【FPGA-DSP】第九期：音频信号处理_fpga音频信号处理

从本文开始将记录一些简单的音频信号处理算法在System Generator中的实现方法。本文将介绍如何搭建音频信号的采集与输出模型。

音频信号属于一维信号，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。

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5s，即只采集和输出5s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。

1. 音频文件的采集

1.1 通过matlab导入音频数据

我们需要将下载的双声道文件通过matlab转化成单声道文件

%% 音乐信号处理
Music = audioinfo("music.mp3"); 
[Music_audio,Fs] = audioread("music.mp3");
Music_one_channel = Music_audio(:,1); %获取单声道
Music_length = length(Music_one_channel);
 
T = 10; %音乐持续时间
T_start = 34; %音乐开始时间
N = Fs*T;
N_start = Fs*T_start; %开始时的样本点数
t = 1:1:N; %持续的样本点数
 
Music_in(:,1) = 1:N; %输入信号的第一列表示样本点数
Music_in(:,2) = Music_one_channel(N_start:N_start+N-1); %输入信号的第二列表示单通道的音乐信息
 
sound(Music_in(:,2),Fs); %播放验证一下

plot一下看看信号幅度谱

%% 图像输出
plot(t,Music_in(:,2)),xlabel('音频信号的采样点数'),ylabel('音频信号的幅度谱');

1.2 通过system generator导入音频数据

在simulink中添加From Multimedia File模块来读取我们的音频数据

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，stero为双声道）

“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。

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： 

 

2. system generator设计

为了读取工作区中的变量，我使用simulink中的from/to workspace来读取和导出数据。 

2.1 音频信号的降采样和升采样

信号降采样等效于将音频信号加速处理 

将输出导入到工作区后，通过matlab进行读取

%% Simulink
output_simulink = out.output.data;
sound(output_simulink,Fs); %播放验证一下

可以发现，声音被加速了一倍，同样的，如果或我们使用升采样，那么等效于慢速播放

再在matlab中运行，可以发现相较于原始音频而言，经过两次采样操作之后音质下降 

2.2 音频信号的频谱分析

参考(244条消息) 【FPGA-DSP】第五期：FFT调用流程_fft流程_༜黎明之光༜的博客-CSDN博客 

我们使用的是简化的FFT block

FFT参数设置 

 

注意：一定要将Natural Order给勾选上。除非你知道FFT输出的顺序如何确定，否者按照自然顺序输出。 

示波器输出结果如下： 

 

将Simulink导入到工作区的变量在matlab中进行 

可以发现经过FFT过后的数据在8377个样本点之后才会有输出,matlab的信号处理如下：