基于虚拟环绕声的音频处理器设计技术报告

第三届OPENHW开源硬件与嵌入式大赛基于虚拟环绕声的音频处理器设计方案中南民族大学2012年3月摘要虚拟听觉空间（VAS）是一门新兴的边缘交叉学科，涉及听觉心理学、听觉生理学、多传感器集成与融合、人工智能、并行计算和高性能计算机系统等多个研究领域。VAS有时也称为虚拟听觉显示VIRTUALAUDITORYDISPLAY、三维声再现系统3DSOUNDRENDERING/REPRODUCINGSYSTEM、虚拟声再现系统VIRTUALSOUNDRENDERING/REPRODUCINGSYSTEM、空间声音再现系统SPATIALSOUNDRENDERINGSYSTEM、虚拟空间/三维听觉系统VIRTUALSPATIAL/3DAUDITORYSYSTEMS、声音空间化系统SOUNDSPATIALIZATIONSYSTEM和双耳技术BINAURALTECHNOLOGY等，是通过对双耳的声音信号进行捡拾、模拟和重放，让倾听者在虚拟环境中听到的声信号逼近在真实环境声场中听到的声信号，因而在电影院、家庭影院中得到了很好的应用15。其中多通路环绕声经过许多年的发展，也获得了很好的效果，也先后出现了51、61、71甚至102通路的环绕声系统，而且51通路环绕声系统也为国际电信联盟ITU所推荐2。此外，为了适应音频的播放，特构建了一款音频DSP处理器以适应本系统。虚拟环绕声技术是区别于多通道环绕声技术的另一类声重放系统，它利用声源到双耳的传递函数HRTF通过双耳即空间两点声信号的传输与重放，实现声音空间信息的传输与重放，这种系统只需两路独立的传输信号和重放扬声器或耳机，因而在一些不便于安装多通道放声系统的环境下，对改善电视机、手机、MP3/MP4等等电子产品的音频声效有很大的帮助。关键字相关传递函数虚拟环绕声51通路ABSTRACTVIRTUALHEARINGISANEWSPACEONTHEEDGEOFTHECROSSSUBJECT,INVOLVINGHEARINGPSYCHOLOGY,HEARINGMULTISENSORINTEGRATIONANDFUSION,ARTIFICIALINTELLIGENCE,PARALLELCOMPUTINGANDHIGHPERFORMANCECOMPUTERSYSTEMS,ANDOTHERRESEARCHFIELDVIRTUALHEARINGSPACESOMETIMESCALLEDVIRTUALHEARINGDISPLAY,3DSOUNDREPRESENTATIONSYSTEM,VIRTUALSOUNDREPRESENTATIONSYSTEMS,SPACESOUNDREPRESENTATIONSYSTEMS,VIRTUALSPACE3DAUDITORYSYSTEM,VOICEOFSPACESYSTEMSANDEARSTECHNOLOGY,ISTHROUGHTHEEARSVOICESIGNALCOLLECTING,SIMULATIONANDREPLAY,LETTHELISTENERINTHEVIRTUALENVIRONMENTHEARDTHEACOUSTICSIGNALOFTHEAPPROACHINGINTHEREALENVIRONMENTFIELDHEARACOUSTICSIGNAL,SOINTHECINEMA,HOMETHEATERHASFOUNDAPPLICATIONSMORETHANONECHANNELSURROUNDSOUNDAFTERMANYYEARSOFDEVELOPMENT,ANDALSOHAVETHEVERYGOOD,ALSOHASAPPEARED51,61,71OR102CHANNELSURROUNDSYSTEM,AND51CHANNELSURROUNDSYSTEMALSOFORTHEINTERNATIONALTELECOMMUNICATIONSUNIONITURECOMMENDATIONINADDITION,INORDERTOADAPTTOTHEAUDIOPLAYBACK,ESPECIALLYTHECONSTRUCTIONAAUDIODSPPROCESSORSTOADAPTTOTHESYSTEMVIRTUALSURROUNDSOUNDTECHNOLOGYISDIFFERENTFROMMULTICHANNELSURROUNDSOUNDTECHNOLOGYANOTHERKINDOFSOUNDREPLAYSYSTEM,ITUSESSOUNDTOTHEEARSOFTHETRANSFERFUNCTIONHRTFTHROUGHTHEEARSIESPACETWOACOUSTICSIGNALTRANSMISSIONANDREPLAY,ACHIEVESVOICESPACEINFORMATIONTRANSMISSIONANDREPLAY,THESYSTEMONLYTWOROADINDEPENDENTTRANSMISSIONSIGNALANDREPLAYTHESPEAKERORHEADSET,SOINSOMENOTFOREASYINSTALLATIONMULTICHANNELLAUGHEDSYSTEMENVIRONMENT,TOIMPROVETELEVISION,MOBILEPHONES,MP3/MP4ANDSOONELECTRONICPRODUCTSAUDIOSOUNDEFFECTS,WHICHAREOFGREATHELPKEYWORDRELATEDTRANSFERFUNCTION；VIRTUALSURROUNDSOUND；51PATHWAYS目录摘要2ABSTRACT3第一章虚拟环绕声原理介绍5第二章本系统的基本组成10第三章系统具体的实现18总结35致谢36参考文献37附录39第一章虚拟环绕声原理介绍由于虚拟环绕是以人耳的声源定位为基础的，故在此主要对人耳的声源定位予以介绍。心理声学的基本要素是到达人耳的声音的频率、强度和谱结构。以下将进一步讨论基于心理声学的声源定位、距离感知及包围感等。1、人耳对声源的定位在自然听音中，人的听觉系统对声源的定位取决于多个因素双耳接收到的信号差异用来决定声源的水平位置，由外耳对高频信号的反射所引起的耳郭效应决定声源的垂直位置，而人耳的某些心理声学特性对于声源的定位也起到很大的作用。2、双耳效应在自然听音环境中，双耳信号之间的差异对于声源的定位是非常重要的。该因素可以在直达声场的听音环境中得到最好解释，如图1所示。图1声源S与镜像声源S引入最大程度相似的双耳因素声源位于水平面上，水平方位角为，与人头中心的距离为R，到达左右耳的距离分别为SL和SR。由于SLSR，声音首先到达右耳，从而在到达双耳的时间先后上形成时间差。这种时间差被定义为双耳时间差（INTERAURALTIMEDIFFERENCE，ITD），它与声源的水平方位角有关。当0时，0；当90时，达到最大值，对一般人头来说，为0607MS的数量级。在低中频（F50KHZ时，双耳声级差是定位的主要因素，与时间差形成互补。总的来说，双耳时间差和声级差涵盖了整个声音频率范围。但是如果只考虑双耳时间差和声级差两个因素，还不足以完全解释定位问题，其中最典型的问题就是前后镜像声源的定位。假设人头是一个球体，不存在外耳，如图2所示，水平方位角为的声源和水平方位角为180的镜像声源在人耳处会产生相同的IID和ITD。对于实际的人头来说，虽然IID和ITD不会完全相同，但是它们会在很大程度上相似。当只考虑双耳时间差和声级差时，就会产生前后镜像声源的混淆，其实这只是空间锥形区域声像混淆（CONESOFCONFUSION）的一种特例。为了解决这个问题，就要依赖于其他的因素进行声源定位了。图2空间锥形区域声像混淆3、耳郭效应在听觉系统中用于对声源进行垂直定位的因素通常被认为是“单耳信号”。耳郭具有不规则的形状，形成一个共振腔。当声波到达耳郭时，一部分声波直接进入耳道，另一部分则经过耳郭反射后才进入耳道。由于声音到达的方向不同，反射声和直达声之间强度比不仅发生变化，而且反射声与直达声之间在不同频率上产生不同的时间差和相位差，使反射声与直达声在鼓膜处形成一种与声源方向位置有关的频谱特性，听觉神经据此判断声音的空间方向。耳郭效应的本质就是改变不同空间方向声音的频谱特性，也就是说人类听觉系统功能上相当于梳状滤波器，将不同空间方向的声音进行不同的滤波。频谱特性的改变主要是针对于高频信号，由于高频信号波长短，经耳郭折向耳道的各个反射波之间会出现同相相加、反相相减，甚至相互抵消的干涉现象，形成频谱上的峰谷，也即耳郭对高频声波起到了梳状滤波作用。耳郭效应对声源的垂直定位起到很重要的作用。