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1、 基于FIR的语音信号滤波器 目录1绪论.12摘要.23课程设计的总体方案.3 3.1语音信号数字滤波器的原理.33.2硬件设计 .53.3总体设计图73.4对滤波后的语音信号程序设计思路. 84设计的详细原理. .94.1 DSP信号处理器与TLC320AD50接口电路的原理图.94.2语音信号的采集.104.3滤波器的选择.124.4 FIR 分布式算法原理.135设计滤涉及的歩骤和过程.145.1 FIR1函数.145.2 FIR滤波器的设计.155.3滤波器的DSP实现（CCS）.186设计程序的调试和运行结果.186.1观察滤波效果.186.2较滤波前后语音信号的波形及其频谱.197
2、心得与体会.218参考文献.229附录.231绪论数字滤波在图像处理、语音识别和模式识别等数字信号处理中占有重要地位。与模拟滤波器相比，数字滤波器可以满足滤波器幅度和相位特性的严格要求，可以克服模拟滤波器所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。有限冲激响应（FIR）滤波器可以保证严格的线性相位。同时由于其实现结构主要是非递归的，因此FIR 滤波器可以稳定工作。FIR 滤波器被广泛用于各类数字信号处理系统中实现卷积、相关、自适应滤波、正交插值等处理,对于非实时系统和低速采样系统,FIR 滤波器的运算可在CPU 或DSP 处理器上采用软件实现。数字处理器（DSP）有很强的数据处理能力，它在高速
3、数字信号处理领域有广泛的应用，例如数字滤波、音频处理、图像处理等。相对于模拟滤波器，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以达到很高，容易集成等。使用可编程的DSP芯片实现数字滤波可以通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性，本设计是通过利用TMS320VC54x DSP芯片设计实现FIR数字滤波器。一个实际的应用系统中,总存在各种干扰，所以在系统设计中,滤波器的好坏将直接影响系统的性能。使用DSP进行数字处理，可以对一个具有噪声和信号的混合信号源进行采样,再经过数字滤波,滤除噪声,就可以提取有用信号了。所以说，数字滤波器是DSP最基本的应
4、用领域，熟悉基于DSP的数字滤波器能为DSP应用系统开发提供良好的基础。2语音信号的数字滤波处理摘要根据数字滤波器冲激响应函数的时域特性。可将数字滤波器分为两种，即无限长冲激响应( IIR) 滤波器和有限长冲激响应(FIR) 滤波器。 FIR 滤波器冲激响应只能延续一定时间。其中FIR 滤波器很容易实现严格的线性相位，使信号经过处理后不产生相位失真，舍入误差小，稳定等优点。能够设计具有优良特性的多带通滤波器、微分器和希尔伯特变换器，所以在数字系统、多媒体系统中获得极其广泛的应用。FIR数字滤波器的设计方法有多种，如窗函数设计法、最优化设计和频率取样法等等。而随着MATLAB软件尤其是MATLA
5、B 的信号处理工具箱和Simulink 仿真工具的不断完善，不仅数字滤波器的计算机辅助设计有了可能而且还可以使设计达到最优化。关键词：FIR滤波器；CCS；DSP；D/A；3设计的总体方案3.1语音信号数字滤波器的原理利用DSP实现FIR滤波器的设计方法主要有窗函数法和频率抽样法，其中窗函数法是基本的设计方法，这里采用窗函数法设计FIR滤波器。设希望得到的滤波器理想响应为,那么FIR滤波器的设计就在于寻找一个传递函数去逼进，设这里就是傅立叶级数的系数。在这种逼近中，最直接的一种方法就是从单位脉冲响应入手，使逼近理想的单位脉冲响应。由于是一个无限长序列，因此，最简单的方法就是对做截尾处理，即得到
6、一个近似的传递函数上式中，Q就是最终确定FIR滤波器的阶数，Q越大，近似程度就越高。对截尾，实际上就是对乘上一个矩形窗口,即令z=,则其脉冲响应系数为，。为使具有因果性，延时Q个样值，可得：令n+Q=k，上式成为令,N=2Q,得式中，是脉冲响应系数，这里,。一般来说,FIR数字滤波器输出的Z变换形式与输入的Z变换形式之间的关系如下:实现结构如下图所示：x(n)h(2)h(1)h(0)h(N-1)h(N-2)y(n)Z变换结构图从上面的Z变换和结构图可以很容易得出FIR滤波器的差分方程表示形式，即对上式进行反Z变换得：上式为FIR数字滤波器的时域表示方法,其中x(n)是在时间n的滤波器的输入抽样
