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数字音频实时处理系统设计与FPGA实现

随着生活水平的提高，人们对视听产品的要求也越来越高。欣赏者在聆听音乐的同时希望加入更多特效，丰富声音效果。观众希望听到台上演讲者清晰的声音而不是含糊的尾音甚至啸叫音。传统的音频回放设备难以满足人们的需求。采用新方法、新技术解决上述问题有着非常实际的意义。文章所设计的硬件系统实现了对尾音、啸叫音的抑制，同时提供了多种声音特效，满足人们的需求。

本文设计涉及了三个主要方面，首先设计了声道混合器，实现了人声与背景音乐分离、人声环绕、人声置左、人声置右，声道交换等众多特效。其中，人声与背景分离特效可将市面上出售的大部分音像制品中的人声与背景音乐进行分离，实现KTV的效果。人声环绕特效可大大弥补立体声扬声器空间感不足的弱点，听者会感受到人声在空间内环绕，有如身临其境的感觉。其次设计了一个可编程FIR滤波器，通过优化数字滤波器结构，将硬件资源占用降到最低水平，并且把滤波器的阶数提升到48阶。该滤波器可以进行系数配置，实现高通、低通等滤波效果，可被应用于不同声音效果中。另外，介绍了数字移频器抑制反馈的方法，并在Matlab仿真结果正确的基础上，实际设计了一个由DDS数字频率合成器、高阶FIR滤波器以及硬件乘法器所组成的数字移频器。该移频器可以将频率8KHz以内的语音信号进行10Hz的移频，经测试，该移频器的工作性能良好，有效抑制了反馈并且不影响听众的听觉感受。

本文详细介绍了Nios II嵌入式软核的开发方法，将硬件逻辑结构与单片机控制系统完全集成到一个芯片中，前者实现对信号的实时处理功能，后者对前者进行配置和调度。通过该方法实现了对音频编解码芯片控制、人机接口控制，内部寄存器配置等功能。实验演示获得了满意的收听效果，通过市场调查，声音反馈抑制器产品的价格较高，人声环绕、分离等效果器暂无产品销售，本设计的市场前景将非常广阔。

关键字：人声消除；数字移频；FIR滤波器；Nios；音频编解码