图3显示的是声源位于中垂面，仰角分别为10、0和10在人头模型上测得的耳郭响应曲线。由图可以看出，在高频处响应曲线变化比较大，因此可以对声源进行定位。例如对位于前后镜像的声源进行定位时，虽然位于R,的声源和位于R,180,的镜像声源会在人耳处产生极相似的ITD和IID，但是可以通过耳郭效应对声源作精确定位。图3人头模型测量的耳郭效应耳郭效应进行声音定位，主要是将每次接收到的声音与过去存储在大脑里的重复声排列或梳状波动记忆进行比较，然后判断定位。因每个人耳郭尺寸不同，所以每个人在大脑中存储的记忆是不同的，这一点应引起注意。4、人头转动因素如图4所示在低频或较差的听音环境中，当双耳效应和耳郭效应对声源的定位不能给出明确的信息时，听音者会转动头部来消除不确定性。最经常使用这种方法的情况是出现空间锥形区域声像混淆现象时，因为这样会造成不确定的双耳效应。图4头部转动避免声源位置前后混淆5、优先效应声音的定位除了以上因素外还有其他因素。在混响环境中，优先效应起到重要作用。它是心理声学的特性之一。所谓的优先效应是指当同一声源的直达声和反射声被人耳听到时，听音者会将声源定位在直达声传来的方向上，因为直达声会首先到达人耳处，即使反射声的强度比直达声高达10DB。因此，声源可以在空间中进行正确的定位，而与来自不同方向的反射声无关。但是优先效应不会完全消除反射声的影响。反射声可以增加声音的空间感和响度感。当优先效应用在混响环境中识别语音时，就产生了哈斯效应（HAASEFFECT）。哈斯观察到，只要早期反射声到达人耳足够早就不会影响语音的识别，相反，由于增加了语音的强度，还会有利于语音的识别。而且哈斯发现，相对于音乐来说，语音对反射延时时间和混响的变化更为敏感。对于语言声来说，只有滞后直达声50MS以上的延迟声才会对语音的识别造成影响。所以50MS被称为哈斯效应的最大延时量。在哈斯的平衡实验证明，当延时为1020MS时，先导声会对滞后声有最大程度的抑制。第二章本系统的基本组成1、总体框图大致如图5所示，虚拟环绕声DSP音频处理器DAC还原音源其它新的功能图5系统总体框图DSP音频处理器是本系统的核心，负责音频解码，信号叠加等处理。虚拟环绕声模块，负责针对音频信号产生虚拟的环绕声音频效果。DAC负责还原出音频信号。在这些基本功能的础基上，实现诸如音频检索等新功能。2、左后LS和右后环绕声生成器左后LS和右后环绕声生成器内部结构图6左后LS和右后环绕声生成器内部框图图7左后LS和右后环绕声生成器原理图经过研究我们发现，当左后和右后的两个声像在同一水平角度时，倾听者的声像刚好再在中间的位置，因此没有环绕声的效果。因此我们做了这个专门处理左后和右后的音频处理装置（如图6所示）。当左后的声源角度为240时（如图7所示），该声源与右后的135和150两声源之一叠加。以此类推，最后将说有声音叠加，形成环绕声的效果。3、DSP音频处理器及虚拟环绕声处理器DSP音频处理器及虚拟环绕声处理器内部构成图8环绕声生成及音频信号处理内部框图我们系统的核心部分大致如图8所示，从SD卡读出的数据流有音频解码等处理，得到51个声道。4、外设部分NEXYS3开发板的外设接口如图9所示图9开发板外设接口图本项目的两个外设接口均采用了PMODPORTEXPANSION,PMODSD模块采用了12针进行衔接，CS4344采用了6针与开发板相衔接。NEXYS3用来处理复杂的音频相关的计算问题，大概的处理过程就是从SD卡中选择合适的采用率读出音频数据，然后将数据放于开发板的缓存中，使用核心音频处理IP，进行音频数据处理，然后将数据通过CS4344将预先设想的声音给还原出来。开发板上4块PMODPORTEXPANSION的图示如下图10PMODPORTEXPANSION每一块PMODPORTEXPANSION12针的图示图11PMOD12个端口PMODSD模块，它拥有两排六列的接触头和一个SD卡卡槽，它方便了SD卡和开发板的衔接。SD卡与开发板的通信是依靠那12个触头实现的。本项目是采用的SD卡的SPI协议驱动的，SPI协议简单，使用的引脚也比较少，只需要SS,MOSI,MISO,SCK。图12PMODSD的工作原理图自制音频接口的组成是ICCS4344，电阻470欧姆2个,10K欧姆2个,0805封装01UF电容,2个，0805封装，33UF3个0805封装，10UF1个B型装装，2500UH电感个0805封装，耳机插座。