语音信号的FIR滤波器处理要点Word下载.docx
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数字滤波器分为有限冲激响应滤波器(FIR滤波器)和无限冲激响应滤波器(IIR滤波器)。
FIR滤波器属于经典滤波器,优点就是由于不存在系统极点,FIR滤波器是绝对稳定的系统,FIR滤波器还确保了线性相位,在信号处理中占有极其重要的地位。
数字滤波器一直以来就是数字信号处理器(DSP)最广为人知的应用,FIR滤波器的单位冲激响应b(n)为有限长序列,若b(n)为实数,且满足偶对称:
b(n)=b(N-1-n)的条件,称为系数对称FIR滤波器。
系数对称FIR滤波器在数字信号处理中应用十分广泛。
1.2设计的目的
通过课程设计,加深对DSP芯片TMS320C54x的结构、工作原理的理解,获得DSP应用技术的实际训练,掌握设计较复杂DSP系统的基本方法。
通过使用汇编语言编写具有完整功能的图形处理程序或信息系统,使学生加深对所学知识的理解,进一步巩固汇编语言讲法规则。
学会编制结构清晰、风格良好、数据结构适当的汇编语言程序,从而具备解决综合性实际问题的能力。
1.3设计指标要求
(1)设计一个低通滤波器(参数自定)
(2)滤波器的设计的原理介绍
(3)FIR滤波器的设计
(4)FIR滤波器的DSP实现
(5)FIR滤波器的检验(用语音信号通过滤波器后查看滤波效果是否达到设计要求。
)
2滤波器的基础知识
2.1滤波器的定义
FiniteImpulseResponse)滤波器:
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元件,它可以在保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性,同时其单位抽样响应是有限长的,因而滤波器是稳定的系统。
因此,FIR滤波器在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。
冲激响应之所以是“有限的”是因为在滤波器中没有反馈出现;
如果你输入一个冲激{就是一个“1”样本后出现许多“0”的样本的信号},那么零将在样本“1”通过了所有的延迟线的系数后出现。
2.2滤波器的功能
功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过,而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制,它实质上是一个选频电路。
把信号能够通过的频率范围,称为通频带或通带;
反之,信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带;
通带和阻带之间的分界频率称为截止频率;
理想滤波器在通带内的电压增益为常数,在阻带内的电压增益为零;
实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。
2.3滤波器的特点
优点:
(1)很容易获得严格的线性相位,避免被处理的信号产生相位失真,这一特点在宽频带信号处理、阵列信号处理、数据传输等系统中非常重要;
(2)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,还可得到多带幅频特性;
(3)极点全部在原点(永远稳定),无稳定性问题;
(4)任何一个非因果的有限长序列,总可以通过一定的延时,转变为因果序列,所以因果性总是满足;
(5)无反馈运算,运算误差小。
缺点:
(1)因为无极点,要获得好的过渡带特性,需以较高的阶数为代价;
(2)无法利用模拟滤波器的设计结果,一般无解析设计公式,要借助计算机辅助设计程序完成。
2.4FIR数字滤波器的结构
在数字信号处理应用中往往需要设计线性相位的滤波器,FIR滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时,很容易做到严格的线性相位特性。
FIR滤波器不断地对输入样本x(n)延时后,再作乘法累加算法,将滤波结果y(n)输出,因此,FIR实际上是一种乘法累加运算。
在数字滤波器中,FIR滤波器的最主要的特点是没有反馈回路,故不存在不稳定的问题,同时,可以在幅度特性是随意设置的同时,保证精确的线性相位。
稳定和线性相位特性是FIR滤波器的突出优点。
另外,它还有以下特点:
设计方式是线性的;
硬件容易实现;
滤波器过渡过程具有有限区间;
相对IIR滤波器而言,阶次较高,其延迟也要比同样性能的IIR滤波器大得多。
FIR数字滤波器系统的传递函数为:
通过反z变换,数字滤波器的差分方程为:
由此得到系统的差分方程:
由上式可以得出如下图1所示的直接型结构,这种结构又可以称为卷积型结构。
将转置理论应用于图1可以得到转置直接型结构。
图1FIR滤波器直接型机构图
将上式中的系统函数H(z)分解成若干一阶和二阶多项式的连乘积:
则可构成如图2所示的级联型结构。
其中
为一阶节
为二阶节。
每个一阶节、二阶节可用图1所示的直接型结构实现。
当M1=M2时,即得到图3所示的具体结构。
这种结构的每一节都便于控制零点,在需要控制传输零点时可以采用。
但是它所需要的系数a比直接型的h(n)多,所需要的乘法运算也比直接型多。
在对滤波器计算时间没有特殊要求的时候可以采用这种形式。
若需要严格考虑滤波器的计算时间则需要折衷它们的优点和缺点来设计。
这在算法设计时候要使用软件编辑环境来计算运行的时间问题。
