文 献 综 述
- 研究背景及研究意义
音频是信息交互的一种重要媒体，人类能够听见的音频频率范围大约是20Hz-20kHz[1]。音频信号虽然以模拟信号的形式输出，但是相对而言，数字信号具有更好的处理和观察方式。所以数字音频处理技术已经逐渐取代了模拟音频处理技术，得到了迅速的发展与普及。
音频信号的数字化过程是对音频信号进行采样，转化为二进制序列存储。对数字信号进行处理之后，再将数字信号通过DAC转化为模拟信号输出。音频信号处理的内容非常多，主要有信号存储、语音合成、音频压缩、语音理解、音频编码、语音识别与语音增强等多个分支[2]。音频分析利用时域分析、频域分析、失真分析等方法，通过测量各类音频参数来评价音频系统的性能[1]。
随着信息技术和集成电路的高速发展，基于快速傅里叶变换（FFT）的现代音频分析成为技术发展的主流。通过傅里叶变换将被测信号分解为频率分量，这类音频分析仪采用模拟/数字转化器（ADC）对输入音频信号采样，将音频信号转化为数字信号再经过FFT变换获取各自的频谱分量[1]。
传统的数字滤波器采用乘法和累加结构，需要进行多次的乘法和加法运算。由于乘法器的结构庞大，功率消耗大，使得音频处理系统在体积和处理速度上存在着不足，我们采用可编程逻辑器件FPGA来实现音频处理系统，来实现对声音的采集、处理及应用。利用FPGA来实现数字滤波器，有效的将音频信号在噪声环境中提取出来，消除或衰减噪声。
二、国内外现状
FPGA是现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA作为专用集成电路ASIC领域中的一种半定制电路，即解决了定制电路的不足，又克服了原可编程器件门电路数有限的缺点[3]。随着FPGA的集成度不断增加，其内部的片内外设也越来越多，可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外设[1]。在FPGA的底层是由一些门电路所构成的最小逻辑单元，然后通过布线层将这些逻辑单元连接成所需要的功能。我们需要控制的就是布线层之间的开关。最常用的FPGA语言是硬件语言Verilog HDL。Verilog可以实现程序的并行处理，相比于C语言的串行处理，Verilog可以使硬件系统更快速的完成我们所需的功能。
与FPGA对应的还有DSP处理器，DSP处理器虽然处理速度快而且应用广泛，但是如果想要性能可以更进一步，FPGA可以提供更高的性能要求[2]。FPAG可以生成一个定制硬件设计，从而控制逻辑能够在硬件中实现,不必再利用精确的时钟周期来实现控制功能。
在实际的应用中，傅里叶变换是最常见的数字信号处理的算法之一。DFT在实际的应用中起到相当重要的作用，但是当序列长度N很大时，DFT的计算量会非常大，所耗的时间也会变长，因此出现了快速计算DFT的算法，我们成为快速傅里叶变换法（FFT）。FFT与DFT并不是两种不同的变换，FFT是DFT的快速计算方法，主流的方法有按时间抽取的FFT算法（DIT）和按频率抽取的FFT算法（DIF）[4]。可以实现FFT的硬件有很多，在所有的器件中，可编程逻辑器件FPGA有着更高速、更高集成度、更灵活、更强功能的特点[5]。
音频信号的数字化处理随着社会的发展变得越来越重要，在理论上数字信号是没有噪声的，因为数字信号是有“1”和“0”来表示的，是对一系列的“1”和“0”进行处理，没有给噪声留下可生存的空间。数字化信号处理可以较好的完成音频信号合成、编辑、效果处理、存储和传输等工作，但是我们不能因为数字化信号的多项优点而忽略了模拟信号的处理。我们需要将数字信号和模拟信号相结合，扬长避短，这样才可以更好的对音频信号进行处理。
