System Generator从入门到放弃(十)-ADC应用之音频信号采集与输出

System Generator从入门到放弃(十)-ADC应用之音频信号采集与输出

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  System Generator是Xilinx公司进行数字信号处理开发的一种设计工具，它通过将Xilinx开发的一些模块嵌入到Simulink的库中，可以在Simulink中进行定点仿真，可以设置定点信号的类型，这样就可以比较定点仿真与浮点仿真的区别。并且可以生成HDL文件，或者网表，可以在ISE中进行调用。或者直接生成比特流下载文件。能够加快DSP系统的开发进度。

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一、ADC应用之音频信号采集与输出

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1、简介

  音频格式即音乐格式。音频格式是指要在计算机内播放或是处理音频文件，是对声音文件进行数、模转换的过程。音频格式最大带宽是20KHZ，速率介于40~50KHZ之间，采用线性脉冲编码调制PCM，每一量化步长都具有相等的长度。
  主要包括WAVE、AIFF、MPEG、MP3、MPEG-4、MIDI、WMA、RealAudio、VQF、OggVorbis等格式。音频信号属于一维信号，下面介绍一些基本概念如下：

• 采样频率：根据奈奎斯特采样定理，采样频率Fs应该不低于声音信号中最高频率2倍。常见的音频格式文件（如mp3、wav等）有几个固定的采样频率：11025Hz、22050Hz、44100Hz、48000Hz。
• 量化精度：即每个声音样本用多少位（bit）表示。通常以字节为单位。
• 声道：现在的音频文件几乎都是立体声（左声道、右声道），也可以用“格式工厂”等工具转换为单声道。

  关于声道，这里简单说下单声道、双声道和立体声之间的区别：
  单声道只能播放一个声道的歌(一般为左声道),而立体声是双声道的,能听到左右声道合成的声音,人的耳朵会分辨不出从哪个方向传来的,所以叫立体声 我们听声音时，可以分辨出声音是由哪个方向传来的，从而大致确定声源的位置。我们所以能分辨声音的方向，是由于我们有两只耳朵的缘故。例如，在我们的右前方有一个声源，那么，由于右耳离声源较近，声音就首先传到右耳，然后才传到左耳，并且右耳听到的声音比左耳听到的声音稍强些。如果声源发出的声音频率很高，传向左耳的声音有一部分会被人头反射回去，因而左耳就不容易听到这个声音。两只耳朵对声音的感觉的这种微小差别，传到大脑神经中，就使我们能够判断声音是来自右前方。这就是通常所说的“双耳效应”。

  一般的录音是单声道的。例如一个音乐会的录音，从舞台各方面同时传来的不同乐器声音，被一个传声器接收（或被几个传声器接收然后混合在一起），综合成一种音频电流而记录下来。放音时也是由一个扬声器发出声音。我们只能听到各个方向不同乐器的综合声，而不能分辨哪个乐器声音是从哪个方向来的，感觉不到像在音乐厅里面听音乐时的那种立体感（空间感）。

  如果录音时能够把不同声源的空间位置反映出来，使人们在听录音时，就好像身临其境直接听到各方面的声源发音一样。这种放声系统重放的具有立体感的声音，叫做立体声。

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2、单声道音频信号采集与输出

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2.1 本部分设计使用到的文件及block

Xilinx block

System Generator

Gateway In

Gateway Out

Delay

其它block
mux（Simulink->mux）：将多路数据组合为一路

From Multimedia File（Simulink->From Multimedia File）：读取音频文件
To Multimedia File（Simulink->To Multimedia File）：用于将信号以指定音频格式写入文件

文件
单声道音频文件（网上下载的多为双声道和立体声，所以需要利用格式工厂转化为单声道音频）

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2.2 搭建模型

  搭建如下模型：

  Simulink的Audio System Toolbox中包含了与音频相关的block。上图中的From Multimedia File的作用是读取音频文件，音频文件的相关信息会显示在图标上（mono即表示单声道）：

File name中选择音频文件路径；
Number of times to play file设置从文件中读取的音频信号时间
Samples per audio channel设置每个通道读取出的采样点数

  音频信号需要通过Gateway In输入到FPGA，但Gateway In不能接收向量型数据，因此这个值通常设置为1更方便。

To Multimedia File用于将信号以指定音频格式写入文件：

File name设置输出音频文件的路径
File type设置输出音频文件格式
Audio compressor选择采用的音频压缩算法
Audio data type设置输出音频的数据格式，这里设置为与输入相同

