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1、DSP原理与接口技术课程设计报告基于DSP开发板的语言信号滤波处理姓 名： 班 级： 09电信1 学 号： 2009305901 2009305901 2009305901 指导老师： 日期： 2012. XX.XX2012.XX.XX 华南农业大学工程学院 摘 要 通过语音传递信息是人类最重要、最有效、最常用、最方便的交换信息的方法，因此，如何去除混杂在有用信号中的噪声并获得低损甚至无损的有用语音信号成为语音信号处理（即用数字信号处理技术和语言学知识对语音信号进行处理并提取有用信息）至关重要的问题。但是因为语音识别技术对信号噪声非常敏感，系统本身和器件对系统的处理结果都有着不可忽视的干扰，因
2、此很难实现效果较好的语音信号滤波处理。而DSP因为运算速度快，片上资源丰富和能够实现复杂的线性和非线性算法等特性，在语音信号处理技术方面有明显的优势。虽然DSP自身在一定程度上也是语音信号干扰源，但综其上述良好特性，以及干扰源的不可避免性，我们选择用DSP实现语音信号滤波处理。 为了实现基于DSP开发板的语音信号滤波处理，我们对混杂噪声信号的有用信号音频进行时域和频谱分析，得出其频谱特性后，在软件编程方面，我们用汇编语言在CCS中设计出三个滤波器，分别是：低通滤波器、高通滤波器以及带通滤波器，同时实现A/D和D/A转换。在硬件方面，通过接口电路从电脑下载混杂噪声的有用音频，以及将程序下载到芯片
3、中。语音信号在硬件电路芯片上进行ADC转换变为数字信号，通过滤波、压缩等变化滤去噪声之后再进行DA转换返回模拟语音信号并从硬件电路输出。从而实现DSP的语音信号滤波处理。 关键词: 语音信号处理 滤波 DSP39目 录1 方案比较与选择1.1 方案目标 基于DSP开发板，在CCS中用汇编语言设计一个滤波器，运用该滤波器能将混杂有高频噪声的歌声中的噪声信号去除。滤波的整个过程通过DSP开发板上实现，并且要满足以下要求： 1、根据被处理对象设置滤波器参数；2、该滤波器要用汇编语言实现；3、待处理语音信号采集通过开发板上的信号采集模块输入；4、所设计的滤波器能滤除语音信号中的高频噪声；5、实现滤除噪
4、声功能后，能在电脑上显示滤波器的频谱；6、通过开发板上的语音模块播放处理后的语音信号；我们组将合成信号（混有高频噪声与有用的歌曲信号）通过DSP开发板的耳机输入接口输入TMS320VC5416芯片，该音频信号的时域波形和频域波形如图1、图2、图3、图4所示：图1 混合时域波形（1）图2 混合时域波形（2）图3 混合时域波形（3）图4 混合频域波形 通过滤波器对高频噪声的滤除后，理想情况下的有用信号输出时域波形和频域波形如图5、图6所示：图5 理想结果时域图6 理想结果频域而被滤除的高频噪声信号的时域波形和频域波形则分别如图7、图8所示：图7 噪声时域图8 噪声频域1.2方案选择1.2.1 滤波
5、器选择A.IIR数字滤波器IIR数字滤波器具有无限的脉冲响应，具有如下特点：1. IIR数字滤波器的系统函数可以写成封闭函数的形式；2. IIR数字滤波器采用递归型结构；3. IIR数字滤波器在设计上可借助成熟的模拟滤波器的结果；4. IIR数字滤波器需要加相位校准网络； IIR数字滤波器的相位特性不好控制，当对相位要求较高的时候，需要外加相位校准网络。由于IIR数字滤波器采用递归型结构，结构上带有反馈回路，在运算的舍入处理过程中，会使误差不断累积，致使有时会产生微弱的寄生振荡。但是在设计上，IIR数字滤波器能借助成熟的模拟滤波器结果，如巴特沃斯、契比雪夫等，因有现成的设计数据或图表可以查阅，
