基于FPGA的數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計

王冰

【摘? 要】 信號處理系統(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)。文章介紹了信號處理系統(tǒng)的基本概念和發(fā)展歷程，詳細探討了信號處理系統(tǒng)在電子信息工程中的應(yīng)用，包括語音信號處理、圖像處理和生物信號處理等方面，并結(jié)合實際案例，介紹了信號處理系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法，包括系統(tǒng)框架設(shè)計、算法選擇和優(yōu)化、硬件實現(xiàn)等方面，最后對信號處理系統(tǒng)進行了展望，提出了一些可行的改進和優(yōu)化方案，以期為電子信息工程領(lǐng)域信號處理系統(tǒng)的研究和應(yīng)用提供一定的參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】 信號處理系統(tǒng)；電子信息工程；FPGA

一、信號處理系統(tǒng)概述

（一）信號處理系統(tǒng)的基本概念

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

（二）信號處理系統(tǒng)的發(fā)展歷程

信號處理系統(tǒng)的發(fā)展可以追溯到20世紀初，當時該系統(tǒng)主要應(yīng)用于電信領(lǐng)域電話信號的傳輸和處理。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)得到了快速發(fā)展，信號處理系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也不斷擴大，逐漸涉及了語音、圖像、視頻、生物和雷達等多個領(lǐng)域。目前，信號處理系統(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)場進行編程，從而實現(xiàn)不同的數(shù)字電路設(shè)計。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，可以實現(xiàn)對各種數(shù)字信號的處理。FPGA可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景和要求進行編程和配置，可以實現(xiàn)高度定制化的數(shù)字電路設(shè)計。FPGA是數(shù)字信號處理領(lǐng)域一種重要的可編程硬件平臺，具有高度定制化、高性能、低延遲和低功耗等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于無線通信、圖像處理、雷達和音視頻處理等領(lǐng)域。

二、數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計

（一）系統(tǒng)框架設(shè)計

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

（二）系統(tǒng)模塊設(shè)計

1. 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并進行采樣和存儲。采樣率是數(shù)字信號處理的重要參數(shù)之一，采樣率過低會導(dǎo)致信號失真和信息丟失，采樣率過高則會浪費計算資源和存儲資源。設(shè)計人員需要根據(jù)信號的特性和處理要求合理地選擇采樣率。

2. 信號濾波模塊

信號濾波模塊用于對采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理。濾波是數(shù)字信號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，提高信號的質(zhì)量和可識別性。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)計人員需要根據(jù)信號的頻率和特性適當選擇濾波方法。

3. 信號處理模塊

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

4. 數(shù)據(jù)輸出模塊

數(shù)據(jù)輸出模塊負責(zé)將處理結(jié)果輸出到存儲器或計算機中。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制格式、文本格式、圖像格式和視頻格式等。

（三）實驗結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)采集的實驗結(jié)果

在數(shù)據(jù)采集的實驗中，文章采用了基于AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集模塊，并進行了不同采樣率下的實驗。實驗采用了正弦信號和方波信號作為測試信號，通過示波器驗證實驗結(jié)果。實驗結(jié)果如表1所示。

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

2. 信號濾波實驗結(jié)果

在信號濾波實驗中，本研究采用了基于FPGA的數(shù)字信號處理系統(tǒng)進行了不同濾波方法的實驗。實驗采用了含有高頻噪聲的正弦信號作為測試信號，通過示波器驗證實驗結(jié)果。實驗結(jié)果如表2所示。

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

3. 信號處理實驗結(jié)果

在信號處理實驗中，本研究采用基于MATLAB的信號處理工具箱，進行了不同信號處理方法的實驗。實驗采用了含有噪聲的心電信號作為測試信號，通過頻譜分析驗證實驗結(jié)果。

實驗結(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中的噪聲；卡爾曼濾波方法在信號平滑處理方面效果較好，可以有效地平滑信號中的波動。

三、仿真實驗

以FPGA的語音識別系統(tǒng)為例，假設(shè)要設(shè)計一個基于FPGA的數(shù)字信號處理系統(tǒng)仿真實驗，該系統(tǒng)可以識別英文數(shù)字0～9。以下是具體的實驗步驟、框圖和仿真實驗信號處理系統(tǒng)的MATLAB代碼：

（一）實驗步驟

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

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

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

4. 特征提取模塊設(shè)計：利用小波變換算法對濾波后的語音信號進行特征提取，提取語音信號的MFCC（Mel頻率倒譜系數(shù)）特征，用于語音識別。

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

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

實驗流程如圖2所示。

（二）各流程仿真實驗信號處理系統(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語音識別系統(tǒng)，包含4個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、信號濾波模塊、特征提取模塊和語音識別模塊。本研究通過錄制語音信號，對各模塊進行低通濾波、小波變換和特征提取，最后使用Viterbi算法進行識別，并輸出識別結(jié)果。以上實驗證明，結(jié)合FPGA的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，可以提供實時的語音識別功能。