【正文】 DSP課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 自動(dòng)化0804 姚笑菲 08212116DSP課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告語(yǔ)音噪聲濾波院（系）：電子信息工程學(xué)院 班級(jí)： 自動(dòng)化0804 姓名： 姚笑菲 學(xué)號(hào)： 08212116 指導(dǎo)教師： 楊恒 目錄一、實(shí)驗(yàn)背景 3二、設(shè)計(jì)要求 3三、設(shè)計(jì)思路 3四、算法原理 4直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)DMA 4A/D和D/A轉(zhuǎn)換器 6FIR濾波器算法 6LMS算法 7利用DSP產(chǎn)生回波 8利用自適應(yīng)濾波實(shí)現(xiàn)回波對(duì)消 9五、用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)LMS算法 11六、用MATLAB設(shè)計(jì)FIR濾波器 15七、程序設(shè)計(jì) 17主程序（） 17中斷服務(wù)程序（） 22鏈接命令文件（） 24中斷向量表（） 26八、程序調(diào)試 30九、結(jié)果分析 31十、感想 40一、實(shí)驗(yàn)背景我們的日常生活中離不開(kāi)語(yǔ)音通信，如接打電話、收聽(tīng)音樂(lè)等。語(yǔ)音通信的過(guò)程主要分為三個(gè)部分，即發(fā)送部分——將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)發(fā)送端設(shè)備變換為適合傳輸?shù)男问桨l(fā)送出去；傳輸部分——通過(guò)傳輸信道將電信號(hào)進(jìn)行傳輸；接收部分——經(jīng)接收端設(shè)備恢復(fù)出原來(lái)的語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)耳機(jī)或者喇叭轉(zhuǎn)換為接收者可以聽(tīng)到的聲音信號(hào)。但是由于環(huán)境的原因，我們采集到語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)常含有不同程度的噪聲。與語(yǔ)音通信系統(tǒng)的三個(gè)部分相對(duì)應(yīng)，語(yǔ)音通信系統(tǒng)中的噪聲一般也來(lái)自三個(gè)方面：一是信號(hào)發(fā)送端空間環(huán)境中的音頻噪聲信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)變換為電信號(hào)之后，與有用信號(hào)其同傳遞到接收端；二是信號(hào)接收端空間環(huán)境中的音頻噪聲對(duì)信號(hào)接收者的影響；三是信號(hào)處理設(shè)備產(chǎn)生的電噪聲及傳輸信道中的電噪聲。當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)受到背景噪聲干擾而使語(yǔ)音通信質(zhì)量變得不可接受時(shí)，要對(duì)語(yǔ)音信號(hào)中的噪聲進(jìn)行濾除，也就是本次實(shí)驗(yàn)要完成的語(yǔ)音噪聲濾波。二、設(shè)計(jì)要求基本部分：（1） 對(duì)DMA進(jìn)行初始化；（2） 對(duì)A/D、D/A進(jìn)行初始化；（3） 編寫(xiě)DMA中斷服務(wù)程序和濾波算法程序，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的實(shí)時(shí)濾波；發(fā)揮部分：（1） 使用DSP產(chǎn)生帶回波的語(yǔ)音信號(hào)；（2） 利用自適應(yīng)濾波實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的回波對(duì)消。（3） 比較采用不同窗和階數(shù)時(shí)濾波器的濾波效果；（4） 測(cè)試所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻特性和相頻特性，并與MATLAB下的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較。三、設(shè)計(jì)思路首先利用DSP的DMA方式對(duì)外部含噪聲的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，語(yǔ)音信號(hào)先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用MCBSP的接收寄存器接收數(shù)據(jù)。編寫(xiě)濾波算法程序，或調(diào)用DSPLIB中的濾波函數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。濾波后的數(shù)據(jù)利用DMA方式送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。設(shè)計(jì)流程框圖如下：上電復(fù)位A/D和D/A初始化DMA通道初始化DMA方式接收A/D數(shù)據(jù)等待DMA接收中斷信號(hào)濾波信號(hào)經(jīng)D/A輸出主程序中斷服務(wù)程序模式選擇模式0普通濾波模式1自適應(yīng)濾波加有噪聲色語(yǔ)音信號(hào)由DSK板的MIC端口輸入，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后到達(dá)DSP的DMA通道2，DSP接收到信號(hào)后調(diào)用中斷服務(wù)程序進(jìn)行濾波，可選擇濾波模式進(jìn)行不同種類(lèi)的濾波，濾波后的信號(hào)在CCS上顯示，或通過(guò)DMA通道3將信號(hào)輸出到D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后從SPEAKER端口輸出。