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model文件，打開Altera DSP Builder庫，選擇組件，包括延時模塊、Parallel Adder Subtractor、Bus Splitter、Data type conversion、Look-up table、Product等，完成一個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4階濾波器子系統(tǒng)組成的，一個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)的存儲資源分配情況，可看到存儲資源類型、存儲器位寬和深度以及存儲量大小，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。

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