毕业论文答辩自述稿及提问0430_毕业论文答辩自述稿
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中传本科毕业论文答辩自述稿
尊敬的各位老师：
下午好！
我的毕业设计题目是：基于FPGA的数字音频信号源设计实现 我是通信工程专业14级秋季本科班的郭胜强，学号1409421031001 下面我将这篇论文的毕业论文选题的目的、意义、写作内容、成果、结论、存在的不足向各位老师作简要的陈述。
首先，我想谈谈为什么选这个题目及这篇文章的目的和意义。
我当时之所以选择《基于FPGA的数字音频信号源设计实现》这个题目是因在日常工作生活中遇到的问题中有很多需要进行声音处理，所以选用FPGA器件实现音频信号源处理的方案，即对声音信号进行了采集、处理、传输存储和还音回放工作以及如何在噪声环境中如何能有效地地把需要的语音信号提取出来,消除或者衰减噪声,从而显著提高数字音频信号源的质量方面的工作。我们经常在外的现场声音采集过程中，周围会遇到汽船声、高频啸叫声，怎样处理？我们可以通过实时监听，通过滤波器高、低、带通方式的选择，以提高声音的清晰度，可听度，提高现场的扩声效果并提高声音录制质量。
另对系统如何进行声音信号采集、声音信号模数转换、编码、压缩、声音信号滤波、音频信号输出、传输、还音等工作进行了探讨。
其次，我想谈谈这篇文章的结构和主要内容。
我的论文主要分为以下5个部分：
第一部分主要音频采集、数据处理部分基本原理,主要内容是音频采集、数据处理部分简介和介绍FIR(Finite Impulse Response)数字滤波器基本原理。
首先使用话筒把收集到的语言信号作为输入信号，然后将收集到的音频信号转换为连续的电信号，耳机播放的声音是由经过滤波后转换的模拟音频信号;LM4550(AC-97 2.1)芯片将输入的模拟音频信号经过采样、量化、编码转换为数字音频信号;FPGA中的AC-97模块用来发送及接收256bit的串行数据流，具有I/O的18位立体声PCM数据端口;AC-97Commands的命令则是用来执行初始化命令和设置放大器增益等;FPGA通过配置接口编写Verilog程序来控制LM4550(AC-97 2.1)芯片的正常工作;FPGA和LM4550(AC-97 2.1)芯片通过数据传输接口实现音频信号编码后的的发送与接收;FIR滤波器将LM4550传输来的数字化音频数据处理后，经过数据传输接口传送到LM4550(AC-97 2.1)芯片的模数转换后，其模拟信号由耳机线路输出。
本文着重讨论借助MATLAB设计FIR滤波器。FIR滤波器的系数通常有两种方法可以获得。一种是通过使用FDATooI工具箱来实现。FDATooI是MATLAB中内嵌的一种专门用于滤波器分析和设计的工具，FDATooI可以设计出几乎所有的常规滤波器，它简单方便、灵活。另一种方法则是选用一种算法去逼近满足设计指标要求的理想滤波器模型，通过编程的方法获得滤波器的系数，本文不再赘述。本文中设计的FIR滤波器的系数是经FDATooI工具箱获得。
第二部分数据传输部分，本设计的数据传输部分拟采用以太网传输，具体来说使用3类双绞线的l0BASE-T方式，在上一节中提到的通过帧结构封装，多路时分复用后的数据流转换成串行数据后，通过以太网芯片，对数据流进行IP包的封装，封装好的IP包，通过RJ45的接口，经华为Quidway S2700 series交换机，再通过RJ45的接口按照协议传送到服务器，并将数据流信息存储到服务器上。
第三部分是还音部分
