基于FPGA的高階音頻均衡濾波器設(shè)計(jì)

摘要：文中設(shè)計(jì)的均衡濾波器充分利用FPGA內(nèi)部資源、時(shí)間換取空間的方法，在EP1C3系列的FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)1 024階FIR數(shù)字均衡濾波器，并通過(guò)重載系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)多種頻率響應(yīng)的均衡特性、簡(jiǎn)易數(shù)字均衡濾波器的功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。
關(guān)鍵詞：數(shù)字均衡濾波器；FPGA；1 024階；FIR

音頻均衡器作為高品質(zhì)音響不可或缺的關(guān)鍵附屬調(diào)節(jié)設(shè)備，在音效調(diào)整修飾方面起著至關(guān)重要的作用。一般音頻均衡器有數(shù)字和模擬兩種實(shí)現(xiàn)方法，模擬方法用有源和無(wú)源濾波器組實(shí)現(xiàn)，受器件溫度等特性的影響，難以達(dá)到較高的可靠性和一致性，且成本較高。數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法采用數(shù)字濾波器，具有較高的靈活性和可靠性。常用的數(shù)字濾波器有IIR和FIR兩種。IIR濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需的存儲(chǔ)空間小，但其相位是非線性；FIR濾波器是線性相位濾波器，這對(duì)高品質(zhì)音效處理是必要的。本文通過(guò)在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)了1 024階FIR濾波器實(shí)現(xiàn)數(shù)字均衡濾波，通過(guò)系數(shù)的重載實(shí)現(xiàn)多種頻率響應(yīng)的均衡特性。

1 總體概述
文中設(shè)計(jì)的FIR音頻均衡濾波器采用多相濾波結(jié)構(gòu)，用時(shí)間換取空間，節(jié)省FPGA內(nèi)部資源，以達(dá)到在固定資源下的最大階數(shù)。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

輸入序列以及濾波系數(shù)分別存儲(chǔ)在緩存陣列中，在時(shí)鐘同步下由控制模塊通過(guò)生成相應(yīng)的讀寫地址及使能信號(hào)，使其按照一定次序輸出到乘累加模塊進(jìn)行運(yùn)算，并輸出最終結(jié)果。系數(shù)可通過(guò)外部輸入重載，以實(shí)現(xiàn)不同的均衡特性。EP1C3系列FPGA共有13個(gè)M4K塊，每個(gè)為256 ×18位，取數(shù)據(jù)和系數(shù)的位寬為16位。為了充分利用有限資源，并考慮處理速度及音頻信號(hào)速率要求，取每個(gè)緩存子模塊的存儲(chǔ)深度為256，即將乘累加模塊復(fù)用256次，每256個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期運(yùn)算一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，輸出一個(gè)濾波結(jié)果。每個(gè)緩存子模塊占用一個(gè)M4K塊，連續(xù)4個(gè)子模塊串聯(lián)，就可實(shí)現(xiàn)256 x4=1 024階的要求，再考慮系數(shù)占用的空間，總共消耗8個(gè)M4K塊。這也是在有限資源下能實(shí)現(xiàn)的最高階數(shù)。

2 各模塊實(shí)現(xiàn)
2．1 輸入序列緩存模塊
輸入序列緩沖模塊采用雙口RAM模塊實(shí)現(xiàn)，將4個(gè)級(jí)聯(lián)使用，如圖2所示。4個(gè)子塊使用相同的讀寫地址及使能信號(hào)，采樣數(shù)據(jù)從第一個(gè)子塊輸入，第一個(gè)子塊的數(shù)據(jù)輸出端與下一級(jí)子塊的輸入端直接相連，依次類推。每個(gè)緩存子塊的數(shù)據(jù)y1～y4都輸出給乘累加模塊進(jìn)行運(yùn)算。
該模塊的關(guān)鍵是讀寫地址的控制，寫地址waddr必須滯后讀地址raddr一個(gè)時(shí)鐘周期，這樣子塊當(dāng)前輸出數(shù)據(jù)會(huì)在下個(gè)時(shí)鐘寫入下一個(gè)子塊的相應(yīng)單元。256個(gè)周期后，子塊的數(shù)據(jù)整體移到下一個(gè)子塊。

2．2 濾波器系數(shù)存儲(chǔ)模塊
濾波器系數(shù)存儲(chǔ)模塊和輸入序列緩存模塊相對(duì)應(yīng)，采用雙口RAM模塊實(shí)現(xiàn)，共有4個(gè)256深度的雙口RAM模塊，如圖3所示。