6、使设计工作量相对比较小，对计算工具的要求也不高。B.FIR滤波器FIR滤波器为有限长单位冲激响应滤波器，是数字信号处理系统中最基本的原件，它能够保证任意幅频特性的同时又具有严格的线性相频特性，与此同时，它的单位抽样响应是有限长的，因此，FIR滤波器是稳定的系统。它具有如下特点：1. FIR滤波器系统的单位冲激响应h(n)在有限个n值处不为零；2. FIR滤波器的系统函数H（z）在|z|0处收敛，极点全部在z=0处，是因果系统；3. FIR滤波器在结构上主要为非递归结构，没有输出到输入的反馈；FIR滤波器能够在DSP芯片中实现，DSP芯片中有专用的数字信号处理函数可以调用，因此，在DSP芯片中，
7、FIR滤波器的实现相对简单。但是由于程序是顺序执行的，它的速度会受到限制。1.2.2 DSP芯片选择 A.TMS320C5402 TI公司第五代16bit定点DSP处理器，它适用于语音通信等实施嵌入应用场合，其特性为：操作速度可以达100MIPS；先进的多总线结构；整合维特比加速器；数据/程序寻址从、空间为1M16bit，内置4K16bit的ROM和16K16bit的RAM；内置可编程等待状态发生器、锁相环（PLL）时钟产生器、两个多通道缓冲串口、两个16位定时器，与C54X系列的其他芯片相比，C5402具有高性能，低功耗和低价格等特点，它采用6级流水线，而且当RPT（重复指令）有效时，一些多
8、周期的指令就编程单周期的指令；芯片内部RAM和ROM可以根据PMST寄存器中的OVLY和DROM位灵活设置，这些都是有利于算法的优化。 B.TMS320VC5416 TMS320VC5416芯片的运行速度为160M，具有低功耗设计；其工作速度可以高达160MIPS；它的片内RAM存储空间为128K16Bit；而其扩张的2路6bitA/D接口TLV0832的最大采样速率为20K；具有2路的TLC7528D/A转换，10M/S,8Bit；具有UAET串行接口，符合RS232标准；有8M bit的扩展Flash，能存储大量固化程序和数据；设计配置有用户可以自定义的开关盒测试指示灯，方便用户进行调试；
9、4组标准化扩展连接器，为用户进行二次开发提供条件；具有能与IEEE1149.1相兼容的仅用于测试和仿真的逻辑扫描电路；+5V电源输入，内部为+3.3V、+1.6V电源管理；四层板设计工艺，工作稳定可靠；具有自启动功能设计，可以实现脱机工作；可以选配多张应用接口板，包括USB板。1.3方案选择1.3.1 滤波器选择在很多实际应用中如语音和音频信号处理中，常用数字滤波器来实现选频功能。因此，应将频域中的幅度和相位响应设为选频功能的指标。在通带中，线性相位响应常是被希望的，但精确的线性相位在FIR滤波器中可以得到，而在IIR滤波器中通带的相位却不可能得到的。在幅度指标的考量方面，IIR数字滤波器的设
10、计和模拟滤波器的设计有着紧密的联系，通常是在设计出适当的模拟滤波器后，再通过一定的频带变换把它转换成为所需要的数字IIR滤波器。此外，任何数字信号处理系统中也还不可避免地用到模拟滤波器，比如A/D变换器前的抗混叠滤波器及D/A转换后的平缓滤波器，因此模拟滤波器设计也是数字信号处理中应当掌握的技术。从性能上来说，IIR数字滤波器传递函数包括零点和极点两组可调因素，对极点的唯一限制是在单位圆内。因此可用较低的阶数获得高的选择性，所用的存储单元少、计算量小、效率高。但是这个高效率是以相位的非线性为代价的。IIR数字滤波器的选择性越好，则相位非线性越严重。因为在计算量相等的情况下，虽然IIR 数字滤波
