPGA implementation[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,，2008,，29(10)：2100-2104.

[10] 李俊，劉淮霞,，朱丹,，等.基于FPGA技術(shù)的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012(2)：104-105.

[11] 單文軍,，周雪純,，李文華.基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013,，36(14)：123-126.

[12] 夏瀑.基于分布式算法的 FIR 濾波器設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連海事大學(xué),，2008.