基于FPGA的数字音频频率均衡器的研究与设计毕业论文

 2020-04-12 16:34:51

摘要

改革开放以来，人们逐渐实现了物质生活上的追求，慢慢开始追求精神上的丰富，对音乐质量的要求随之提高。存储器件的容量扩大也方便了更高质量的音频文件的存储。均衡器作为调节音频音效及质量的有效器件，现在使用的越来越广泛。均衡器一般有两种实现方法，一是利用各种数字滤波器连接组成的数字均衡器，其灵活性和有效性较高；另一则是利用各种有源无源滤波器组成的模拟均衡器，它的特性受到外界环境的影响，如温度、压力等。导致其性质不是很稳定，而且其造价比数字滤波器高出许多。

本课题的研究目标是实现以FPGA为基础的数字音频频率均衡器，可实现十段可调的图示均衡功能。

本文的研究内容涉及多段滤波和增益调节等方面，重点在于各数字滤波器的窗口函数选择及设计，FPGA硬件语言编写。具体研究内容包括:数模模数转换、滤波器选择、窗函数选择及参数设计。研究方法是：首先进行理论分析和算法研究、使用MATLAB来设计确定滤波器系数并对系数进行了量化、使用Verilog HDL硬件语言编程及激励文件的编写、Modelsim进行功能仿真。

关键词：D/A转换；数字滤波器；均衡；FPGA

Abstract

Since the reform and opening up，people have gradually realized the pursuit of material life，slowly began to pursue spiritual enrichment，and the demand for music quality has increased. The increased capacity of storage devices also facilitates the storage of more sophisticated audio files. As an effective device for regulating audio effects and quality， equalizers are now used more and more widely. The audio frequency equalizer is the most important auxiliary adjustment device in high-quality audio，playing an important role in the modification and adjustment of sound effects. There are two ways to implement an equalizer. One is to use a digital equalizer composed of various digital filters to connect them. The flexibility and effectiveness of the equalizer are higher. The other is the use of various active and passive filters for analog equalization. The device，its characteristics affected by the external environment，such as temperature，pressure，etc.，resulting in its nature is not very stable，and its cost is much higher than the digital filter.

The research goal of this topic is to realize a digital audio frequency equalizer based on FPGA，which can realize 10 adjustable graphic equalization functions.

The research content of this paper involves multi-stage filtering and gain adjustment， etc. The emphasis is on the selection and design of the window function of each digital filter， FPGA hardware language，the specific research content includes: digital-analogue-to-analog conversion，filter selection，window function selection and Parameter design. The research methods are as follows: Firstly，theoretical analysis and algorithm research are conducted. MATLAB is used to design and determine the filter coefficients. The coefficients are quantified. Verilog HDL hardware language programming and excitation file writing are used. Modelsim performs functional simulation.

KeyWords: D/A conversion；digital filter；equalization；FPGA

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题的研究目标 3

1.4 课题的研究内容 3

第2章均衡原理及整体设计构想 4

2.1 均衡原理 4

2.2 整体设计构想 4

2.3 本章小结 5

第3章基于FPGA的图示均衡器的设计与仿真 6

3.1 FPGA概述 6

3.1.1基本概念及发展历程 6

3.1.2设计流程及注意事项 7

3.2 数模、模数转换模块设计 10

3.3 均衡控制模块设计 10

3.4 均衡模块设计 10

3.4.1 滤波器设计 12

3.4.2 均衡器设计 17

3.5 本章小结 20

第4章总结与展望 21

4.1 总结 21

4.2 展望 21

参考文献 23

致谢 24

第1章绪论

1.1 课题的研究背景及意义

自然界的电波频率范围从0.0001Hz的次声波到10¹⁴Hz的超声波。但是，人类感知的频率在20Hz到20kHz之间。不同频率的声音传入人类耳部会引起人们不同的反应，比如有的频段过高，让人感觉到刺耳，甚至耳鸣。有的频段处于中频范围让人感觉到舒适、平和及安宁。而有的频段则太过低沉让人头晕。本次设计所研究的音频均衡器的原

表1.1 各频段作用表

频段	作用
20Hz-60Hz	这一段频率给人一种很响的感觉就像打雷的声音。如果应用在乐曲方面，调节这一频段就会达到很强的效果，使乐曲强有力。但如果将这段频率提升的过高，也就是乘上一个极大的增益，反而会使声音浑浊不清。
60Hz-250Hz	这一段频率是主音和基本节奏的音调。包括喇叭，风琴等乐器的声音。与中高音一起构成平衡音。如果对这一频段进行适当的提升，声音就会变得更加丰满，圆润。但是如果提高太多，就会发出隆隆声。而如果对这一频段进行过多的下调，声音就会显得太薄。在对一些舞曲进行均衡时，应多多注意这一频段的调节。
250Hz-500Hz	这一段频率是许多音乐的中心频率。它主要包括一些乐曲的低音色彩和大多数乐器的低次谐波。
1kHz-2kHz	这一段频率具有很强的表现力。主要包括钢琴等一些管弦乐器的声音，以及女歌手嘹亮的嗓音。
2kHz-4kHz	这一段频率具有很强辨识力。如果适当调节这一频段可以使两人通话时能更容易听清对方的声音。而如果对这一频段过度的提升则反而听不清对方的话音，甚至引起听觉疲劳。许多乐曲的频率都在这一段和上两段频段内。
4kHz-5kHz	这一段频率具有临场感。对这一频段进行提升，可以让人感觉和声源的距离变近了。减弱这一频段，则会使人感觉离声源的距离变远了。这一段频率会影响声音和乐曲的清晰度。
6kHz-16kHz	这一段频率控制着乐曲的清晰度和洪亮度。提升这一频段会使乐曲声音变得洪亮但是不够清晰，可能会使齿音变重。减弱这一频段会使乐曲声音低沉且清晰，但不够洪亮。

理就是就是基于这一生理现象，将输入信号的频率通过许多不同频带的带通滤波器进行分段，一般划分为5、10、15个频段，然后将这些带通滤波器的输出信号乘上各自的增益（这些增益可以根据人为需要进行调节），改变各频段的能量分布，最后再通过加法器进行叠加输出，其输出信号通过D/A转换成音频，人耳就会感觉到音频信号音效和质量上的变化以达到均衡的效果。均衡器分段后的每个部分的作用如表1.1所示。