图13音频接口原理图图14自制立体声音频接口图第三章系统具体的实现1、基于SPI的SD卡FATFS是一个为FPGA系统设计的通用文件系统模块。对FATFS的程序编写遵守ANSIC，并且完全与磁盘I/O层分开。因此，它并不依赖于当前的硬件架构。它可以嵌入到FPGA的微控制器中。图15FATFS原理图添加的SPI核1AXI_SPI2SPI_CNTRL_REG3SPI_CORE_INTERFACE4SPI_FIFO_IFMODULE5SPI_OCCUPANCY_REG6SPI_RECEIVE_TRANSMIT_REG7SPI_STATUS_SLAVE_SEL_REGSDKSPI接口函数1VOIDXSPI_ABORTXSPIINSTANCEPTR/在控制寄存器中设置停止位2INTXSPI_CFGINITIALIZEXSPIINSTANCEPTR,XSPI_CONFIGCONFIG,U32EFFECTIVEADDR/初始化SPI3INTXSPI_STARTXSPIINSTANCEPTR/使中断4INTXSPI_STOPXSPIINSTANCEPTR/禁止中断5VOIDXSPI_RESETXSPIINSTANCEPTR/重置6INTXSPI_TRANSFERXSPIINSTANCEPTR,U8SENDBUFPTR,U8RECVBUFPTR,UNSIGNEDINTBYTECOUNT/传输数据7INTXSPI_SETSLAVESELECTXSPIINSTANCEPTR,U32SLAVEMASK/选择通信的从设8U32XSPI_GETSLAVESELECTXSPIINSTANCEPTR/获取当前通信从设的标识9VOIDXSPI_SETSTATUSHANDLERXSPIINSTANCEPTR,VOIDCALLBACKREF,XSPI_STATUSHANDLERFUNCPTR/设置状态返回函数10VOIDXSPI_SETSTATUSHANDLERXSPIINSTANCEPTR,VOIDCALLBACKREF,XSPI_STATUSHANDLERFUNCPTR/保存状态返回11VOIDXSPI_INTERRUPTHANDLERVOIDINSTANCEPTR/中断进程12VOIDXSPI_ABORTXSPIINSTANCEPTR/异常终止11应用接口（1）F_MOUNT在FATFS模块上注册/注销一个工作区文件系统对象FRESULTF_MOUNTBYTEDRIVE,/逻辑驱动器号/FATFSFILESYSTEMOBJECT/工作区指针/（2）F_OPEN创建/打开一个用于访问文件的文件对象FRESULTF_OPENFILFILEOBJECT,/空白文件对象结构指针/CONSTXCHARFILENAME,/文件名指针/BYTEMODEFLAGS/模式标志/表一文件的访问类型和打开方法模式描述FA_READ指定读访问对象。可以从文件中读取数据。与FA_WRITE结合可以进行读写访问。FA_WRITE指定写访问对象。可以向文件中写入数据。与FA_READ结合可以进行读写访问。FA_OPEN_EXISTING打开文件。如果文件不存在，则打开失败。默认FA_OPEN_ALWAYS如果文件存在，则打开；否则，创建一个新文件。FA_CREATE_NEW创建一个新文件。如果文件已存在，则创建失败。FA_CREATE_ALWAYS创建一个新文件。如果文件已存在，则它将被截断并覆盖。注意当_FS_READONLY1时，模式标志FA_WRITE,FA_CREATE_ALWAYS,FA_CREATE_NEW,FA_OPEN_ALWAYS是无效的。（3）F_CLOSE关闭文件FRESULTF_CLOSEFILFILEOBJECT/文件对象结构的指针/（4）F_READ读取数据FRESULTF_READFILFILEOBJECT,/文件对象结构的指针/VOIDBUFFER,/存储读取数据的缓冲区的指针/UINTBYTETOREAD,/要读取的字节数/UINTBYTEREAD/返回已读取字节数变量的指针/（5）F_WRITE写入数据FRESULTF_WRITEFILFILEOBJECT,/文件对象结构的指针/CONSTVOIDBUFFER,/存储写入数据的缓冲区的指针/UINTBYTETOWRITE,/要写入的字节数/UINTBYTEWRITTEN/返回已写入字节数变量的指针/（6）F_LSEEK移动一个打开的文件对象的文件读/写指针。