IIR低通数字滤波器在语音信号处理中的应用硬件.docx
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IIR低通数字滤波器在语音信号处理中的应用硬件
《DSP原理及应用》
课程设计
IIR低通数字滤波器在语音信号处理中的应用
一.课程设计题目
IIR低通数字滤波器在语音信号处理中的应用
二.课程设计目的
通过本课程设计教学所要达到的目的与任务是:
学生通过对课程设计任务的完成,进一步加深对DSP原理及应用课程的理解,锻炼学生的DSP硬件设计和软件编程能力,并且能够掌握和熟悉DSP的开发流程和基本的编程方法;加强学生的实际动手能力、分析问题和解决问题的能力;同时,由于设计中涉及到各种器件的使用,可以提高学生综合运用各种技术和知识的能力,为日后从事DSP系统设计方面的工作打下坚实的基础。
三.课程设计任务与技术指标
1、独立完成设计任务;
2、绘制系统硬件总框图(Visio)、给出所设计系统的技术指标;
3、绘制系统原理电路图;
包括电源设计、复位电路设计、时钟电路设计、JTAG接口设计等其它电路,用Protel软件绘制原理图和PCB图(最小系统);
4、编制软件框图和流程图(Visio);
5、完成软件详细程序清单和注释;
6、完成设计报告书。
四.课程设计基本要求
1、要充分认识课程设计对培养自己的重要性,认真做好设计前的各项准备工作。
2、既要虚心接受老师的指导,又要充分发挥主观能动性。
结合课题,独立思考,努力钻研,勤于实践,勇于创新。
3、独立按时完成规定的工作任务,不得弄虚作假,不准抄袭他人内容,否则成绩以不及格计。
4、要严格遵守学校的纪律和规章制度,学生有事离校必须请假。
课程设计期间,无故缺席按旷课处理;缺席时间达四分之一以上者,其成绩按不及格处理。
5、在设计过程中,要严格要求自己,树立严肃、严密、严谨的科学态度,必须按时、按质、按量完成课程设计。
6、小组成员之间,分工明确,但要保持联系畅通,密切合作,培养良好的互相帮助和团队协作精神。
7、实验仪器在使用前一定要仔细阅读使用说明书,严格按要求使用仪器设备,由于操作不当造成损坏学生负责。
8、学生所在组选出小组负责人,负责仪器及元器件的保管工作。
9、仪器以组为单位提交,说明书以个人为单位,并装入课程设计资料袋提交,答辩以组为单位。
五.课程设计进度安排
本课程设计一周(5天),可参考以下进度安排
序号
内容
基本要求
天数
1
收集文献资料
理解设计任务,查阅相关文献
1
2
确定设计方案
方案论证、比较,确定总体设计方案
0.5
3
单元电路设计
设计单元电路,计算参数,器件选择
1
4
程序设计与调试
编写初始化,读数,显示,补偿与滤波程序并调试
1
5
课程设计说明书
按课程设计指导书的要求,编写设计说明书
1.5
六.课程设计说明书书写内容及规范
1.说明书内容
1)封面
2)设计题目,任务指标
3)说明书摘要
4)关键词
5)目录
6)引言
7)总体设计方案
(1)设计方案论证
(2)方案的总体设计框图
8)单元电路设计,电路图(Protel),元器件图、功能参数分析
9)总体电路及相关说明
10)程序流程图,主程序及各子程序清单及调试说明(如有算法也要说明)
11)课程设计心得体会
12)参考文献
2.说明书书写规范
说明书采用WORD格式,正文以小四,宋体书写,标题加黑,字号适当加大,电路图采用Protel格式,认真检查,不得有错别字,文理要清楚,叙述要规范。
七.课程设计提交材料及答辩
课程设计需提交设计的仪器及说明书。
答辩以组为单位,包含现场测量演示,回答老师问题。
八、课程设计考核、成绩评定
按下列成绩评定方式进行成绩评定。
1、平时表现、出勤情况(10%)
2、文献收集、方案论证与方案设计、单元电路设计与参数计算等占20%
3、安装调试结果,是否满足基本要求的各项功能及技术指标占40%
4、课程设计说明书,层次清晰,结构合理,描述准确,图标规范占30%
IIR低通数字滤波器在语音信号处理中的应用
TheApplicationofIIRLow-passDigitalFilter
inVideoSignalProcessing
摘要:
数字滤波器在数字信号处理中有着广泛的应用。
数字滤波器既可以是有限长脉冲响应滤波器,也可以是无限长脉冲响应滤波器。
针对语音信号中的高频干扰的问题,本文利用Matlab的滤波器设计工具FDAtool设计了一种IIR低通数字滤波器,求得滤波器系数。