还音是整个音频系统的最后一个环节，还音的过程是这样的，通过网络将服务器中的数据流信息传送过来，由于先前对多路音频进行了时分复用，所以在此首先对数据流信息进行解复用，解复用后，生成多路音频数据流,将每一路音频数据流进行帧结构解析，去除帧头，帧尾，通道号，时间同步信号信息，纠错码信息，同时将时间同步信号信息和通道号信息提取出来，这样就解析出来带有通道的多路音频数字信号，这些信号之间的延迟信息通过时间同步信号信息来体现，然后将每一通道的音频数据信息进行归一化处理，形成可以播放的wav文件，根据通道号和时间同步信号信息通过不同的扬声器播放出来，到此，就完成了还音的过程。
第四部分主要是各模块的设计
（一）音频采集、处理硬件平台的实现
（二）传输部分平台的实现
（三）还音部分平台的实现
第五部分主要是系统的综合测试和整体实现
（一）采集、处理部分的整体实现
（二）系统功能验证和效果分析及硬件实物验证
（三）传输存储和还音部分综合测试和整体实现
我的论文结论是：本课题研究了基于FPGA的数字音频源设计实现，并利用FPGA设计了对声音信号进行了采集、处理、回放以及如何在噪声环境中如何能有效地地把需要的语音信号提取出来,消除或者衰减噪声。同时进行了传输存储和还音重放的设计工作，系统在设计过程中以Xilinx公司Spartan-6系列XC6SLX45芯片为核心芯片，通过XC6SLX45芯片控制LM4550将麦克风采集到的语音信号实时的处理转换为数字信号，并将数据传给主控制芯片XC6SLX45，对数字音频信号进行滤波处理，滤除非有用信号。利用FPGA(Field Programmable Gate Array，可编程门阵列)可反复编程、擦除、使用的特点成功的解决了语音滤波器可重构的特点。本文中基于FPGA的音频采集系统中的滤波器的设计实现了结构灵活、实时性好、通用性强、占用资源少、运行速率高等优点。
本文对系统如何进行声音信号采集、声音信号模数转换、编码、压缩、声音信号滤波、音频信号输出、传输、还音等工作进行了探讨。本论文主要完成工作如下: 1.实现了音频的采集，信号稳定。
2.对音频信号的处理完成了简单的同步处理，3.对音频信号采用时分复用方法进行数据处理。4.完成了对信号的测试。
5.接收的音频数据能够通过软件解析接出来。
6.本系统把从话筒收集到的语音信号进行实时处理转换为数字信号，并将数据传给主控制FPGA芯片XC6SLX45，然后对数字音频信号进行滤波处理，通过设计数字滤波器来处理噪声信号，消除或者衰减噪声。
7.借助MATLAB软件来设计FIR数字滤波器，使用FDATooI工具箱设计滤波器的系数。利用MATLAB/Simulink建模及算法级仿真，验证了设计滤波器的可行性。
8.采用时下比较流行的System Generator设计FPGA的方式，构建了音频采集系统中的滤波器的硬件模型。完成了采集模块、时钟控制模块、按键防抖动模块、滤波系统模块的设计与仿真，并在ISE软件中进行了综合，验证了软件设计的可行性。
最后，我想谈谈这篇文章存在的不足。本文设计把首先对模拟音频信号进行量化采集，其次量化音频信号通过FPGA数据处理，是否通过FIR数字滤波器输出，然后通过异步串口输出存储，最终通过软件解码，对音频量化信号归一化处理，将声音回放出来。整个过程已经实现。但是还存在一些问题，需要进一步的改进和加强。
1.数据存储方面有新的改进
2.获取更高精度的音频数据。
在这篇论文的写作过程中，我尽可能多地收集资料，虽然从中学到了许多有用的东西，也积累了不少经验，但由于自己学识浅薄，认识能力不足，在理解上有诸多偏颇和浅薄的地方；也由于理论功底的薄弱，存有不少逻辑不畅和辞不达意的问题；加之时间紧迫和自己的粗心，与老师的期望相差甚远，许多问题还有待于进一步思考和探索，借此答辩机会，万分恳切的希望各位老师能够提出宝贵的意见，多指出这篇论文的错误和不足之处，我将虚心接受，从而进一步深入学习研究，使该论文得到完善和提高。
以上是我的论文答辩自述，敬请各位专家评委老师提出宝贵的意见。
谢谢！
