【正文】 FIR 濾波器通常采用窗函數(shù)方法來設(shè)計(jì)。 FIR 濾波器是有限長單位沖激響應(yīng)濾波器，它具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：語音信號的采集與輸入 對采集的語音信號A/D 轉(zhuǎn)換 DSP 信號處理器 設(shè)計(jì) FIR 濾波器編寫 DSP 程序 對濾波后的語音信號D/A 轉(zhuǎn)換 回放語音信號 基于 FIR的語音信號濾波 第 3 頁 共 22 頁 (1)可以在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時(shí)，保證精確、嚴(yán)格的線性相位；避免被處理的信號產(chǎn)生相位失真，這一特點(diǎn)在寬頻帶信號處理、陣列信號處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)中非常重要； (2)由于 FIR 濾波器的 單位脈沖響應(yīng) h(n)是有限長序列，因此 FIR 濾波器沒有不穩(wěn)定的問題； (3)由于 FIR 濾波器一般為非遞歸的結(jié)構(gòu)，因此在有限精度運(yùn)算下，不會出現(xiàn)遞歸結(jié)構(gòu)中極性震蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象，誤差較小。 FIR 濾波器是有限長單位沖激響應(yīng)濾波器 ,在結(jié)構(gòu)上是非遞歸型的。如下圖 1 所示為本題目的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。 其中語音信號的采集與回放是采用 TLV320AIC23 芯片，對語音信號進(jìn)行 A/D， D/A 轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對語音信號的數(shù)字處理與回放。 三、課程設(shè)計(jì) 要求： 使用 Matlab 對 FIR 濾波器的設(shè)計(jì)； 編寫 FIR 濾波處理的 DSP 程序，查看并記錄處理后的信號頻譜； 通過 D/A 實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，回放處理后的聲音； 正確 、完整的 闡述設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ； 繪制程序的流程圖，并文字說明 。培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，以及團(tuán)隊(duì)合作能力。 基于 FIR的語音信號濾波 第 1 頁 共 22 頁 目的、內(nèi)容和要求 一、 課程設(shè)計(jì) 目的 ： 通過本次課程設(shè)計(jì) ，要求學(xué)生對 DSP 這門課程所學(xué)的基礎(chǔ)知識、理論加以理解，學(xué)以致用。 初步培養(yǎng)學(xué)生對工程設(shè)計(jì)的獨(dú)立工作能力，掌握電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法。 二、 課程設(shè)計(jì) 內(nèi)容 ： 通過 DSP 處理器通過 A/D 采集音頻信號，在 CCS 軟件中分析音頻信號的頻譜圖，使用 Matlab 設(shè)計(jì)相應(yīng)的 FIR 數(shù)字濾波器（低通 ）并得到濾波器 H(z)的系數(shù)，然后根據(jù)這些系數(shù)，編寫 DSP 程序（ C 語言或匯編）對已采集信號進(jìn)行處理，最后在 CCS 軟件中得到處 理后音頻信號的頻譜圖，比較濾波前后信號的頻譜圖。 基于 FIR的語音信號濾波 第 2 頁 共 22 頁 2 設(shè)計(jì) 基本 原理 及軟件簡介 設(shè)計(jì)總體方案 本題目 通過 DSP 處理器通過 A/D 采集音頻信號，在 CCS 軟件中分析音頻信號的頻譜圖，使用 Matlab 設(shè)計(jì)相應(yīng)的 FIR 數(shù)字濾波器（低通 ）并得到濾波器 H(z)的系數(shù)，然后根據(jù)這些系數(shù)，編寫 DSP 程序（ C 語言或匯編）對已采集信號進(jìn)行處理，最后在 CCS軟件中得到處理后音頻信號的頻譜圖，比較濾波前后信號的頻譜圖。 DSP 芯片主要是將轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號的語音信號用 DSP 算法對其進(jìn)行處理，并將處理后的信號傳送到輸出端。 圖 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 FIR 濾波器的原理及特點(diǎn) 數(shù)字濾波器有兩類： IIR 數(shù)字濾波器和 FIR 數(shù)字濾波器。它可以在幅度特性隨意設(shè)計(jì)的同時(shí) ,保證精確嚴(yán)格的線性相位。 FIR 濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （ 21） 式中： N 為 FIR 濾波器的抽頭數(shù)； x(n)為第 n 時(shí)刻的輸入樣本； h(i)為 FIR 濾波器第i 抽頭系 數(shù)。窗設(shè)計(jì)的基本思想是，首先選擇一個適當(dāng)?shù)睦硐脒x頻濾波器（它總是具有一個非因果，無限持續(xù)時(shí)間脈沖響應(yīng)），然后街區(qū)（加窗）它的脈沖響應(yīng)得到線性相位和因果 FIR 濾波器。 為了從 hd(n)得到一個 FIR 濾波器，必須同時(shí)在兩邊截取 hd(n)。 設(shè)計(jì)軟件簡介： MATLAB 介紹： MATLAB 是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè) 數(shù) 學(xué)軟件 ，用于算法 開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及 數(shù)值計(jì)算 的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。 