也可以被用来扩展文件大小簇预分配。FRESULTF_LSEEKFILFILEOBJECT,/文件对象结构指针/DWORDOFFSET/文件字节偏移/（7）F_TRUNCATE截断文件大小FRESULTF_TRUNCATEFILFILEOBJECT/文件对象结构指针/（8）F_SYNC冲洗一个写文件的缓存信息FRESULTF_SYNCFILFILEOBJECT/文件对象结构的指针/（9）F_OPENDIR打开一个目录FRESULTF_OPENDIRDIRDIROBJECT,/空白目录对象结构的指针/CONSTXCHARDIRNAME/目录名的指针/（10）F_READDIR读取目录项FRESULTF_READDIRDIRDIROBJECT,/指向打开的目录对象结构的指针/FILINFOFILEINFO/指向文件信息结构的指针/（11）F_GETFREE获取空闲簇的数目FRESULTF_GETFREECONSTXCHARPATH,/驱动器的根目录/DWORDCLUSTERS,/存储空闲簇数目变量的指针/FATFSFILESYSTEMOBJECT/文件系统对象指针的指针/（12）F_STAT获取文件状态FRESULTF_STATCONSTXCHARFILENAME,/文件名或目录名的指针/FILINFOFILEINFO/FILINFO结构的指针/（13）F_MKDIR创建一个目录FRESULTF_MKDIRCONSTXCHARDIRNAME/目录名的指针/（14）F_UNLINK移除一个对象FRESULTF_UNLINKCONSTXCHARFILENAME/对象名的指针/（15）F_CHMOD修改一个文件或目录的属性。FRESULTF_CHMODCONSTXCHARFILENAME,/文件或目录的指针/BYTEATTRIBUTE,/属性标志/BYTEATTRIBUTEMASK/属性掩码/表二文件属性表属性描述AM_RDO只读AM_ARC存档AM_SYS系统AM_HID隐藏（16）F_UTIMEF_UTIME函数修改一个文件或目录的时间戳。FRESULTF_UTIMECONSTXCHARFILENAME,/文件或目录路径的指针/CONSTFILINFOTIMEDATE/待设置的时间和日期/（17）F_RENAME重命名一个对象。FRESULTF_RENAMECONSTXCHAROLDNAME,/原对象名的指针/CONSTXCHARNEWNAME/新对象名的指针/（18）F_MKFS在驱动器上创建一个文件系统FRESULTF_MKFSBYTEDRIVE,/逻辑驱动器号/BYTEPARTITIONINGRULE,/分区规则/WORDALLOCSIZE/分配单元大小/（19）F_FORWARD读取文件数据并将其转发到数据流设备。FRESULTF_FORWARDFILFILEOBJECT,/文件对象/UINTFUNCCONSTBYTE,UINT,/数据流函数/UINTBYTETOFWD,/要转发的字节数/UINTBYTEFWD/已转发的字节数/（20）F_CHDIRF_CHDIR函数改变一个驱动器的当前目录。FRESULTF_CHDIRCONSTXCHARPATH/路径名的指针/（21）F_CHDRIVEF_CHDRIVE函数改变当前驱动器。FRESULTF_CHDRIVEBYTEDRIVE/逻辑驱动器号/（22）F_GETSF_GETS从文件中读取一个字符串。CHARF_GETSCHARSTR,/读缓冲区/INTSIZE,/读缓冲区大小/FILFILEOBJECT/文件对象/（23）F_PUTCF_PUTC函数向文件中写入一个字符。INTF_PUTCINTCHR,/字符/FILFILEOBJECT/文件对象/（24）F_PUTSF_PUTS函数向文件中写入一个字符串。INTF_PUTSCONSTCHARSTR,/字符串指针/FILFILEOBJECT/文件对象指针/（25）F_PRINTFF_PRINTF函数向文件中写入一个格式化字符串。