一种高阶音频均衡滤波器的设计实现

音频均衡器作为高品质音响不可或缺的关键附属调节设备，在音效调整修饰方面起着至关重要的作用。一般音频均衡器有数字和模拟两种实现方法，模拟方法用有源和无源滤波器组实现，受器件温度等特性的影响，难以达到较高的可靠性和一致性，且成本较高。数字实现方法采用数字滤波器，具有较高的灵活性和可靠性。常用的数字滤波器有IIR和FIR两种。IIR滤波器结构简单，所需的存储空间小，但其相位是非线性；FIR滤波器是线性相位滤波器，这对高品质音效处理是必要的。本文通过在FPGA内设计了1 024阶FIR滤波器实现数字均衡滤波，通过系数的重载实现多种频率响应的均衡特性。

　　1 总体概述

　　文中设计的FIR音频均衡滤波器采用多相滤波结构，用时间换取空间，节省FPGA内部资源，以达到在固定资源下的最大阶数。实现结构框图如图1所示。

图1 数字滤波器实现结构框图

　　输入序列以及滤波系数分别存储在缓存阵列中，在时钟同步下由控制模块通过生成相应的读写地址及使能信号，使其按照一定次序输出到乘累加模块进行运算，并输出最终结果。系数可通过外部输入重载，以实现不同的均衡特性。EP1C3系列FPGA共有13个M4K块，每个为256 ×18位，取数据和系数的位宽为16位。为了充分利用有限资源，并考虑处理速度及音频信号速率要求，取每个缓存子模块的存储深度为256，即将乘累加模块复用256次，每256个系统时钟周期运算一个采样点数据，输出一个滤波结果。每个缓存子模块占用一个M4K块，连续4个子模块串联，就可实现256 x4=1 024阶的要求，再考虑系数占用的空间，总共消耗8个M4K块。这也是在有限资源下能实现的最高阶数。

　　2 各模块实现

　　2.1 输入序列缓存模块

　　输入序列缓冲模块采用双口RAM模块实现，将4个级联使用，如图2所示。4个子块使用相同的读写地址及使能信号，采样数据从第一个子块输入，第一个子块的数据输出端与下一级子块的输入端直接相连，依次类推。每个缓存子块的数据y1～y4都输出给乘累加模块进行运算。

图2 输入序列缓冲模块实现框图

　　该模块的关键是读写地址的控制，写地址waddr必须滞后读地址raddr一个时钟周期，这样子块当前输出数据会在下个时钟写入下一个子块的相应单元。256个周期后，子块的数据整体移到下一个子块。