MATLAB 的 基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件 的優(yōu)點(diǎn)，使 MATLAB 成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件?？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序 導(dǎo)入到 MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶直接進(jìn)行下載就可以用。 CCS 有兩種工作模式： 即軟件仿真器模式和硬件在線編程模式 ，其軟件仿真器模式可以脫離 DSP 芯片，在 PC 機(jī)上模擬 DSP 的指令集和工作機(jī)制用于前期算法的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試；其硬件在線編程模式，可以實(shí)時(shí)運(yùn)行在 DSP 芯片上，與硬件開發(fā)板組合在線編程和調(diào)試應(yīng)用程序。 基于 FIR的語音信號濾波 第 5 頁 共 22 頁 3 設(shè)計(jì)的步驟和過程 語音信號的錄放 在選擇模轉(zhuǎn)換芯片型號時(shí)，需要考慮 A/D 的轉(zhuǎn)換精度、采樣速率以及芯片的工作電壓和接口電壓。根據(jù)這次設(shè)計(jì)要求，選擇的芯片是 TI 公司的 TLV320AIC23 芯片。 通過實(shí)驗(yàn)箱和仿真軟件 編程來實(shí)現(xiàn)語音的錄放，并采集語音信號。 FIR 濾波器的 Matlab 設(shè)計(jì) fir1 就是采用經(jīng)典窗函數(shù)法設(shè)計(jì)線性相位 FIR 數(shù)字濾波器的函數(shù)，且具有標(biāo)準(zhǔn)低通，帶通，高通 ,帶阻等類型。ftype39。 常用的窗函數(shù)有矩形窗、三角形 （ Bartlett） 窗、漢寧（ Hanning） 窗、哈明 （ Hamming） 窗、布萊克曼 （ Blackman） 窗、凱澤 （ Kaiser） 窗等。其具體操作流程為： 把 Hd( ?je )展成 Fs，得 Hd(n)； 對 Hd(n)自然截短到所需的長度； 將截短后 Hd(n)的右移 M個采樣間隔，得 h(n)； 將 h(n)乘以合適的窗口，即得所要濾波器的沖擊響應(yīng)，窗函數(shù)以 n=M 對稱。 如下公式 W( e ?j )為矩形窗頻譜函數(shù)， ： w(? )為矩形窗幅度函數(shù)存在如下關(guān)系； W( e ?j )=w(? )e ??j? 式中 ： w(? )=sin( 2/N? )/sin( 2/? ) 2/1??N? （ 32） 基于 FIR的語音信號濾波 第 6 頁 共 22 頁 FIR 濾波器的 DSP 實(shí)現(xiàn)方案 圖 3 DSP 系 統(tǒng) 構(gòu)成 的濾波器 如上圖 3 所示 DSP 系統(tǒng)構(gòu)成的濾波器，其中的輸入信號可以是麥克風(fēng)輸出的語音信號、電話線的已調(diào)數(shù)據(jù)信號，可以是編碼后在數(shù)字鏈路上傳輸或存儲在計(jì)算機(jī)里的攝像機(jī)圖像信號等輸入號。之后輸入 DSP 芯片的是以抽樣形式表示的數(shù)字信號， DSP 芯片對輸入信號行處理，如進(jìn)行一系列的 累 乘累加操作，最后經(jīng)過處理后的數(shù)字樣值經(jīng) D/A 換成為模擬樣值再經(jīng)過內(nèi)插和平滑濾波就得到了連續(xù)的模擬波形 。該芯片兼容 TMS320LF2407 指令系統(tǒng) 最高可在 150MHz 主頻下工作，并帶有18K16 位 0 等待周期片上 SRAM 和 128K16 位片上 FLASH。 另外，該器件還有 3個獨(dú)立的 32位 CPU定時(shí)器，以及多達(dá) 56個獨(dú)立編程的 GPIO 引腳，可外擴(kuò)大于 1M16 位程序和數(shù)據(jù)存儲器。 TMS320F2812 芯片具有如下功能； (1)在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； (2)程序和數(shù)據(jù)空間分離，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù) 。 (5)具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器可以并行執(zhí)行多個操作； (6)支持流水線操作，使取值、譯碼、和執(zhí)行等操作可重疊執(zhí)行 TLV320AIC23 芯片介紹 TLV320AIC23 是 TI 公司推出的一款高性能立體聲音頻編解 碼器，內(nèi)置耳機(jī)輸出 放大器 ，支持 mic 和 line in 二選一的輸入方式。TLV320AIC23 的模 /數(shù) 轉(zhuǎn)換器 (ADC)和數(shù) /模轉(zhuǎn)換器 (DAC)集成在芯片內(nèi)部．采用先進(jìn)的? ? 過采樣技術(shù)．可以在 8kHz 至 96kHz 的采樣率下提供 16bit、 20bit、 24bit 和 32bit的 采樣數(shù)據(jù) 。同時(shí) 。節(jié)電模式為 15μw)。 基于 FIR的語音信號濾波 第 8 頁 共 22 頁 程序調(diào)試結(jié)果 啟動 CCS，輸入實(shí)驗(yàn)程序代碼，進(jìn)行編譯并加載到 DSP 中。先打開項(xiàng)目，然后編譯、加載實(shí)驗(yàn)程序，然后點(diǎn)擊菜單 debug— Go main 就進(jìn)入預(yù)先編譯的實(shí)驗(yàn)程序 然后打開波形觀察窗口，路徑是 View— Graph— Time/Frequence，將顯示類型，圖形名稱，起始地址，抽樣點(diǎn)數(shù)，數(shù)據(jù)類型等分別進(jìn)行設(shè)置如下圖 5 所示。同理要觀察頻域的原始波形和濾波后的波形，也按上述步驟操作，其波形觀察窗口如下圖 7 所示，其中 PC 指原始 的時(shí)域 信號的 經(jīng)過傅里葉變換所得到的頻域波形， PD 指濾波后的時(shí)域信號的經(jīng)過傅里葉變換所得到的頻域波形，其波形輸出圖如圖 8所示。 圖 5 設(shè)置時(shí)域各項(xiàng)參數(shù) 基于 FIR的語音信號濾波 第 9 頁 共 22 頁 圖 6