INTF_PRINTFFILFILEOBJECT,/文件对象指针/CONSTCHARFORAMT,/格式化字符串指针/12磁盘I/O接口由于FATFS模块完全与磁盘I/O层分开，因此底层磁盘I/O需要下列函数去读/写物理磁盘以及获取当前时间。由于底层磁盘I/O模块并不是FATFS的一部分，因此它必须由用户提供。（1）DISK_INITIALIZE初始化磁盘驱动器DSTATUSDISK_INITIALIZEBYTEDRIVE/物理驱动器号/（2）DISK_STATUS获取当前磁盘的状态DSTATUSDISK_STATUSBYTEDRIVE/物理驱动器号/（3）DISK_READ从磁盘驱动器中读取扇区DRESULTDISK_READBYTEDRIVE,/物理驱动器号/BYTEBUFFER,/读取数据缓冲区的指针/DWORDSECTORNUMBER,/起始扇区号/BYTESECTORCOUNT/要读取的扇区数/（4）DISK_WRITE向磁盘驱动器中写入扇区DRESULTDISK_WRITEBYTEDRIVE,/物理驱动器号/CONSTBYTEBUFFER,/写入数据缓冲区的指针可能未对齐/DWORDSECTORNUMBER,/起始扇区号/BYTESECTORCOUNT/要写入的扇区数/（5DISK_IOCTL控制设备特定的功能以及磁盘读写以外的其它功能。DRESULTDISK_IOCTLBYTEDRIVE,/驱动器号/BYTECOMMAND,/控制命令代码/VOIDBUFFER/数据传输缓冲区/表三磁盘命令命令描述CTRL_SYNC确保磁盘驱动器已经完成等待写过程。当磁盘I/O模块有一个写回高速缓存时，立即冲洗脏扇区。在只读配置中，不需要该命令。GET_SECTOR_SIZE返回驱动器的扇区大小赋给BUFFER指向的WORD变量。在单个扇区大小配置中_MAX_SS为512，不需要该命令。GET_SECTOR_COUNT返回总扇区数赋给BUFFER指向的DWORD变量。只在F_MKFS函数中，使用了该命令。GET_BLOCK_SIZE返回以扇区为单位的存储阵列的擦除块大小赋给BUFFER指向的DWORD变量。当擦除块大小未知或是磁盘设备时，返回1。只在F_MKFS函数中，使用了该命令。（6）GET_FATTIME获取当前时间2、卷积部分21卷积方法YNXNHN的卷积可以通过以下几步来实现A求H（K）DFTHN）；B求X（K）DFTXNC计算YKHKXKDY（KIDFTYK）具体的卷积过程，我们采用分段卷积的方法来实现快速卷积。将X（N）分为多个X（N）（I1,并对各段的X做如下的处理IIA与前一数据帧的N1点取点，其中对第一帧的数据前加上N1个0,做NHH点FFT得到XK1IB在HN后补0到长度N，做N点的FFT得到HK1C求YKHKXKIID将YK做IFFT得到YN。E将YN后的（NN1个点作为该段卷积输出。I1H通过该分段的方法，计算两个数据的卷积只需要一次FFT变换和一次IFFT变换，比分开计算一次FFT变换和两次IFFT变换，减少了1/3的运算量，并且并不需要额外的内存空间。22接口说明输入端口CLK采用10MHZ的时钟。RESET复位信号。START因为RAM的空间是有限的，当RAM存满后采样和卷积都会停止。此时给一个START的高电平脉冲将会开始下一次的卷积。NBUSY从A/D转换器来的信号表示转换器的忙或闲。INDATA从A/D转换器来的数据总线。输出端口WRRAM写控制信号。ENOUT1,ENOUT2ENOUT1是存储卷积低字节结果RAM的片选信号；ENOUT2是存储卷积高字节结果RAM的片选信号。NCONVST给A/D转换器的控制信号,命令转换器开始工作,低电平有效。ADDRESS地址输出。OUTDATA写到RAM去的数据总线。图16HRIR数据库的MATLAB显示界面参数HRIR1，HRIR2，HRIR3系统参数，即与语音信号发生卷积的参数,来自于加州大学戴维斯分校图像处理和集成计算中心CIPIC。一点对比中选取了HRTF数据库中1个点。取点（1,1）A80E45（水平角，方位角）。多点对比中选取了HRTF数据库中10个点。取点（1,1）（3,1）（6,1）（9,1）（12,1）（14,1）（17,1）（20,1）（23,1）（15,1）10个点（水平角，方位角）。