7、值，根据上式即可对滤波器进行设计。3.2硬件设计3.2.1、DSP芯片根据设计原理，实现的核心器件采用美国德州仪器公司生产的低功耗定点数字信号处理器芯片TMS320C5402。选择该芯片主要是因为它是目前最常用的低成本DSP芯片，而且包括以下主要特点：运算速度快，最快可达532MIPS；多总线结构，片内共有8 条总线（1条程序存储器总线、3条数据存储总线和4条地址总线）；CPU采用冯 诺依曼并行结构设计，使其能在一条指令周期内，高速地完成多项算术运算；片内集成了4K16bitROM和16K16bit的双存取RAM；丰富的片上外围电路（通用I/O 引脚，定时器，时钟发生器， HPI 接口，多通道
8、缓冲串行口McBSP）使其与外部接口方便；3.3V I/O电压，1.8V核点压，工作电流平均值为75mA，其中核45mA，I/O约30mA；144脚BGA封装，使体积减少，功耗降低。3.2.2、AD和DA电路在本数字滤波器系统中选择了TI公司的TLV1570芯片作为模数转换器件，8通道10位2.7到5.5 V低电压模数转换芯片。TLVl570在3V电压下的采样频率为625KSPS，输入信号最高频率不能超过300K。由于模数转换选择了10位器件，为了简化程序代码，减少DSP 的运算工作量，在本数字滤波器系统中选择了TI公司的TLV5608芯片，它是一款8通道10位2.7到5.5V低电压数模转换芯
9、片。3.2.3、电源电路根据DSP芯片工作的电压电流需求，及芯片采用双电源供电对加电顺序的要求，考虑使用TI公司的电源转换芯片TPS73HD318,其输出电压为一路3.3V、一路1.8V，每路电源的最大输出电流为750mA，能满足本系统的供电需求。而且TPS73xx具有非常低的静态电流，能使稳压器输出稳定。3.2.4、时钟电路C54xx系列的时钟端子为X1和X2/CLKIN，采用无源晶振提供时钟信号，由于DSP有一组端子可以用来调整其工作频率的高低，故对晶振频率大小的选定没有特别的要求，这里选用10Mhz的晶振。3.2.5、复位电路为了克服DSP系统因时钟频率较高导致在运行时可能发生的干扰和被
10、干扰的现象，最好是使用具有监视（Watchdog）功能的自动复位电路,于是采用专门的自动复位芯片MAX706。MAX706的电源为3.1V5.0V,低电平复位输出，复位门限为3.08V。3.2.6、未用端子处理根据使用DSP芯片的相关原则，以及芯片手册具体决定未用端子是接上拉电阻还是悬空。3.2.7、基于上述的各部分电路组成，可以得出DSP数字滤波器的整体硬件电路连线图，如下所示3.3总体设计图本题目通过DSP处理器控制TLC320AD50采集音频信号，在CCS软件中分析音频信号的频谱图，使用Matlab设计相应的IIR数字滤波器（低通、带通或带阻等滤波器中的一种）并得到滤波器H(z)的系数，
11、然后根据这些系数，编写DSP程序（C语言或汇编）对已采集信号进行处理，最后在CCS软件中得到处理后音频信号的频谱图，比较滤波前后信号的频谱图。其中语音信号的采集与回放是采用TLC320AD50芯片对语音信号进行A/D以及D/A转换，从而实现对语音信号的数字处理和语音回放；DSP芯片主要是将转化成数字信号的语音信号用DSP算法对其进行处理，并将处理后的信号送到输出端，图1.1为本题目设计的总体方案图。图3.3 总体方案设计图3.4对滤波后的语音信号程序设计思路在DSP进行数字滤波运算前首先要进行初始化，只有正确设置了DSP的初始状态才能保证芯片能正常运行。本系统主要进行以下两方面的初始化：寄存器
12、初始化：状态寄存器ST0、状态寄存器ST1、处理器模式控制寄存器PMST、软件等待状态寄存器SWWSR、组交换控制寄存器BSCR和时钟模式寄存器等。中断矢量表初始化：根据DSP芯片对各中断矢量的设置位置编写一个子程序；设置PMST控制寄存器；连接时将矢量表重定位到IPTR指定的地址。其次就是FIR 数字滤波的子程序设计，主要步骤如下：查询SPCR11寄存器的第二位，当为1时说明read ready，将DRR11的值读入AR3所指向的地址，该值为最新的采样值。将最新的采样值减去200h，然后AR3的值减1。执行MAC指令。将累加器的值送给变量Y，并将Y加上200h。查询SPCR20寄存器的第二位
13、，当为1时说明writeready，将Y值赋给DXR10，该值为滤波器输出值。循环执行上面步骤。2、程序流程图依据上述程序设计思路可以得到利用DSP实现FIR滤波器设计的程序流程图，如下图2.4.1 程序流程图4设计的步骤和过程4.1 DSP信号处理器与TLC320AD50接口电路的原理图图2.1给出了一种基于TMS320C54X数字信号处理芯片和TLC320AD50C模拟接口电路的语音处理系统方案, 这个系统可用于多种语音处理场合,通过修改程 序可达到不同的语音处理效果,具有良好的扩展性、灵活性和适应性等。图2.1 DSP信号处理器与TLC320AD50接口电路的原理图4.2语音信号的采集4.2.1 语音信号采集原理总体框架图数字信号处理器TMS320VC5410(以下简称DSP)是主要核心部分，它在控制TLC