在CCS环境下编写了IIR滤波器C语言程序,实现滤波算法。
结果表明,滤波后通带内的信号保存完整,而高频干扰基本被滤除,滤波效果良好,具有一定的实用价值。
关键词:
Matlab;FDAtool;语音信号;IIR低通数字滤波器;DSP芯片;滤波算法
第一章绪论
语音是人类区别于其它动物的最显著的特点,是人类进行交流的传播媒体和获得信息的重要来源之一。
单从记录声音的设备来看就从一开始的回音壁、唱片的留声机、磁条的录音机到现在的数字化的MP3播放器,这其中的记录技术也一直在飞速的变化中。
语音处理在早期基本上全部采用模拟电路,但是由于数字化形式的记录和处理方式具有无可伦比的灵活性和方便性的优点。
在现代得到迅速的普及和发展,渐渐出现了数字化的专门芯片,从专用DSP芯片,到通用的DSP芯片,数字化的程度越来越高。
对语音的处理同样遵循着电子设备通常的发展方向,即模拟到数字,专一到通用,硬件到软件。
语音处理技术作为一项高新科技,涉及很多的学科,包括数字信号处理、模式识别等,现已成为开发人工智能,实现人机对话的重要手段。
对语音处理的基本理论及各种处理算法的研究主要包括两个方面:
一是从语音的产生和语音感知来研究;二是将语音作为一种信号进行处理,如数字滤波器等与语音信号处理有着紧密的联系。
第二章语音信号处理方案
1.语音信号采集。
录制一段不小于10s的语音片段并保存在计算机中。
2.语音信号分析。
使用Matlab对语音信号进行分析,用wavread()函数读入语音信号,绘出采样后语音信号的时域波形和频谱图。
3.含噪语音信号合成。
在Matlab软件平台下,给原始的语音信号叠加上噪声。
绘出叠加噪声后的语音信号时域和频谱图。
4.数字滤波器设计及滤波。
给定滤波器的性能指标,设计IIR的低通数字滤波器。
将滤波器对叠加噪声后的语音信号进行滤波处理,绘出滤波器的频域响应,绘出滤波后信号的时域波形和频谱。
5.回放语音信号。
对滤波后的语音信号进行回放,比较滤波前后语音信号的变化。
设计一电力线载波通信设备音频终端语音IIR低通数字滤波器。
性能要求:
频率低于2.0KHz时,通带波动小于0.5dB;频率大于2.16KHz时,阻带衰减大于60dB。
首先,利用Matlab提供的滤波器设计的专门工具箱FDAtool根据系统的性能指标设计IIR低通滤波器,得到滤波器的各项参数;然后,更改例程中滤波器参数,在DSP实验箱进行模拟,观察滤波前和滤波后的波形。
图2.1系统总体设计方案
第三章数字滤波器的设计原理
3.1数字滤波器概述
数字滤波器,是指输入、输出均为数字信号,通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的相对比例,或者滤除某些频率成分的数字器件或者程序。
数字滤波器从功能上分为:
低通、高通、带通和带阻滤波器。
从实现的网络结构或者单位脉冲响应长度分为:
无限脉冲响应(IIR)滤波器和有限脉冲响应(FIR)滤波器。
FIR滤波器没有极点,稳定性好,精度高,但是要达到高性能,需要许多系数,要做许多乘法操作,计算量大。
IIR滤波器结构简单,系数少,乘法操作少,效率高,易于计算机的辅助设计,但是它的不足之处是因为有极点,在设计时要注意其稳定性。
在本文的设计中,因为语音通信对相位的要求不敏感,所以选用IIR滤波器更为合适,可以充分发挥其经济高效的优点。
3.2数字滤波器设计原理
数字滤波就是讲输入的信号序列按规定的算法处理之后,得到所希望的输出序列的过程,一般具有如下差分方程:
其中,
为输入序列;
为输出序列;
和
为滤波器系数;
为滤波器的阶数。
如果
中至少有一个不为0,该式就是递归,即时刻
的输出不仅取决于
时刻的输入以及以前的
个出入,还要取决于以前的
个输出,此时该式为无限脉冲响应IIR滤波器的差分方程。
对上式,并令
,得到IIR滤波器的传递函数为:
转换为零极点表示为:
其中,
表示零点;
表示极点,只有所有极点都在Z平面单位元内时系统才会稳定。
3.3设计方法
从熟悉的模拟滤波器的频率响应出发,IIR滤波器的设计有两种方法:
第一种方法先设计模拟低通滤波器,然后通过频带变换而成为其他频带选择滤波器(带通、高通等),最后通过滤波器变换得到数字域的IIR滤波器。
第二种方法先设计模拟低通滤波器,然后通过滤波器变换而得到数字域的低通滤波器,最后通过频带变换而得到期望的IIR滤波器。