四、算法原理直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)DMA直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（Direct Memory Access）是C54x DSP非常重要的片上外設(shè)，DMA控制器可以在不影響CPU的情況下完成數(shù)據(jù)的傳輸，因此數(shù)據(jù)傳輸速度快，在要求信號(hào)實(shí)時(shí)采集和處理的系統(tǒng)中常采用DMA方式進(jìn)行信號(hào)采集和傳輸。C5402有6個(gè)可獨(dú)立編程的DMA通道，每個(gè)DMA通道受各自的5個(gè)16位寄存器控制：源地址寄存器DMSRC、目的地址寄存器DMDST、單元計(jì)數(shù)寄存器DMCTR、同步事件和計(jì)數(shù)寄存器DMSFC、發(fā)送模式控制寄存器DMMCR。目的地址寄存器DMDST規(guī)定DMA要傳送數(shù)據(jù)目的地址和首地址。單元計(jì)數(shù)寄存器DMCTR規(guī)定DMA傳送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)為DMCTR寄存器的值加1。同步事件和幀計(jì)數(shù)寄存器DMSFC規(guī)定DMA傳送數(shù)據(jù)的同步事件類(lèi)型和傳送一塊數(shù)據(jù)所含幀信號(hào)的個(gè)數(shù)。發(fā)送模式控制寄存器DMMCR規(guī)定DMA通道的傳輸模式，當(dāng)DMA工作在自動(dòng)初始化模式時(shí)，CPU在一個(gè)DMA事件完成后自動(dòng)裝載下一個(gè)DMA初始化設(shè)置并繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。DINM位和IMOD位設(shè)置DMA中斷產(chǎn)生方式。CTMOD位設(shè)置發(fā)送計(jì)數(shù)模式控制，CTMOD位為0時(shí)，DMA工作在多幀模式，CTMOD位為1時(shí)，DMA工作在自動(dòng)緩沖ABU模式。SIND位和DIND位用來(lái)設(shè)置源地址和目的地址的自動(dòng)調(diào)整方式。此外，DMA的6個(gè)通道還受通道優(yōu)先級(jí)和使能控制寄存器DMPREC控制。本實(shí)驗(yàn)利用DMA通道2與MCBSP1通道結(jié)合來(lái)讀取A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，利用DMA通道3與MCBSP1通道結(jié)合來(lái)將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至D/A轉(zhuǎn)換器。選擇MCBSP1通道的接收寄存器DRR11（41H）為DMA傳送數(shù)據(jù)的首地址，并選擇DMA源地址工作在不調(diào)整方式，選擇MCBSP1接收事件為DMA同步事件，以實(shí)現(xiàn)DMA和MCBSP的結(jié)合。A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)按MCBSP1的設(shè)置被傳送到DSP內(nèi)部接收寄存器DRR11中，再由DMA通道2將DRR11中的數(shù)據(jù)讀到指定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)INPBUFFER中完成數(shù)據(jù)采集。DMA在傳送外部來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)影響CPU的正常運(yùn)行，當(dāng)DMA通道2采集完一組數(shù)據(jù)后產(chǎn)生一個(gè)DMA中斷事件中斷CPU，來(lái)通知CPU對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，此時(shí)DMA通道2可以按照設(shè)定繼續(xù)采集下一組數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與CPU處理的并行操作。當(dāng)一組數(shù)據(jù)處理完成后，將數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)OUTBUFFER中，選擇OUTBUFFER為DMA通道3的首地址，并選擇源工作地址工作在不調(diào)整方式。選擇MCBSP1通道的發(fā)送寄存器DXR11（43H）為DMA通道3傳送數(shù)據(jù)的目的地址，并選擇DMA源地址工作在不調(diào)整方式，選擇MCBSP1接收事件為DMA同步事件，以實(shí)現(xiàn)DMA和MCBSP的結(jié)合。在CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中。在這兩個(gè)頭文件中，定義了DMA的寄存器資源、使用方法和DMA寄存器的地址和基本訪問(wèn)方式，以及寄存器的各個(gè)比特域和訪問(wèn)方法，因此需要進(jìn)行C源程序的開(kāi)始處包含這兩個(gè)頭文件。輸入信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，利用DMA通道2進(jìn)行傳輸進(jìn)入DSP處理，而濾波后的信號(hào)輸出利用了DMA通道3進(jìn)行傳輸進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器等輸出，因此需要對(duì)DMA通道2和通道3進(jìn)行初始化配置。詳細(xì)的DMA初始化程序請(qǐng)見(jiàn)后面的程序清單。A/D和D/A轉(zhuǎn)換器A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小，所以任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。A/D轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒔邮盏恼Z(yǔ)音信號(hào)（模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，供CPU進(jìn)行處理。D/A轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路。