基于DSP芯片的語音信號FIR濾波系統(tǒng)(共16頁)

1、PAGE 18摘要(zhiyo) 數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領(lǐng)域的新興學科。20世紀60年代(nindi)以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應用。隨著微處理技術(shù)的快速發(fā)展，微處理器芯片的集成度從最早的幾千個晶體管發(fā)展到現(xiàn)在的上億個晶體管，字長從4位提高到了64位，正是這些技術(shù)的飛速發(fā)展引發(fā)了一輪又一

2、輪的信息產(chǎn)業(yè)革命，而人們的生活、學習和工作方式也在以計算機技術(shù)、通信技術(shù)為核心的信息技術(shù)的影響下發(fā)生著前所未有(qin su wi yu)的改變。然而在這次設計中，比較核心的是數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器是一種用來過濾時間離散信號的數(shù)字系統(tǒng)，通過對抽樣數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理來達到頻域。濾波的目的。根據(jù)其單位沖激響應函數(shù)的時域特性可分為兩類：無限沖激響應(IIR)濾波器和有限沖激響應(FIR)濾波器。與IIR濾波器相比，F(xiàn)IR濾波器只有零點，除原點外在z平面上沒有極點，因此總是穩(wěn)定的和可實現(xiàn)的；更重要的是，F(xiàn)IR濾波器在滿足一定的對稱條件下，可以獲得嚴格的線性相位特性，這一點是IIR濾波器難以實現(xiàn)的。因此。

3、它在高保真的信號處理如數(shù)字音頻、圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸、生物醫(yī)學等領(lǐng)域得到廣泛應用。對于本設計主要是利用一個DSP芯片來進行語音采集系統(tǒng)的設計，而數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展使得采用數(shù)字化的方法實時的處理語音信號成為可能。早期的語音信號處理均是采用模擬處理，對聲音信號最常用的濾波、相關(guān)、譜分析等運算，部分采用模擬電路來實現(xiàn)的。這種傳統(tǒng)的模擬方法處理語音信號，硬件設備昂貴，不能升級、產(chǎn)品生命周期短，而采用數(shù)字處理技術(shù)處理語音信號具有抗干擾性強、便于傳輸和處理等優(yōu)點，代表著語音處理技術(shù)的發(fā)展方向。DSP芯片高速、可編程的特點使其非常適合于語音信號處理領(lǐng)域。 一、設計所用軟件介紹 1.1 FIR濾波器及它的工

4、作原理 FIR(Finite Impulse Response)濾波器：有限長單位沖激響應濾波器，又稱為非遞歸型濾波器，是 HYPERLINK /view/162096.htm t /_blank 數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性，同時其單位抽樣響應是有限長的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此，F(xiàn)IR濾波器在通信、圖像處理、 HYPERLINK /view/14685.htm t /_blank 模式識別等領(lǐng)域都有著廣泛的應用。 在進入FIR濾波器前，首先要將信號通過A/D器件進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；為了使信號處理能夠不發(fā)生失真(

5、sh zhn)，信號的采樣速度必須滿足奈奎斯特定理，一般取信號頻率上限的4-5倍做為采樣頻率；一般可用速度較高的逐次逼進式A/D HYPERLINK /view/110440.htm t /_blank 轉(zhuǎn)換器，不論采用乘累加方法還是分布式算法設計FIR濾波器，濾波器輸出的數(shù)據(jù)都是一串序列(xli)，要使它能直觀地反應出來，還需經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，因此由FPGA構(gòu)成的FIR濾波器的輸出須外接D/A模塊。FPGA有著規(guī)整的內(nèi)部邏輯陣列和豐富的連線資源，特別適合于數(shù)字信號處理任務，相對于串行運算為主導的通用DSP芯片來說，其 HYPERLINK /view/149970.htm t /_blank 并行