4個(gè)子塊使用相同的輸入數(shù)據(jù)線，通過(guò)系數(shù)寫地址的譯碼，生成各子塊的寫使能’wen1～wen4和寫地址h_addr，控制輸入的系數(shù)按照順序依次存入到RAM中。系數(shù)的讀地址h_addr由控制模塊生成，4個(gè)子塊共用一個(gè)讀地址，輸出與數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的系數(shù)h1～h4到乘累加模塊，進(jìn)行乘累加運(yùn)算。
2．3 控制模塊
控制模塊產(chǎn)生輸入序列緩存模塊的讀寫地址、使能信號(hào)以及濾波系數(shù)存儲(chǔ)模塊的讀地址、使能信號(hào)，并對(duì)乘累加運(yùn)算進(jìn)行控制。
輸入序列需要在緩存模塊中反復(fù)移位輸出進(jìn)行運(yùn)算，每256個(gè)時(shí)鐘周期輸入1個(gè)數(shù)，輸入序列的寫地址必須滯后讀地址一個(gè)時(shí)鐘周期，才能保證數(shù)據(jù)的連續(xù)、不丟失。這樣新寫入的數(shù)據(jù)不在固定的位置，就要求讀地址也不是單純的累加關(guān)系。以每個(gè)RAM塊深度等于4為例研究讀寫地址的關(guān)系，如圖4所示。

可見(jiàn)此時(shí)輸入序列的讀地址順序如圖5所示。

由此類推可得實(shí)際輸入序列緩存模塊的讀地址如圖6所示。

整個(gè)控制模塊的實(shí)現(xiàn)如圖7所示。主計(jì)數(shù)器整體計(jì)數(shù)，每256個(gè)時(shí)鐘周期，地址產(chǎn)生模塊就把計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值整體加1，作為輸人序列的讀地址raddr輸出，實(shí)現(xiàn)了圖6所示的地址順序。寫地址waddr由讀地址raddr經(jīng)延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘周期獲得。由于輸入序列是按時(shí)間順序輸出的，故濾波系數(shù)只要從存儲(chǔ)陣列中也相應(yīng)地順序輸出就可以了，將主計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值直接引出作為濾波系數(shù)陣列的讀地址h_addr。

主計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)過(guò)譯碼電路后，輸出數(shù)據(jù)的低速采樣時(shí)鐘sa_clk，用來(lái)同步輸入序列。還輸出輸入序列的寫使能wren，每256個(gè)時(shí)鐘周期使能一次，寫一次數(shù)據(jù)。
2．4 乘累加模塊
乘累加模塊負(fù)責(zé)將輸入的數(shù)據(jù)和系數(shù)進(jìn)行乘累加運(yùn)算，每256個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)濾波結(jié)果。其實(shí)現(xiàn)框圖如圖8所示。

輸入序列緩存模塊輸出的數(shù)據(jù)y1～y4和濾波器系數(shù)存儲(chǔ)陣列輸出的相應(yīng)系數(shù)h1～h4在該模塊進(jìn)行乘累加運(yùn)算。每256個(gè)時(shí)鐘周期，計(jì)算完1個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的4個(gè)部分y1’～y4’，由鎖存器鎖存，經(jīng)兩級(jí)流水線加法器后得到最終濾波結(jié)果y，然后將累加器清零，開(kāi)始準(zhǔn)備下個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算。其中，鎖存器的鎖存時(shí)鐘及乘累加器的清零信號(hào)都由輸入序列的寫使能wren經(jīng)過(guò)相應(yīng)的延時(shí)處理后得到。

3 仿真結(jié)果
對(duì)設(shè)計(jì)的均衡濾波器進(jìn)行綜合編譯，編譯報(bào)告如圖9所示。

可見(jiàn)該1 024階FIR均衡濾波器在EP1C3系列FPGA內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)，僅占用其約70％的邏輯資源和約50％的存儲(chǔ)空間。為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)功能，將濾波器系數(shù)利用存儲(chǔ)器初始化文件進(jìn)行初始化，存儲(chǔ)的系數(shù)如圖10所示。

為了直觀驗(yàn)證，輸入序列x取為δ序列，即x中只有1個(gè)數(shù)據(jù)為1，其它為0。根據(jù)濾波器及卷積的相關(guān)知識(shí)，輸出結(jié)果y=x*h=δ*h=h，即為濾波器系數(shù)。仿真結(jié)果如圖11所示。

輸入序列x只有1個(gè)采樣時(shí)鐘周期為數(shù)據(jù)1，其它全為0，fout為輸出的濾波結(jié)果?？梢?jiàn)結(jié)果為-1～-16的重復(fù)數(shù)據(jù)，與圖10所示的濾波器系數(shù)一致，濾波器工作正常。

4 結(jié)束語(yǔ)
利用EP1C3約70％的邏輯單元及約50％的存儲(chǔ)空間，設(shè)計(jì)了1024階FIR數(shù)字濾波器，并通過(guò)重載系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)多種頻率響應(yīng)的均衡特性，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易數(shù)字均衡濾波器的功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。