  此外，Audio System Toolbox中还有Audio Device Reader可以读取麦克风的音频数据；Audio Device Writer可以直接用扬声器播放声音而不用保存文件。但模型中使用这两个block时，仿真用时会比采用文件格式的输入输出长很多，因此在后面的设计中都采用文件格式做音频采集与输出。

2.3 仿真验证

  现在单声道的音频文件很难找，因此使用“格式工厂”将立体声音频文件转换为单声道音频文件，用于设计仿真。System Generator和Gateway In的采样频率设置为48000Hz，仿真时长设置为15s，即只采集和输出15s的音频信号。

  本设计采集到音频信号后不做任何处理直接输出，播放输出的音频文件。仿真过程中的几个注意项给出：

• 数据格式选择：From Multimedia
  File这个block当输出数据格式设置为double时，输出数据范围为-1~1，因此Gateway
  In的数据格式只需要保留一个符号位，其余都是小数位即可，如Fix_16_15。
• 采样频率的改变：可以改变System Generator和Gateway
  In的采样频率（如改到11025Hz、22050Hz、44100Hz甚至更低）来体会不同采样率对音频信号的影响。
• 量化精度的改变：可以改变Gateway
  In的数据格式（如Fix_8_7、Fix_4_3、Fix_2_1）来体会不同量化精度对音频信号的影响。可以感受到，随着量化位宽的减少，音频信号中噪声增多，质量变差。

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3、单声道采集、立体声输出

3.1 本部分设计使用到的文件及block

Xilinx block

System Generator

Gateway In

Gateway Out

Delay

其它block
mux（Simulink->mux）：将多路数据组合为一路

From Multimedia File（Simulink->From Multimedia File）：读取音频文件
To Multimedia File（Simulink->To Multimedia File）：用于将信号以指定音频格式写入文件

文件
单声道音频文件（网上下载的多为双声道和立体声，所以需要利用格式工厂转化为单声道音频）

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3.2 搭建模型

  搭建如下模型：

  To Multimedia File这个block支持向量形式输入，会导出立体声音频文件。使用Simulink中mux可以将多路数据组合为一路。
  采集的单声道音频分为两路，为了区别左右声道一路经过一定单位的延时，再由Mux组合成向量形式输出为立体声音频文件。延时的方法只是粗略的实现了效果，实际中会采用一些专门的DSP算法达到更好的音效。

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4、立体声采集与输出

4.1 本部分设计使用到的文件及block

Xilinx block

System Generator

Gateway In

Gateway Out

其它block
demux（Simulink->demux）：将一路分为多路数据组合

mux（Simulink->mux）：将多路数据组合为一路

From Multimedia File（Simulink->From Multimedia File）：读取音频文件
To Multimedia File（Simulink->To Multimedia File）：用于将信号以指定音频格式写入文件

文件
立体声音频文件

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4.2 搭建模型

  如果From Multimedia File读取的是立体声音频文件，会以向量的形式输出数据。如果把立体声音频信号直接接到Gateway In会提示如下错误：

  System Generator block只支持标量数据类型。Gateway In的图标中输入数据也变成了“？”。需要采集立体声音频时，必须用demux这个block将各声道的音频分开，分别进行信号处理。模型如下图：
  搭建如下模型：

  本文介绍了单声道和立体声音频信号在System Generator系统中的采集和输出方法，可以在此设计的基础上，在中间加入DSP算法做语音信号处理。
  采集的单声道音频分为两路，为了区别左右声道一路经过一定单位的延时，再由Mux组合成向量形式输出为立体声音频文件。延时的方法只是粗略的实现了效果，实际中会采用一些专门的DSP算法达到更好的音效。

5、语音信号数字滤波

  以前面文章讲述过的FIR数字滤波为例，做一个简单的DSP处理。语音信号的频率范围为300~3400Hz，老式电话通常选用8000Hz作为采样频率。设计一个FIR滤波器，将声音信号转换为“电话音”，按下图连接model：

  Digital FIR Filter的滤波系数配置如下：

  对输入的信号用8000Hz重新采样，通带范围为300~3400Hz。Convert截取滤波输出信号的位宽。运行仿真，播放输出音频，会发现其声音如同电话中的声音一样。

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