6、性和可擴展性更好，利用FPGA乘累加的快速算法(sun f)，可以設計出高速的FIR HYPERLINK /view/163224.htm t /_blank 數(shù)字濾波器。 1.2 CCS軟件 CCS（Code Composer Studio數(shù)據(jù)設計工作室）代碼調(diào)試器是一種合成開發(fā)環(huán)境。 它是一種針對標準TMS320調(diào)試器接口的交互式方法。CCS目前有CCS1.1， CCS1.2 和CCS2.0等三個不同時期的版本，又有CC2000 ( 針對C2XX )，CCS5000 ( 針對C54XX )和CCS6000 (針對C6X )三個不同的型號。我們所使用的是CCS50002.0的版本。CCS50

7、00具有以下特性：TI編譯器的完全集成的環(huán)境：CCS5000目標管理系統(tǒng)，內(nèi)建編輯器，所有的調(diào)試和分析能力集成在一個Windows環(huán)境中。對C和DSP匯編文件(wnjin)的目標管理：目標編輯器保持對所有文件及相關(guān)內(nèi)容的跟蹤(gnzng)。它只對最近一次編譯中改變過的文件重新編譯，以節(jié)省編譯時間。高集成(j chn)的編輯器調(diào)整C和DSP匯編代碼：CCS5000的內(nèi)建編輯器支持C和匯編文件的動態(tài)語法加亮顯示。使用戶能很容易地閱讀代碼和當場發(fā)現(xiàn)語法錯誤。編輯和調(diào)試時的后臺編輯：用戶在使用編譯器和匯編器時沒有必要退出系統(tǒng)到DOS環(huán)境中，因為CCS5000會自動將這些工具裝載在它的環(huán)境中。在其窗口中

8、，錯誤會加亮顯示只要雙擊錯誤就可以直接到達出錯處。在含有浮點并行調(diào)試管理器(PDM)的原有的MS窗口下支持多處理器CCS5000在 Windows95和Windows-me中支持多處理。PDM(調(diào)試管理器)允許將命令傳播給所有的或所選擇的處理器。在任何算法點觀察信號的圖形窗口探針：圖形顯示窗口使用戶能夠觀察時域或頻域內(nèi)的信號。對于頻域圖，F(xiàn)FT(快速傅立葉變換)在主機內(nèi)執(zhí)行，這樣就可以觀察所感興趣的部分而無須改變它的DSP代碼。圖顯示也可以同探針連接，當前顯示窗口被更新時，探針被指定，這樣當代碼執(zhí)行到達該點時，就可以迅速地觀察到信號。文件探針在算法處通過文件提取或加入信號或數(shù)據(jù)：CCS5000

9、允許用戶從PC機讀或?qū)懶盘柫?。而不是實時的讀信號，這就可以用已知的例子來仿真算法。圖形分析：CCS5000的圖形分析能力在其環(huán)境中是集成的。在后臺(系統(tǒng)命令)執(zhí)行用戶的DOS程序：用戶可以執(zhí)行CCS5000中的DOS程序，并將其輸出以流水方式送到CCS5000的輸出窗口。且允許用戶將應用程序集成到CCS5000。技術(shù)狀態(tài)觀察窗口：CCS5000的可視窗口允許用戶進入C表達式及相關(guān)變量。結(jié)構(gòu)、數(shù)組、指針都能很簡單地遞歸擴展和減少，以便進入復雜結(jié)構(gòu)。代數(shù)分解窗口：允許用戶選擇查看寫成代數(shù)表達式的C格式，提高可讀性 。目標DSP上的幫助：DSP結(jié)構(gòu)和寄存器上的在線幫助可以使用戶不必查看技術(shù)手冊。用戶

10、擴展：擴展語言(GEL)使得(sh de)用戶可以將自己的菜單項加到CCS5000的菜單欄中。 操作(cozu)流程圖 1.3MATLAB軟件(run jin)介紹MATLAB是美國 HYPERLINK /view/1855191.htm t /_blank MathWorks公司出品的商業(yè) HYPERLINK /view/1658637.htm t /_blank 數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及 HYPERLINK /view/920695.htm t /_blank 數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是ma