模拟滤波器原理(巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器)为了用物理可实现的系统逼近理想滤波器的特性,通常对理想特性作如下修改:
(1)允许滤波器的幅频特性在通带和阻带有一定的衰减范围,幅频特性在这一范围内允许有起伏。
(2)在通带与阻带之间允许有一定的过渡带。
数字滤波器设计步骤:
●根据技术指标,求得滤波器的阶数
。
技术指标包括通带截止频率
,通带衰减
,阻带截止频率
,阻带衰减
;
●求出归一化极点,得到归一化低通原型系统函数;
●去归一化,得到实际的滤波器系统函数
。
●设计出模拟低通滤波器,将模拟系统函数通过转换关系转化成数字系统函数
,这种转换有两种方法实现:
脉冲响应不变法和双线性变换法。
可以看出上述设计过程繁琐,Matlab为我们提供了专门仿真设计滤波器的工具箱FDAtool。
首先,通过FDAtool得到IIR低通数字滤波器的系数;然后在CCS环境下更改滤波器系数进行滤波算法,从而实现对叠加噪声后的语音信号的滤波处理。
第四章硬件电路
4.1DSP最小应用系统
TMS320F28335数字信号处理器是TI公司的一款C2000系列的浮点控制器,与以往的定点DSP相比,该器件的精度高,成本低,功耗小,性能高,外设集成度高,数据以及程序存储量大,A/D转换更精确快速等。
它采用内部1.8V或1.9V供电,外部3.3V供电,因而功耗大大降低,且主频高达150MHz,处理速度快,是需要浮点运算便携式产品的理想选择。
本文采用TMS320F28335作为主控芯片设计一个DSP最小应用系统。
一个典型的DSP最小系统包括DSP芯片(选用TMS320F28335)、电源电路、复位电路,时钟电路,另外DSP在下载时需要下载端口,因此还包括一个14引脚的JTAG仿真烧写口。
4.2系统组成
4.2.1电源设计
由TMS320F28335工作时所要求的电压分为两部分:
3.3V的Flash电压和1.8或1.9V的内核电压。
TMS320F28335对电源很敏感,因此使用TI公司的电压精度比较高的电源芯片TPS767D301或者TPS767D318。
TPS767D301芯片输入电压为+5V,芯片起振,正常工作之后,能够产生3.3V和1.9两种电压供DSP使用,电路原理图如下。
图4.1电源模块电路
4.2.2JTAG仿真接口
TMS320F28335采用IEEE标准协议和IEEE标准的测试接口和边界扫描结构的JTAG信号接口,以及两个扩展接口(EMUO和EMU1),该接口通过仿真器直接访问。
扫描仿真消除了传统电路仿真存在的电缆过长引起的信号失真及仿真插头的可靠性差等问题。
采用扫描仿真,使得在线仿真成为可能,给调试带来方便。
在实际设计过程中,考虑到JTAG下载口的抗干扰性,在与DSP连接的EMU0、EMU1端口必须通过4.7
的上拉电阻连接至电源,JTAG接口电路连接图如下。
图4.2JTAG接口电路
4.2.3时钟电路
TMS320F28335芯片提供了两种不同的时钟产生方案:
利用电路板上的内部振荡器或者利用外部时钟。
基本外部输入的时钟频率是在20~35MHz范围内。
芯片上的时钟锁相环(PLL)可以来倍频输入的时钟频率,最大倍频达到芯片的最大工作频率150MHz。
TMS320F28335芯片的内部振荡电路能够把晶振和X1、X2引脚直接相连,X1引脚通常是数字参考电压(VDD),X2引脚是内部振荡的输出。
如果引脚X2不用,必须悬空。
本文采用的内部振荡器,在X1和X2之间连接一个30MHz的石英晶体,系统通过编程选择5倍频的PLL功能,可实现F28335的最高工作频率(150MHz)。
图4.3时钟电路
4.2.4复位电路
复位采用上电复位电路,由电源器件给出复位信号。
一旦电源上电,系统便处于复位状态,当XRS为低电平时,DSP复位。
为使DSP初始化正确,应保证XRS为低电平并至少保持3个CLKOUT周期,同时在上电后,该系统的晶体振荡器一般需要100~200ms的稳定期。
一旦加电,其输出电压紧随输入电压,当输出电压达到启动RESET的最小电压时(温度为25℃时,其电压为1.5V),引脚RESET输出低电平,并且至少保持200ms,从而满足复位要求。
图4.4复位电路
4.2.5音频芯片与DSP连接电路