11、器比FIR滤波器的幅频特性优越，频率选择性也好，但是它有着致命的缺点：相位特性不好控制。它的相位特性是非线性函数。例如双线性变换法产生的IIR 滤波器模拟指标的频率与数字化指标的频率转换关系是 ，这是使频率产生严重的非线性的原因，这种W与w的非线性关系，使数字滤波器与模拟滤波器在响应与频率的对应关系上发生了畸变。而FIR滤波器传递函数的极点是固定在原点，是不能动的，它只能靠改变零点位置来改变它的性能，所以要达到高的选择性，必须用高的阶数，对于同样的滤波器设计指标，FIR滤波器所要求的阶数可能比IIR滤波器高5-10倍，结果成本高信号延时也较大，如果按线性相位要求来说，则IIR滤波器就必须加全通
12、网络进行相位校正，但是，在对程序运行周期数要求十分严格的DSP处理中加上一个全通均衡器是十分浪费资源的，另外即使加上全通均衡器 对于因果的IIR 滤波器仍将得不到线性的相位，反而会大大增加了滤波器的阶数和复杂性。而FIR滤波器却可以在幅度特性随意设计的同时保证精确严格的线性相位。FIR滤波器的这一特点在现代电子系统中诸如图像处理数据传输等波形传递系统中都越来越多的要求信道具有线性相位特性的情况下，成为了FIR滤波器独特的优点。另外，从结构上看，IIR滤波器必须采用递归结构来配置极点，并保证极点位置在单位圆内。由于有限字长效应，运算过程中将对系数进行舍入处理，引起极点的偏移，这种情况有时会造成稳
13、定性问题，甚至造成寄生振荡。相反，FIR滤波器只要采用非递归结构，不论在理论上还是实际的有限精度运算中都不存在稳定性问题，因此造成的频率特性误差也较小。此外FIR滤波器可以采用快速傅立叶变换算法，在相同的阶数条件下运算速度可以快的多。因此，我们小组选择FIR滤波器进行后续的语音信号滤波处理。1.3.2 DSP芯片选择 综合分析TMS320C5402芯片和TMS320VC5416的功能特点，在同样具有低功耗、高稳定性的条件下，TMS320C5402芯片具有先进的多总线结构，能整合维特比加速器，同时它采用6级流水线，使工作能同时进行，工作速率提高，其芯片内部RAM和ROM可以根据PMST寄存器中的
14、OVLY和DROM位灵活设置等有利于算法的优化，并且价格较低，适合于学生进行开发。但是，TMS320VC5416芯片具有更高的运行速度，是目前为止，C54X系列产品中最快的，其速度是C5410的1.6倍，其内部空间更大，是C5410的2倍。同时配置有较大的ROM能存储大量的固化程序和数据，有利于运行速度的提升和减少因处理数据量太大而死机的可能，能处理信息量的音频信号。TMS320VC5416芯片配置有用户可以自定义的开关盒测试指示灯和4组标准化扩展连接器，为用户调试和进行二次开发提供便利条件，此外，它能够选配诸如USB接口的应用接口板，便于与电脑进行数据交换。 因此，我们小组选择TMS320V
15、C5416芯片来进行开发。2 硬件电路概述2.1 DSP开发系统 通用DSP开发系统的三大要素为：1.界面友好、调试方便、具有图形显示功能以及能对程序问题快速定位的开发软件；2.与PC机接口方便、与目标板连接方便、硬件可靠以及通用性好的开发系统；3.具有流行DSP芯片、具有A/D、D/A等丰富外围接口、扩展方便意见实验软件丰富的目标板；此处仅对开发系统以及目标板进行具体描述。2.2 开发系统 在这次语音信号滤波处理设计中，我们小组采用ICETEK-5100PP系列开发系统，其外观图如图9所示: 图9 ICETEK-5100PP开发系统外观图其各部件的说明如下：a.仿真头：JTAG接口，其各管脚定义如图10所示：图10 JTAG管脚定义b.仿真头：MPSD接口，其各管脚定义如图11所示:图11 MPSD仿真接口各管脚定义c.开发系统电源接口d.并口电缆e
