基于FPGA的数字音频处理器的设计.pdf

简介：
本文档详细探讨了在FPGA平台上设计和实现数字音频处理器的方法和技术。通过优化算法与硬件架构，实现了高效能且灵活的音频处理解决方案。 本段落介绍了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字音频处理器设计，该设计旨在实现对输入音频信号进行多种处理功能，包括延迟（回声效果）、人声消除等，并最终输出经过处理后的模拟音频信号。通过利用FPGA的可编程特性以及集成的模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），此设计方案在确保高质量的同时实现了低成本。 核心技术在于其可重配置逻辑门阵列，这使得它能够在硬件层面实现多种功能。在此设计中，FPGA内部集成了高速ADC模块，采用12位SAR型模数转换器（ADC），采样率可达1MHz，并支持最多8个输入通道复用。此外，数字信号处理模块通过CIC滤波器和抽取逻辑降低采样频率，简化了后续设计并减少了功耗。 在音频处理方面，FPGA内置的PicoRV32处理器能够控制音频处理逻辑并通过USART接口调整各种参数（如干湿比、效果强度及延迟时间）并与MIDI设备通信。这使得系统可以与其它专业音频设备集成联控。 ADC模块设计是关键环节之一，实现了12位1MSPS的ADC，并通过左右通道不断切换达到500kSPS平均采样率。使用CIC滤波器和抽取逻辑将采样频率降至62.5kSPS 14bit低速数字信号，有效降低抗混叠滤波器设计难度并提高信噪比（SNR）。 DAC模块作为数字音频处理后的关键环节，在此部分中通过二阶Sigma-Delta调制器把处理过的数字音频转换为PDM信号，并使用滤波去除载波后得到模拟音频。这种输出方式能驱动全数字D类功放，提高能源效率并降低成本。 系统设计还实现了延迟和回声功能：将AD转换后的数字音频分成两路进行处理来实现回声效果；通过调节延时模块可以控制回声音量及长度。人声消除则是利用左右声道中的人声相同而伴奏不同这一特性，相减后消除了人声，并可调整强度避免过度。 该处理器设计注重灵活性和扩展性，采用模块化思路以满足基本音频处理需求并具备与各种外部设备连接控制的能力。这大大提升了其在专业市场中的竞争力及应用范围。使用开源处理器核心以及优化的数字信号处理算法则进一步降低了成本且提高了性能，为音频领域提供了一种新的技术选择。