23仿真结果图17卷积仿真结果3、音频接口及I2C总线协议31音频接口对于虚拟环绕声的播放问题，我们使用了一个音频立体声接口，该接口中，我们主要使用了ICCS4344音频芯片，该音频芯片的接口如图18。图18音频接口管脚图其中，各管教的用途如下SDIN用于音频信号的输入；DSM/SCLK时钟信号的输入；LRCK左右时钟输入；MCLK主时钟输入；VQ静态电压AOUTR右声道模拟信号输出GND接地AOUTL左声道模拟信号输出FILT正基准电压图19音频接口原理图32I2C总线协议I2C总线系统由两根总线即SCL串行时钟线和SDA串行数据线构成。这种总线可以设计成很多种通讯配置，但本文只讨论主从系统的应用。主器件控制总线通讯，开始结束传送、发送信息并产生I2C系统时钟。在写操作过程中，从器件一旦被主控器件寻址，就执行特定的相应功能。在读操作过程中，主控器件从从器件那里获得数据。在整个主从传送过程中，所有的事件都通过主控器件的SCL时钟线达到同步。连到总线上的器件的接口形式必须是漏极开路或集电极开路输出状态。通过上拉电阻，使得两根总线在空闲的状态下都为高电平状态。因此I2C总线上具有线与功能，即总线上的所有器件都达到高电子状态时，I2C总线才能达到高电平状态，从而使总线上的高速器件和慢速器件工作同步。在I2C协议中，从器件地址是一个唯一的7位地址。接下来是一个读写方向标志位，读状态是高电平、写状态是低电子。根据I2C协议中传输过程的特点，I2C模块可以划分为字节发送模块、字节接收模块、开始条件模块、停止条件模块。其中，字节发送模块、字节接收模块和停止条件模块为基本模块。在开始条件模块中，因为需要发送从器件地址，所以要调用字节发送模块。图20总体外观图总结本文是对我们近一年开对XILINX公司举办的开源码比赛的“虚拟环绕声音频处理系统”项目的总结。该项目涉及的研究领域包括声学、信号处理、生理学及听觉心理学等。本次研究，在总结前人已有的研究成果的基础上，提出了自己的新观点。其中我们运用了目前所能获得的最大最全的HRIR公开数据库（CIPIC提供）。总的来说，我们的项目完成了预期的目标，成功实现了系统功能。我们主要完成了以下几方面的内容（1）完成了基于SPI的SD卡的音频存取，底层文件系统的移植，及音频的编解码。（2）完成了音频信号的处理，及快速卷积。（3）完成了基于I2C的音频接口功能。本次的项目研究为虚拟听觉空间搭建了一个系统框架，实际上还有许多地方值得我们继续探究和完善，主要表现在一下几个方面（1）虚拟听觉的个人化研究。在前面我们曾提到人和人的差距，如耳廓的不同、及人头转动等因素，会造成不同对象在相同方位所测得的HRIR也存在着较大的差异。（2）均衡系统的实现。均衡系统能对音频信号的频谱进行调节，使声音达到听者所满意的程度。（3）混响系统的实现。混响系统的实现，能使声音具有方向性。听者能根据听到的声音，对声源进行定位。致谢随着OPENWH开源大赛将要结题日期越来越近，不禁感慨时间如梭，将近一年的比赛就要结束，同学都有了些许的收获和感悟。本次比赛项目是我们不断学习的知识积累的结果，也是我们对该项目研究工作的一个总结。首先，我们将感谢我们的指导老师田莎莎。在这一年以来，田老师博学的学识和严禁求实的治学态度，让我们如沐春风。田老师不仅在专业知识方面给予我们孜孜不倦的教诲，在精神方面，她也给予我们坚持不懈将项目完成的决心。其次，我们要感谢实验室的老师和同学们。在这一个激烈的比赛中，中南名族大学人工智能实验室给我们创造了良好的研究环境。在实验室研究期间，我们和实验室的其他成员缔结了深厚的友谊。在和他们交流的过程中，不仅加深了我们对专业知识的理解，也拓展我们知识的宽度和广度，我们要表示由衷的感谢。最后，我们要感谢中南名族大学，“笃信好学自然宽和”是对我们每一个民大学生的要求，感谢学校对我们的教育和培养。