11、trix&laboratory兩個詞的 HYPERLINK /subview/67312/11247525.htm t /_blank 組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。是由美國 HYPERLINK /view/1855191.htm t /_blank mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將 HYPERLINK /view/295760.htm t /_blank 數(shù)值分析、 HYPERLINK /view/2627393.htm t /_blank 矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非 HYPERLINK /view/300474.htm t

12、 /_blank 線性動態(tài)系統(tǒng)的 HYPERLINK /view/44500.htm t /_blank 建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式 HYPERLINK /view/128511.htm t /_blank 程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和 HYPERLINK /view/30608.htm t /_blank Mathematica、 HYPERLINK /subview/1278

13、64/15882715.htm t /_blank Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行 HYPERLINK /view/10337.htm t /_blank 矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、 HYPERLINK /view/642820.htm t /_blank 信號處理與通訊、 HYPERLINK /view/14662.htm t /_blank 圖像處理、 HYPERLINK /view/1345304.htm t /_blank 信號檢測、 HY

14、PERLINK /view/2659790.htm t /_blank 金融建模設計與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的 HYPERLINK /view/178461.htm t /_blank 指令 HYPERLINK /view/420676.htm t /_blank 表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C， HYPERLINK /view/36402.htm t /_blank 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，使MATLAB成為一個強大的 HYPERLINK /view/1

15、658637.htm t /_blank 數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對 HYPERLINK /subview/10075/6770152.htm t /_blank C， HYPERLINK /view/36402.htm t /_blank FORTRAN， HYPERLINK /view/824.htm t /_blank C+， HYPERLINK /subview/29/12654100.htm t /_blank JAVA的支持。 二、設計原理及步驟 2.1濾波器原理 數(shù)字濾波器有兩類：IIR數(shù)字濾波器和FIR數(shù)字濾波器。FIR濾波器是有限長單位沖激響應濾波器,在結(jié)構(gòu)上是非遞歸型

16、的。它可以在幅度特性隨意設計的同時,保證精確嚴格(yng)的線性相位。線性相位特性在實際應用中非常重要,如在數(shù)據(jù)通信、圖像處理、語音信號處理等領(lǐng)域,往往都要求具有線性相位特性。并且由于FIR 濾波器的單位脈沖響應有限長,系統(tǒng)不存在非穩(wěn)定現(xiàn)象,我們總能用因果穩(wěn)定系統(tǒng)來實現(xiàn)FIR 濾波器。FIR 主要的不足在于其較好的性能是以較高的階數(shù)為代價換來的,對于相同的設計指標,FIR 濾波器所要求的階數(shù)比IIR 濾波器高25 倍,信號的延遲偏大。因此,在保證相同性能的前提下,盡量降低其階數(shù)是FIR 數(shù)字濾波器設計的目標之一。FIR濾波器是有限長單位沖激響應濾波器，它具有以下獨特的優(yōu)點：(1)可以在幅度特性

17、隨意設計的同時，保證精確、嚴格的線性相位；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濾波器的數(shù)學(shxu)表達式為： （2-1）式中：N為FIR濾波器的抽頭數(shù)；x(n)為第n時刻(shk)的輸入樣本；h(i)為FIR濾波器第i級抽頭系數(shù)。其相應的z變換為： （2-2）式中：z-i為N-1階多項式。圖2.1 FIR濾波器的直接(

18、zhji)型結(jié)構(gòu) 2.2MATLAB設計(shj) 數(shù)字濾波器的設計可以使用MATLAB(線性代數(shù)計算)軟件，它是一種功能強、效率高、便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。MATLAB中的工具箱（Toolbox）包含(bohn)許多實用的程序。濾波器設計就包含在Toolbox下的signal中。下面簡單介紹一下用MATLAB設計FIR濾波器的方法。設計低通FIR濾波器（采用Hamming窗）：B=FIR1(N,Wn)其中，N為濾波器的階數(shù)，Wn為歸一化截至頻率，0.0WnExport to C Header File然后(rnhu)選擇Export as：選擇16位符號數(shù)，點擊OK，將濾波器參