通常FIR的计算时间都较长。
很多时候我们需要牺牲时间来获得想要得到的滤波器功能。
图2级联型结构图
图3级联型具体结构
FIR滤波器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;
由于FIR滤波器的单位脉冲h(n)是有限长序列,因此FIR滤波器没有不稳定的问题;
由于FIR滤波器一般为非递归结构,因此,在有限运算下不会出现递归型结构中的极限振荡等不稳定现象误差较小;
FIR滤波器可以采用FFT算法实现,从而提高了运算效率。
2.5FIR数字滤波器的窗函数设计
窗函数设计的基本思想是要选取某一种合适的理想频率选择性滤波器,然后将它的脉冲响应截断以得到一个线性相位和因果的FIR滤波器。
因此这种方法的重点在于选择某种合适的窗函数和一种理想滤波器。
对于给定的滤波器技术指标,选择滤波器长度和具有最窄主瓣宽度和尽可能小的旁瓣衰减的某个窗函数。
任何数字滤波器的频率响应都是w的周期函数,它的傅立叶级数展开式为:
其中的Wc为滤波器的归一化的截止频率。
傅立叶系数hd(n)实际上就是理想数字滤波器的冲激响应。
获得有限冲激响应数字滤波器的一种可能方法就是把无穷级数截取为有限项级数来近似,而吉布斯(Gibbs)现象使得直接截取法不甚令人满意。
窗函数法就是用被称为窗函数的有限加权系列{W(n)}来修正傅立叶级数,以求得要求的有限冲激响应序列h(n),即有:
h(n)=hd(n)W(n)
w(n)是有限长序列,当n>
N-1及n<
0时,W(n)=0。
几种常用的窗函数
工程中比较常用的窗函数有矩形窗函数、三角形((Bartlett)窗函数、汉宁(Harming)窗函数、海明(Hamming)窗函数、布莱克曼(Blackman)窗函数和凯塞Kaiser)窗函数。
窗函数的选择原则是:
●具有较低的旁瓣幅度,尤其是第一旁瓣幅度;
●旁瓣幅度下降速度要大,以利增加阻带衰减;
●主瓣的宽度要窄,以获得较陡的过渡带。
通常上述三点很难同时满足。
当选用主瓣宽度较窄时,虽然得到较陡的过渡带,但通带和阻带的波动明显增加:
当选用最小的旁瓣幅度时,虽能得到匀滑的幅度响应和较小的阻带波动,但过渡带加宽。
因此,实际选用的窗函数往往是它们的折衷。
在保证主瓣宽度达到一定要求的条件下,适当牺牲主瓣宽度来换取旁瓣波动的减少。
总之窗函数不仅有截短的作用,而且能够起到平滑的作用在很多领域得到应用。
3FIR滤波器设计与实现过程
3.1FIR滤波器设计指标
设计一个基于CCS汇编实现的FIR滤波器,通过MATLAB的辅助,可以实现对语音信号的产生以及滤波前后的频谱显示。
本次FIR滤波器设计的的参数选取指标如下:
采用37阶低通滤波器,汉明窗(HammingWindow)函数,通带截止频率为1500Hz,阻带截止频率为2000Hz,通带波纹为0.01,阻带波纹为0.1,采样频率为8000Hz。
应用Matlab工具箱的滤波器设计工具,初步得到的理想频谱图如图4所示,
图4低通滤波器的频谱
3.2FIR滤波器设计过程
3.2.1FIR滤波器设计流程
图5设计流程图
3.2.2FIR滤波器的matlab实现
FIR参数设定及频域响应特性
根据上述要求在matlab中采用fir2函数设计低通FIR滤波器,其程序代码为:
f=[00.380.51];
m=[1100];
b=fir2(36,f,m);
在MATLAB中输入以上代码,求出滤波器系数如下具有两边对称,
h(0)=h(36)=-0.0010,h
(1)=h(35)=-0.0036,h
(2)=h(34)=0.0000
h(3)=h(33)=0.0065,h(4)=h(32)=0.0032,h(5)=h(31)=-0.0088
h(6)=h(30)=-0.0093,h(7)=h(29)=0.0090,h(8)=h(28)=0.0184
h(9)=h(27)=-0.0047,h(10)=h(26)=-0.0297,h(11)=h(25)=-0.0071
h(12)=h(24)=0.0417,h(13)=h(23)=0.0316,h(14)=h(22)=-0.0524
h(15)=h(21)=-0.0848,h(16)=h(20)=0.0598,h(17)=h(19)=0.3108
h(18)=0.4375
CCS的输入语音信号的辅助产生(MATLAB)
1、理想情况:
FIR滤波器的输入数据存储在indata.dat文件中,共300个点,由频率为1000Hz和2500Hz的两个余弦波叠加而成
2、为了验证设计的可行性,自身录制一个语音片段,主要信号为低频成分,其中夹杂着高频成分的噪声。
在MATLAB中产生一个indata.dat文件供CCS输入,在matlab中输入的代码为:
x=wavread('
D:
\matlab\work\XINZAO.wav'
);
%语音文件的路径
y=fft(x,1024);
plot(abs(y(1:
1000)));
%采样100个点
x1=round(1024*x);
fid=fopen('
indata.dat'
'
w'
%生成一个dat文件
fprintf(fid,'
1651100E21000\n'
%d\n'
x1);
%输出
3.2.3FIR滤波器的CCS实现
应用软件CCS配置:
点击进入CCS:
首先点击SetupCCS3.3如下图6,点击进入运行界面,如图7。
图6CCS图标
图7芯片设置窗口
选中C5410DeviceSimulat
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