基于FPGA的語音信號實(shí)時(shí)處理

摘 要： 介紹一種在語音識(shí)別系統(tǒng)中運(yùn)用FPGA技術(shù)對語音信號進(jìn)行前期實(shí)時(shí)處理的方法。利用DSP Builder設(shè)計(jì)信號處理算法的圖形化電路模塊，運(yùn)用硬件環(huán)（HIL Hardware in the Loop）技術(shù)對模塊進(jìn)行軟硬件協(xié)同仿真。滿足設(shè)計(jì)要求后，再用Signal Compiler 將模塊轉(zhuǎn)換成VHDL語言和Quartus II工程文件下載至目標(biāo)芯片。結(jié)果表明此方法可以快速靈活地設(shè)計(jì)出語音處理模塊，語音數(shù)據(jù)能在要求的時(shí)間范圍內(nèi)處理完畢，達(dá)到了實(shí)時(shí)處理的目的。
關(guān)鍵詞： 語音識(shí)別； FPGA； 實(shí)時(shí)； 信號處理

隨著語音識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，對其實(shí)時(shí)性的要求也越來越高。專用的DSP語音芯片雖然有硬件加速功能，但其指令依然是串行計(jì)算，在實(shí)時(shí)性方面有所欠缺。如今，具有并行運(yùn)算能力的FPGA主頻不斷提高，加上其設(shè)計(jì)靈活、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)[1]，可以滿足語音信號實(shí)時(shí)處理的要求。目前很多語音處理算法都是基于軟件平臺(tái)的，真正的語音處理硬件實(shí)現(xiàn)很少。本文針對非特定人的語音信號,研究當(dāng)前主流的語音處理算法，并將這些基于軟件平臺(tái)的算法“硬件化”。在保證一定精度的前提下將浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成便于FPGA實(shí)現(xiàn)的定點(diǎn)運(yùn)算[2]。

本文以通過對語音信號濾波、分幀、加窗、能量計(jì)算等模塊的設(shè)計(jì)為例,介紹語音信號實(shí)時(shí)處理的方法，需要運(yùn)用到MATLAB.、DSP Builder、QUARTUS II、ModelSim等EDA工具聯(lián)合設(shè)計(jì)[3]。語音信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入FPGA以后，對其濾波,因?yàn)橐獙π盘栠M(jìn)行實(shí)時(shí)處理，需要采用動(dòng)態(tài)分幀，最后計(jì)算出每幀的能量為語音信號的下一步處理如端點(diǎn)檢測、特征提取[4]等做好前期準(zhǔn)備。

1 實(shí)時(shí)處理算法分析
語音數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入芯片，首先對其進(jìn)行濾波。為了使信號的頻譜趨向平坦，需要對其進(jìn)行預(yù)加重濾波，這里采用一階FIR濾波器[5]：

語音信號雖然是一種非平穩(wěn)信號,但在短時(shí)內(nèi)(10 ms~30 ms)可以看作是平穩(wěn)的[2]，這樣就可以對其進(jìn)行分幀處理。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中無法確定語音的長度和大小，只能對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)分幀。考慮到幀的連續(xù)性,采用交疊分幀，幀移取0.5，硬件中可以用兩個(gè)FIFO實(shí)現(xiàn)，其中FIFO1的讀時(shí)鐘頻率是寫時(shí)鐘的兩倍，且FIFO2的讀寫時(shí)鐘頻率與FIFO1讀時(shí)鐘頻率相同。
分幀后的數(shù)據(jù)需要窗函數(shù)對其加權(quán)，加窗后的語音信號為sω(n)=s(n)×ω(n)。由于漢明窗在語音頻段的平滑特性，因此本文采取漢明窗[4]：