参考文献1田耘，徐文波XILINXFPGA开发实用教程清华大学出版社第一版，2008年3176062薛小刚，葛益敏XILINXISE9XFPGA/GPLD设计指南人民邮电出版社第一版，2007年3033763赵峰，马迪铭，孙炜梁天翼FPGA上的嵌入式系统设计实例西安电子科技大学出版社第一版，2008年261334李宁基于MDK的STM32处理器开发应用M北京航空航天大学出版社第一版，20083984105吴振扬，空间听觉与四通听觉系统J1997,1227296谢菠荪，多通路与虚拟环绕声问题电声技术5/19997吴镇扬，与头相关联的传递函数的测量及数据分析J数据采集与处理，199612，11（4）3153189刘明业、蒋敬旗、刁岚松硬件描述语言VERILOGM北京清华大学出版社，200110杨之廉、申明超大规模集成电路设计方法学导论M第二版，清华大学出版社，200011王钿,卓兴旺VERILOGHDL的数字系统应用设计M北京国防工业出版社,200712李石亮,杨俊安,叶春逢基于AD7656的多路并行同步音频数据采集系统设计与实现J现代电子技术,2008,311016717013李非一无线信道下误码控制和误码隐藏研究与实现D武汉武汉大学,200514李桐宇,杨家玮用SPI总线实现DSP和MCU之间的高速通信J电子元器件应用,200611283015刘永平,王威,江豪,等基于SPI总线的PIC与ISD4003语音接口电路J微计算机信息,200692959616JANMRABAEYDIGITALINTEGRATEDCIRCUITSADESIGNPERSPECTIVE，SECONDEDITIONMPRENTICEHALL，USA，2003，ISBN730207968416JCMIDDLEBROOKS,“NARROWBANDSOUNDLOCALIZATIONRELATEDTOEXTERNALEARACOUSTICS,”JACOUSTSOCAMER,VOL92,NO5,PP26072624,NOV199217CMLMICROCIRCUITSCMX649RECOMMENDEDSETTINGSZ200318EDWARDKAMENW,BONNIEHECKSFUNDAMENTALSOFSIGNALSANDSYSTEMSUSINGMATLABPRENTICEHALLINTERNATIONALINC,199719ISOPIECCD138182CODINGOFMOVINGPICTURESANDASSOCIATEDAUDIOPART2VIDEO,199420FLWIGHTMANANDDJKISTLER,“RESOLUTIONOFFRONTBACKAMBIGUITYINSPATIALHEARINGBYLISTENERANDSOURCEMOVEMENT,”JACOUSTSOCAMER,VOL105,NO5,PP28412853,MAY199921TAJDLER,CFALLER,LSBAIZ,ANDMVETTERLI,“SOUNDFIELDANALYSISALONGACIRCLEANDITSAPPLICATIONTOHRTFINTERPOLATION,”JAUDIOENGSOC,VOL56,NO3,PP156175,MAR200822MAGERZON,“AMBISONICSINMULTICHANNELBROADCASTINGANDVIDEO,”JAUDIOENGSOC,VOL33,NO11,PP859871,NOV198523戴红卫面向高性能SOC应用的MP3解码器软硬件协同设计与验证D上海交通大学硕士学位论文2006年1月附录卷积代码MODULECONVINDATA,OUTDATA,ADDRESS,CLK,RESET,START,NCONVST1,NCONVST2,NCONVST3,NBUSY1,NBUSY2,NBUSY3,WR,ENOUT1,ENOUT2INPUTINDATA,CLK,RESET,START,NBUSY1,NBUSY2,NBUSY3OUTPUTOUTDATA,ADDRESS,NCONVST1,NCONVST2,NCONVST3,WR,ENOUT1,ENOUT2WIRE70INDATAWIRECLK,RESET,START,NBUSY1,NBUSY2,NBUSY3REG70OUTDATAREG100ADDRESSREGNCONVST1,NCONVST2,NCONVST3,WR,ENOUT1,ENOUT2REG60STATEREG50IREG10JREG110COUNTERREG230LINEREG150RESULTREGHIGHREGKREGEOC1,EOC2,EOC3PARAMETERHRIR11,HRIR22,HRIR33PARAMETERIDLE7B0000001,READ_