这篇论文是在我的指导老师李彦菲副教授及南广学院何光威副教授的悉心指点下完成的，论文的选题是经该论文选题是经李老师审核通过并给我提出此文的写作基调和原则，何老师在我撰写论文的过程中付出了大量心血，本文经过一二三稿并最终定稿，这期间何老师对我的论文进行了详细的修改和指正，并给予我许多宝贵的建议和意见，给予了我极大的帮助。在专业知识水平上，二位老师敢于尝试、锲而不舍、推陈出新的的精神是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作，在此我谨向李老师、何老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。不管今天答辩的结果如何，我都会由衷的感谢二位老师的帮助和指导，感谢各位评委老师的批评指正。
下面是本论文的提问问答
1.什么是FPGA? 答：现场可编程门阵列（FPGA：Field Programmable Gate Array)
2．在基于FPGA的数字音频信号源设计实现过程中，遇到哪些问题，是如何解决的？
答：除了在知识网等网站购买资料外，弄通电路原理和完成线路设计之后，动手开始试验，比如：1.在试验存储音频文件时，弄通网络需调试安装软件，我只好用自己的笔记本直接连接以证明其可靠性、可行性。2.在试验还音过程中，遇到了波形与音量大小不一样，需反复调试的问题，将通道的音频数据信息进行归一化处理，形成可以播放的wav文件，根据通道号和时间同步信号信息通过不同的扬声器播放出来；另一方面是pc控制延时信息来控制声卡之间的协作播放，从而达到较好的还音效果。3.对前级的实时监听，我们由耳机改为一对音箱来测试，室内效果好，线路由耳机线路输出。
3.FIR滤波器的工作原理
答：FIR(Finite Impulse Response)滤波器：有限长单位冲激响应滤波器，又称为非递归型滤波器是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。
在进入FIR滤波器前，首先要将信号通过A/D器件进行模数转换，把模拟信号转化为数字信号；为了使信号处理能够不发生失真，信号的采样速度必须满足奈奎斯特定理，一般取信号频率上限的4-5倍做为采样频率；一般可用速度较高的逐次逼进式A/D转换器，不论采用乘累加方法还是分布式算法设计FIR滤波器，滤波器输出的数据都是一串序列，要使它能直观地反应出来，还需经过数模转换，因此由FPGA构成的FIR滤波器的输出须外接D/A模块。FPGA有着规整的内部逻辑阵列和丰富的连线资源，特别适合于数字信号处理任务，相对于串行运算为主导的通用DSP芯片来说，其并行性和可扩展性更好，利用FPGA乘累加的快速算法，可以设计出高速的FIR数字滤波器。
4.顶层文件是何种代码？
答：VHDL语言编写的硬件代码。
5.本文是如何设计FIR滤波器的？
答：本文着重讨论借助MATLAB设计FIR滤波器。FIR滤波器的系数通常有两种方法可以获得。一种是通过使用FDATooI工具箱来实现。FDATooI是MATLAB中内嵌的一种专门用于滤波器分析和设计的工具，FDATooI可以设计出几乎所有的常规滤波器，它简单方便、灵活。本文中设计的FIR滤波器的系数是经FDATooI工具箱获得。MATLAB(Matrix Laboratory，矩阵实验室)是Math Works公司开发，目前国际上最流行、应用最广泛的，集工程计算、图像处理、多媒体处理为一体的软件。MATLAB和Simulink是最基础的两个部分，除此以外还有信号处理、通信工程、小波工具等很多功能强大的工具包。MATLAB的工具箱实际上是用MATLAB的基本语句编成的各种子程序集，用户可以直接调用工具箱中的函数去解决工程问题，节省了用户所需的时间。并且这些工具箱可以任意的增减。
6.什么是解时分复用？