實(shí)現(xiàn)原理就是將輸入的二進(jìn)制代碼按其權(quán)值的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將所有的模擬量相加，使其與數(shù)字量成正比。D/A轉(zhuǎn)換器能夠?qū)?shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音信號(hào)送SPEAKER端口輸出。要使用A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，必須首先對(duì)A/D和D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化設(shè)置，即設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器的工作模式（15+1bit模式，16bit模式）、輸入增益（0dB,6dB,12dB）以及抽樣頻率（8000Hz,16000Hz）等。FIR濾波器算法數(shù)字濾波器原理一般具有如下差分方程:y(n)=∑akx(nk)+ ∑bky(nk) （1）式中x(n)為輸人序列，y(n)為輸出序列，ak和bk為濾波器系數(shù)，,N是濾波器階數(shù)。當(dāng)所有的bk均為零時(shí)，則有y(n)= ∑akx(nk) （2）(2)式是FIR濾波器的差分方程，其一般形式為y(n)= ∑h(k)x(nk) （3）對(duì)(3)式進(jìn)行z變換，整理后可得FIR濾波器的傳遞函數(shù):H(z)= ∑h(k)zk （4）FIR(Finite Impulse Response)濾波器，即有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器，是指系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)h[k]僅在有限范圍內(nèi)有非零值的濾波器。FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法和頻率抽樣設(shè)計(jì)法，其中窗函數(shù)法是基本而有效的設(shè)計(jì)方法。下面為FIR濾波器的算法實(shí)現(xiàn)方法。FIR濾波為有限沖擊響應(yīng)濾波，其濾波結(jié)構(gòu)是一個(gè)分節(jié)的延時(shí)線，每節(jié)的輸出加權(quán)累加,得到濾波器的輸出。由前面的分析知，F(xiàn)IR濾波器數(shù)學(xué)上可表示為:y(n)= ∑h(k)x(nk) （5）式（5）中 x[n]為最近(t=nT)的輸人信號(hào)，x[nk]是延時(shí)了k個(gè)取樣周期的輸人信號(hào)，h[k]是第k個(gè)延時(shí)的加權(quán)值(即濾波器系數(shù))，可由MATLAB設(shè)計(jì)出來(lái)，y[n]是時(shí)刻t=nT時(shí)濾波器的輸出信號(hào)，N是濾波器的階數(shù)也稱(chēng)濾波器的抽頭數(shù)，為實(shí)整數(shù)，且須滿足N*t1/fs，其中fs為采樣頻率。因?yàn)樵摓V波器的沖激響應(yīng)在N個(gè)周期后變?yōu)?也就是每次乘加運(yùn)算都要用到之前N個(gè)數(shù)。濾波器系數(shù)可通過(guò)MATLAB設(shè)計(jì)得到。 LMS算法LMS(leastmeansquare)算法，即最小均方算法，是由Widrow和Hof在1960年創(chuàng)建的，直到現(xiàn)在它還是應(yīng)用最廣泛的自適應(yīng)濾波算法。LMS算法是隨機(jī)梯度算法族中的一員。該算法在隨機(jī)輸入維納濾波器遞推計(jì)算中使用確定性梯度。LMS算法的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是它的簡(jiǎn)單性。此外，它不需要計(jì)算有關(guān)的相關(guān)函數(shù)，也不需要矩陣求逆運(yùn)算。事實(shí)上，正是因?yàn)長(zhǎng)MS算法的簡(jiǎn)單性，使得它成為其他自適應(yīng)濾波算法的參照標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)過(guò)程一起工作組成一個(gè)反饋環(huán)，如下圖所示。首先有一個(gè)橫向?yàn)V波器(圍繞它構(gòu)造LMS算法)，該部件的作用在于完成濾波過(guò)程。其次，有一個(gè)對(duì)橫向?yàn)V波器抽頭權(quán)值進(jìn)行自適應(yīng)控制過(guò)程的算法。橫向?yàn)V波器各部分的細(xì)節(jié)如下圖所示。抽頭輸入u(k),u(k1),……,u(kM+1)，其中M+1是延遲單元的個(gè)數(shù)，這些輸入張成一個(gè)多維空間。相應(yīng)的h0(k), h1 (k), ...， hm1（k)為抽頭權(quán)向量h(k)的元素。通過(guò)LMS算法計(jì)算這個(gè)向量所得的值表示一個(gè)估計(jì)，當(dāng)?shù)螖?shù)趨于無(wú)窮時(shí)，該估計(jì)的期望值可能接近維納最優(yōu)解,在濾波過(guò)程中，期望響應(yīng)d(k)與抽頭輸入向量z(k)一道參與處理。在這種情況下，給定一個(gè)輸入，橫向?yàn)V波器產(chǎn)生一個(gè)輸入，橫向?yàn)V波器產(chǎn)生一個(gè)輸出y(k)作為期望響應(yīng)d(k)的估計(jì)。因此，我們可把估計(jì)誤差e(k)定義為期望響應(yīng)與實(shí)際濾波器輸出之差，估計(jì)誤差e(k)與抽頭輸入向量z(k)都被加到自適應(yīng)部分，因此圍繞抽頭權(quán)值的反饋環(huán)是閉環(huán)的。利用DSP產(chǎn)生回波在打電話的過(guò)程中，常常能聽(tīng)見(jiàn)自己說(shuō)話的聲音在話筒里重復(fù)，實(shí)際上就是自己的聲音泄露到了接收系統(tǒng)中。在一些特定的系統(tǒng)中出現(xiàn)這種現(xiàn)象將會(huì)對(duì)信號(hào)的正常收發(fā)產(chǎn)生不利影響。因此，回聲在上述系統(tǒng)中會(huì)嚴(yán)重影響了通話的清晰度，多點(diǎn)回聲甚至?xí)鹜ㄓ嵕W(wǎng)之間聲音的振蕩。