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声纹认证前端音频预处理SOPC设计

2014年电子技术应用第9期

陶佰睿1，2，3，郭琴1，李春辉1，苗凤娟1，张景林3，刘艳菊3，李青龙1

1.齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006； 2.中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，上海200083； 3.齐齐哈尔大学计算中心，黑龙江齐齐哈尔161006

摘要： 针对声纹身份认证一体化设计需求，基于SystemVue和Quartus II平台，利用DSP Builder技术，在EP2C35F芯片上完成了用于声纹特征提取的前端音频预处理模块的SOPC设计。主要通过SystemVue设计数字音频滤波器参数，然后结合Simulink平台完成基于线性相位结构和分布式(DA)算法的低通滤波器结构设计，最后通过Signal Compiler转换为HDL语言完成设计。实验结果表明，系统可以有效限制音频信号的带宽，减少带外噪声；利用DSP Builder设计具有线性相位结构和DA算法的滤波器，设计周期短，占用逻辑资源少，其运算速度有很大提高；MATLAB理论计算也验证了设计的正确性。

關(guān)鍵詞： 声纹认证前端音频预处理可编程片上系统线性相位结构分布式算法

中圖分類號(hào)： TN91
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)09-0024-03

Design of an audio processing filter based on SOPC for voiceprint extracting front

Tao Bairui1，2，3，Guo Qin1，Li Chunhui1，Miao Fengjuan1，Zhang Jinglin3，Liu Yanju3，Li Qinglong1

1.College of Communications and Electronics Engineering, Qiqihar University，Qiqihar 161006，China；2.National Laboratory for Infrared Physics, Shanghai Institutes of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083，China；3.Computing Center, Qiqihar University，Qiqihar 161006，China

Abstract： For voiceprint authentication integrated design requirements, front audio preprocessing module for feature extraction of voiceprint SOPC designs was implemented in EP2C35F using SystemVue，Quartus II platform and DSP Builder technology. Digital audio filter parameters were designed primarily through SystemVue. And then with Simulink platform，the low-pass filter was designed based on linear phase structure and distributed(DA) algorithm. Finally，the design for the HDL language was given through Signal Compiler conversion. The results showed that the system can effectively limit the bandwidth of the audio signal to reduce noise band，and using DSP Builder to design the filter with linear phase structure and DA algorithm maked sure design cycle was short, occupied logic resources were few, and the operation speed was greatly improved. The correctness of this design was verified by MATLAB theoretical calculations also.

Key words : voiceprint extracting front；audio processing；system on chip；linear phase structure；distributed algorithms

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，聲紋因其采集方便，成本低，易于在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，而作為一種應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)和電話網(wǎng)中的認(rèn)證技術(shù)變得越來越重要^[1]。由于聲音采集的環(huán)境復(fù)雜，背景噪聲經(jīng)常是非平穩(wěn)的，諸如在辦公室、街道和工廠等，正確區(qū)分語音和噪聲是系統(tǒng)正常工作的保證。因此音頻信號(hào)的預(yù)處理成了整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分^[2]。

為完成音頻信號(hào)的預(yù)處理，有些人在MATLAB中編寫代碼完成濾波器設(shè)計(jì)，但是它不能在硬件上實(shí)現(xiàn)SOPC設(shè)計(jì)；有些人采用Verilog 語言直接在FPGA中實(shí)現(xiàn)，但是它需要對(duì)Verilog語言十分熟悉^[3]。本文提出一種利用DSP builder技術(shù)設(shè)計(jì)濾波器，既不需要對(duì)Verilog語言十分熟悉，還可以借助Simulink平臺(tái)完成基于線性相位結(jié)構(gòu)和DA算法的音頻濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后通過Signal Compiler轉(zhuǎn)換為HDL語言，實(shí)現(xiàn)由算法級(jí)到RTL級(jí)的轉(zhuǎn)換^[4-8]。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)流程

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)、濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、MATLAB理論計(jì)算、ModelSim時(shí)序仿真和板級(jí)驗(yàn)證等流程，如圖1所示。

1.2 濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)

本文中的濾波器采用線性相位結(jié)構(gòu)和DA算法^[9-12]，它的系數(shù)是對(duì)稱的，即h(n)=±h(N-n-1)。系數(shù)使用SystemVue軟件獲取，并在MATLAB中進(jìn)行量化。

1.2.1 SystemVue設(shè)計(jì)濾波器參數(shù)

打開SystemVue軟件，在空白處右鍵選擇linear sys filters，選擇菜單欄中的filters，選擇漢明窗，截止頻率使用歸一化頻率設(shè)置為0.45，如圖2所示，最后得到如圖3所示濾波器的時(shí)域圖。

1.2.2 濾波器系數(shù)

SystemVue設(shè)計(jì)出的12階系數(shù)，如表1所示。

1.3 濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

打開MATLAB2009b，在Command窗口輸入Simulink，新建一個(gè)model文件，打開Altera DSP Builder庫，選擇組件，包括延時(shí)模塊、Parallel Adder Subtractor、Bus Splitter、Data type conversion、Look-up table、Product等，完成一個(gè)12階的線性相位結(jié)構(gòu)和DA算法的濾波器模塊設(shè)計(jì)，如圖4所示。

它是由3個(gè)4階濾波器子系統(tǒng)組成的，一個(gè)4階濾波器子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 4階線性相位濾波器

2 Verilog HDL語言生成

在Simulink中添加Signal Compiler組件，點(diǎn)擊圖標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，就可以完成HDL代碼的生成，設(shè)置如圖6所示。

3 仿真與驗(yàn)證

3.1 下載

首先在Quartus II中點(diǎn)擊編譯按鈕，之后出現(xiàn)詳細(xì)的存儲(chǔ)資源分配情況，可看到存儲(chǔ)資源類型、存儲(chǔ)器位寬和深度以及存儲(chǔ)量大小，還有初始化文件映射等，如圖7所示。

3.2 仿真

在Simulink中添加Source為一個(gè)幅值為10的方波信號(hào)，Sink為信號(hào)顯示器，仿真結(jié)果如圖8所示。

在Quartus II中進(jìn)行ModelSim仿真，結(jié)果轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，如圖9所示。

為驗(yàn)證音頻濾波器設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，在MATLAB軟件中編寫濾波器的卷積公式，計(jì)算得出的理論結(jié)果和Simulink仿真的結(jié)果進(jìn)行比較，由表2可看出兩者的數(shù)值很接近，可看出本文設(shè)計(jì)是準(zhǔn)確的。

本文在DE2開發(fā)板上完成了音頻信號(hào)的采集和預(yù)處理，在Simulink中完成線性相位結(jié)構(gòu)和DA算法的濾波器的模塊設(shè)計(jì)，由Signal Compiler轉(zhuǎn)換為HDL代碼燒寫到板子中，節(jié)省了大量的編程時(shí)間，減少了設(shè)計(jì)音頻濾波器的復(fù)雜度。把Simulink仿真值和MATLAB理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果很接近，可驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。本文使用的SOPC設(shè)計(jì)，大大縮短設(shè)計(jì)周期，這將為后續(xù)的用于互聯(lián)網(wǎng)和電話網(wǎng)的聲紋特征提取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供便利。

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