答：解时分复用是时分复用的逆过程，复用的数据流通过一个多路选择单元，根据时隙的不同将复用之前的各路信号解出来，解除来后就形成了数据流帧结构。
7.什么是解数据流帧结构？
答：解数据流帧结构是数据帧结构的逆过程，帧头帧尾在此发挥了很重要的作用，只要见到01010101就表示在这是一个采样数据的开头位置，见到0001111就知道这是表示一个采样数据的结束位置，然后对音采样数据异或运算与奇偶校验位的纠错码比对，检查数据传输的对错，然后记录通道号，将通道号相同的采样数据连接起来就形成了一路音频采样连续量化数据，同时对时间同步信号信息进行解析，记录各路信号之间的相对延迟信息。在还音的时候将会用到这些信息。
解数据帧结构是数据帧结构的逆过程。
8.在设本文计过程中以Xilinx公司Spartan-6系列XC6SLX45芯片为核心芯片，通过XC6SLX45芯片控制LM4550，其具体型号是什么？ 答：是XC6SLX45 CSG324，逻辑单元高达43661个。
9． LM4550音频编解码器的简介
答：LM4550是用于PC系统的音频编解码器。在它内部集成有:18位双向立体声A/D和D/A转换电路，采样率可以在4KHz}48KHz间以1Hz间隔进行编程;一个具有4立体声3单声道输入的模拟混合器，每一个输入均具有独立的增益、衰减和静音控制;一个2立体声单声道输出;具有独立独立的增益控制功能的立体声耳机放大器;真线路电平输出，具有独立的音量控制，支持AC97 2.1规范，支持3d声音立体声变换和可变采样率转换。可连接多个编码器，只有一个数据流控制器。
10．今后FPGA的发展主要有以下几个值得注意的方向是什么？ 答：(1)规模越来越大，集成度越来越高。
（2)速度不断提高，性能不断提升。（3）IP库的利用。（4）价格越来越低。
（5）向可编程系统芯片(SOPC)方向发展。
11.本课题研究的通常实现音频信号的数字化处理有哪两种实现方法？ 答： 第一种是采用专用或通用的信号处理器,通过处理器及一些辅助的结构组建一个独立的系统进行信号的实时处理,系统包括通用(专用)数字信号处理器芯片、接口芯片、存储芯片、信号转换芯片等组成。这种方法常属于专用处理系统，可以开发成为拥有独立系统的产品使用。
第二种方法是用计算机作为主处理器,用几块数字化信号处理板组成数字化处理系统，主要用于音频的录音、音频波形合成、剪辑、变调等。现我工作的广播电视台的数字音频工作站系统就是这种处理系统。
12.我所设计的FIR滤波器的性能指标
答：阶数N：8；采样频率：48KHz；频率范围：20~20KHZ；采样数据位数：16位。有关FIR滤波器的设计，我在本文有较详尽的展述。
13.现在哪些领域都需运用音频信号的应用处理？
答：特别是消费电子领域，比如通讯设备、广播电视、电影制作设备、家庭影音系统设计使用等。
14.FPGA设计技术的优势和发展历程
答：现场可编程门阵列（FPGA：Field Programmable Gate Array)已发明二十多年了。在当今的社会背景下，FPGA具备了强大的功能，用户要实现所需要的逻辑功能仅通过编程的方式，已不需要传统的芯片功能。
FPGA本身就具备了门阵列器件高度集成和通用性强的特点，再加上其拥有用户可编程灵活度高和在规模及密度上发展不受整体框架限制的优势。在此前提下，FPGA得到了迅猛的发展，并且其在各个领域的作用也日益突出。随着时代和社会的进步，FPGA市场日臻完善和规范，传统的市场模式已经不存在。然而根据那些著名厂家的生产和研究分析，FPGA具有集成程度高、结构灵活、结构可靠的优点，可以不断地进行研发。另外，随着半导技术的不断完善和发展，这一技术也能得到广泛的运用，由此，FPGA有着极大的发展前途且会得到很大的发展。
15.FPGA设计三大技术
答：（1）Flash、EZPROM编程技术