2 硬件模塊的實(shí)現(xiàn)
仿真時(shí)通過讀取hex文件來模擬實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)流。通過MATLAB將采樣頻率16 kHz，寬度8 bit的wav格式音頻文件轉(zhuǎn)化成hex文件的數(shù)據(jù)。部分代碼如下[6]：
　 ……
　　 [y,fs,n]=wavread(‘speech.wav’);
　　 y1=int8(y×(2^n-1)+128);
　　 [a,b]=size(y1);
　　 fid=fopen(‘speech.txt’,’wt’);
　　 for i=1:a;
　　 line=[num2str(i-1),’:’,num2str(y1(i)),’;’];
　　 fprintf(fid,’%sn’,line);
　　 end
　　 fclose(fid);
……
在模塊中通過地址計(jì)數(shù)器將ROM中的數(shù)據(jù)不斷讀出，然后對數(shù)據(jù)流進(jìn)行濾波。其DSP Builder模塊實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

考慮到語音信號的短時(shí)平穩(wěn)性，將256點(diǎn)數(shù)據(jù)分為一幀寫入Dual-Clock FIFO，寫入128點(diǎn)后以兩倍的寫入速度讀出，同時(shí)以兩倍速度寫入深度為128的FIFO2。如此循環(huán)便可以實(shí)現(xiàn)幀的交疊。具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示，左半部分為時(shí)鐘控制模塊。

為了使每幀的數(shù)據(jù)點(diǎn)與窗函數(shù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)一一對應(yīng)，在加窗之前搭建了一個(gè)時(shí)序控制模塊。Constant1控制模塊延時(shí)384個(gè)時(shí)鐘周期，counter是模為256的計(jì)數(shù)器。將LUT設(shè)為17 964-15 073×cos([0:2×pi/255:2×pi])[6]。分幀后的信號取模然后與窗函數(shù)相乘再累加便得到其能量，由Multiply Accumulate模塊實(shí)現(xiàn)[2]。Clock提供基礎(chǔ)時(shí)鐘，PLL產(chǎn)生模塊所需要的兩個(gè)時(shí)鐘，Signal Compiler對模塊進(jìn)行編譯，轉(zhuǎn)化成VHDL語言。具體模塊如圖3所示。

3仿真測試
將上述三個(gè)子模塊和Simulink中的模擬示波器Scope連接在一起，讀取ROM中語音”1、2、3”的數(shù)據(jù)流。結(jié)果顯示在示波器上，如圖4所示。從上到下依次為原始信號、濾波信號、分幀信號、能量信號。

從圖中可以看到設(shè)計(jì)模塊已經(jīng)可以實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。接下來便可以將其轉(zhuǎn)換成VHDL語言在QUARTUS II中進(jìn)行仿真，生成pof文件下載到FPGA里面。打開Signal Compiler，F(xiàn)amily選擇Cyclone II，Device選擇ALTERA公司的EP2C5T144C6芯片。點(diǎn)擊compile，便可以生成工程文件、VHDL代碼及配置文件[1]。

以上屬于軟件仿真，具有速度慢、內(nèi)容不易控制等缺點(diǎn)。ALTERA的DSP Builder提供的HIL模塊可以在Simulink模型與FPGA開發(fā)板之間通過JTAG通信口建立聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)基于MATLAB/DSP Builder平臺(tái)的硬件仿真。打開HIL模塊，設(shè)置好工程文件speech.pof路徑，連接上FPGA開發(fā)板，點(diǎn)擊Configure FPGA便可以進(jìn)行硬件仿真。打開示波器查看仿真結(jié)果與軟件仿真結(jié)果吻合。在QUARTUS II中對生成的工程文件進(jìn)行編譯。整個(gè)系統(tǒng)使用了306個(gè)LE、214個(gè)寄存器、62個(gè)管腳,非常節(jié)省資源。

通過DSP Builder進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)無論是建模還是仿真都非常方便快捷，并可以在外部硬件測試平臺(tái)不夠完善的條件下引入HIL模塊進(jìn)行軟硬件聯(lián)合仿真。相對于傳統(tǒng)開發(fā)方式，具有更大的優(yōu)勢。在時(shí)序仿真時(shí)可以看出從語音輸入到能量的輸出占用640個(gè)周期,在100 MHz的工作頻率下僅耗時(shí)6.4 μs，是在MATLAB下運(yùn)行速度的50多倍，實(shí)時(shí)性得到了充分的體現(xiàn)。