DSP的MCBSP多通道缓存串口与TLV320AIC23的数据口无缝连接,唯一要注意的地方是MCBSP的接收时钟和TLV320AIC23的BCLK都由MCBSP的发送时钟提供。
语音由麦克风输入口MACIN输入。
图4.5音频芯片与DSP连接电路
第五章软件设计
5.1开发平台简介
5.1.1Matlab概述
Matlab是matrix和laboratory两个词的组合,为矩阵工厂(矩阵实验室),是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括Matlab和Simulink两大部分。
Matlab是面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
Matlab和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。
它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。
Matlab可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
5.1.2FDAtool工具箱
设计滤波器步骤:
(1)在Matlab命令窗口下,输入“FDATool”,按“回车”调出FDATool用户图形界面;
(2)FDATool的界面设计指标参数。
a.在Responsetype下选择滤波器类型,包括低通、高通、带通、带阻、微分器、Hilbert变换器、多带、任意频率响应、升余弦等;
b.在DesignMethod下可以选择设计IIR或FIR滤波器,每种滤波器又可以选择不同的设计方法(如,IIR滤波器的设计方法包括巴特沃斯、切比雪夫、椭圆滤波器、最大扁平、最小P阶范数等;FIR滤波器的设计方法包括等波纹、最小均方、窗函数、最大扁平、最小P阶范数等);
c.在FilterOrder下可以选择滤波器阶数,可以使用满足要求的最小滤波器阶数或直接指定滤波器的阶数。
(3)设置参数完成后,按“DesignFilter”便设计好滤波器。
(4)查看滤波器系数,选择菜单栏Targets,点击GenerateCHeader,可以生成包含滤波器系数的头文件。
图5.1设计的IIR滤波器及其参数
5.2CCS环境下程序调试
●调试结果
滤波前的信号源加噪声信号和滤波后波形。
、
图5.2滤波前波形(含噪声)及滤波后波形
第六章结束语
课程设计时间虽短,但我也基本学会了IIR低通数字滤波器的设计过程,从Matlab的软件仿真到DSP实验箱具体实现的过程,熟悉了一种新的集成开发环境CCS,这个过程也是自己学习能力培养与提升的过程。
整个设计的完成离不开团队合作,我们共同享受成功的喜悦。
参考文献
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[5]丁玉美,高西全.数字信号处理[M].西安:
西安电子科技大学出版社.2008
附程序
IR_filter.c(程序)
#ifndefORDER_IIR
#defineORDER_IIR3
#endif
voidiir_filter(constshortx[],constshortsos[],constshortg[],
shorty[],intm,ints)
{
inti;
intj;
intxx;
intym[ORDER_IIR];
intd1[ORDER_IIR];
intd2[ORDER_IIR];
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intk;
longdd;
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for(i=0;i {d1[i]=0; d2[i]=0; d3[i]=0; ym[i]=0;} for(i=0;i {for(j=0;j { if(! j)xx=(int)x[i]; Elsexx=ym[j-1]; k=j*6+4; dd=(long)xx-(long)sos[k]*(long)d2[j]; dd-=(long)sos[k+1]*(long)d3[j];
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- IIR 数字滤波器 语音 信号 处理 中的 应用 硬件