Flash和EZPROM技术在应用的过程中具有稳定性好、非易失性的特点，在设计的过程中及时关闭电源，其内部存数的信息也不会发生损坏和丢失，因而增加了器件的继承性。它结合了非易失性和可重复性的特点，因此具备着工作效率高、稳定性好的优点。（2）反熔丝变成技术 反熔丝变成技术以前是开路状态存在的，在编程技术发展后，反熔丝结构发生了一些的变化，瞬间产生的热损耗现象仍极为普遍，所以其薄绝层的物质发生融化反应，逐渐形成了永久性的通道。该技术具有了FPGA的非易失性和稳定性优点，得到了广泛运用，能够有效缓解信号传输路径的电阻及电容问题，另外其还具很有高安全性。但是该技术的缺陷也是极为明显的，主要表现为:无法重复变成、不能用于新产品的开发;一次性进行编程且无法进行可靠检测;在不同工艺下其所造成的工作差异也很大。（3）SRAM编程技术
SRAM编程技术作为最基本的编程技术，它是利用对传输管的控制及存储信息读写来进行的。在设计过程中，当传输管道接通时，SRAM单元内存储的信息可以在数据传输端读取或改写;当传输管中断时，存储的信息会被首尾相连的反相器锁定。
此外FPGA集成了专用集成电路、还集成了各种逻辑电路，同样属于可编程器件，但是FPGA内部逻辑门单元可以用编程的方式来灵活实现不同的功能，不在是固定不变的。但是FPGA器件的组合逻辑的逻辑比较弱，FPGA器件适合采用触发器比较多的结构，不适合乘积项比较多的场合。16.FPGA前沿设计技术的发展前景
答：随着半导体技术的发展，FPGA器件在半导体器件的地位越来越显著，每进行一次技术的变革，FPGA产品的功耗、频率及密度等方面都会有显著的变化，下面来介绍目前深亚微米工艺给FPGA带来的挑战，在此基础上，预测FPGA前沿设计技术的发展景况。
受到深亚微米制造工艺的巨大影响，晶体管的特征尺寸不断地减小，而FPGA的密度和速度却在不断提高，芯片上的集成功能更为繁杂，静态功耗的不断增加等因素严重刺激了传统半导体设计技术的改变。以下是相关分析: 第一，从FPGA器件的良率来看，其密度和速度都在不断提高，这就要求我们不能忽视纳米级的加工带来的生产良率问题。半导体工艺造成的影响是来自多方面的，为了能够从根本上解决工艺所导致的性能偏离，就必须用新的方法及流程进行设计，更好地消除因不稳定性造成的不良影响。
第二，从信号的完整性来看，高速信号带来的电磁兼容(EMI)问题日益突出:金属线宽和间距的不断减小，使互连线之问的串扰现象更加严重，交叉耦合电容、耦合电感和IR压降等现象带来的影响都是极为严重的。信号完整性的问题使传统的设计和生产工艺面临着严峻的挑战，给芯片设计者，IP厂商，半导体加工厂带来了很大的压力。
第三，从器件的功耗来看，半导器件中有两种功耗：静态功耗和动态功耗。静态功耗问题是指器件中所有晶体管的漏电流产生的功耗，而FPGA的漏电流受供电电压、结温、晶体管尺寸及自身可编的冗余结构影响较大，所以，静态功耗问题严重制约了FPGA器件技术的发展，而器件的动态功耗受充电电容、供电电压及时钟频率等影响，在工艺节点进步的大背景下，FPGA的密度和容量不断扩大且时钟频率不断地提高，很难适应社会的发展，由此动态功耗是整个器件设计值得重视的问题了。
总之，在深亚微米半导体工艺的影响下，要对传统的设计和生产工艺进行改进和优化异常艰难，所以，在设计过程中，应采用科学合理的设计方法，根据社会发展的具体情况进行设计工作，以满足社会发展的需求，这也就要求在设计过程中进行优化、改进。优化和改进要以高密度、高性能作为目标，深入了解集成电路的集成化程度，才能更好地增进FPGA技术的发展。
为了适应社会和市场发展的需要，FPGA进行了多方面的改进优化，比如在密度、功能和性能就有很大的变化。深亚微米工艺对FPGA发展影响是非常深远巨大的，所以要设计出最切实际的解决方案。现根据其发展背景和形势可以预测:今后FPGA的设计技术一定会取得较大的发展和进步。