19、數(shù)存為頭文件，打開頭文件可以看到：/* * Filter Design and Analysis Tool - Generated Filter Coefficients - C Source * Generated by MATLAB - Signal Processing Toolbox */* General type conversion for MATLAB generated C-code */#include tmwtypes.h/* * Expected path to tmwtypes.h * D:MATLAB6p1externincludetmwtypes.h */* *

20、Warning - Filter coefficients were truncated to fit specified data type! * The resulting response may NOT match generated theoretical response. * Use the Filter Design & Analysis Tool to design accurate fixed-point * filter coefficients! */const int NL = 64;const int16_T NUM64 = -15, -28, -6, 31, 37

21、, -10, -64, -44, 54, 115, 28, -140, -166, 46, 269, 178, -206, -422, -97, 477, 551, -149, -872, -576, 679, 1429, 345, -1842, -2412, 803, 6794, 11599, 11599, 6794, 803, -2412, -1842, 345, 1429, 679, -576, -872, -149, 551, 477, -97, -422, -206, 178, 269, 46, -166, -140, 28, 115, 54, -44, -64, -10, 37,

22、31, -6, -28, -15;const int DL = 1;const int16_T DEN1 = 32767;const int16_T NUM64就是(jish)該濾波器的系數(shù)。 2.3操作步驟1連接好DSP開發(fā)系統(tǒng)，音頻線連接計算機和AD50模塊的輸入，另一條音頻線連接AD50模塊輸出(shch)和揚聲器輸入，或者用耳機連接AD50模塊輸出；調(diào)節(jié)RPC03可變電阻，使Uc02運放的正輸入端(3腳和5腳)出場(ch chng)前以調(diào)好。輸入電平為2.5V；把JC05跳到上面3.3V,AD50做Master；打開本實驗工程文件（.ad50firad50.pjt），加濾波器：Type

23、LowPass（低通）或者(huzh)TypeHighPass（高通）或者TypeBandPass（帶通）（此設置在主程序后部注意修改）編譯(biny)，下載(xi zi)程序到DSP； 運行程序.打開聲卡信號源軟件，用計算機產(chǎn)生掃頻信號 6.調(diào)節(jié)R338調(diào)節(jié)音量按鈕，使音量大小恰當；注意聽AD50輸出的聲音，觀察加濾波器后聲音幅度與頻率變化的關(guān)系。程序中的低通為3K,高通截至頻率是1K，帶通是1K3K。結(jié)果是當開始濾波時會濾出想要濾出的頻率信號。 2.4總體設計框圖(kungt)ADC信號輸入緩沖區(qū)DSP信號輸出緩沖區(qū)DACFLASHSRAM外部邏輯電 路PC機輸入信號信號輸出信號信號 三、

24、程序(chngx) #include 5410reg.h#include stdio.h#define fc_clock port2000#define LowPass 0#define HighPass 1#define BandPass 2ioport unsigned fc_clock;ioport unsigned temp;/McBSP2初始化表const unsigned short init_tblx2=0,0 x0000,1,0 x0200,/上兩目使McBSP1處于(chy)復位狀態(tài)2,0 x0040,3,0 x0000,4,0 x0040,5,0 x0000,6,0 x01

25、01,7,0 x2000,8,0 x0000,9,0 x0000,10,0 x0000,11,0 x0000,12,0 x0000,13,0 x0000,14,0 x000c,/下兩目使McBSP 開始(kish)工作0,0 x0001,1,0 x0043;short *init_tbl=(short*)init_tblx;int mtmp;int Type;void Delay() int temp,ft; for(ft=0;ft100;ft+) for (temp=0;temp1000;temp+) ;void ShortDelay()int tmp;for(tmp=0;tmp100;tm

26、p+) ;void MainDelay(unsigned int count)int tmp;for(tmp=0;tmpcount;tmp+);void initMCBSP()int i;for(i=0;i17;i+)SPSA0=init_tbli*2+0;MCBSP0 =init_tbli*2+1;Delay();void initDMA()IMR=0X1000; /DMA 4通道(tngdo)中斷使能asm(rsbx intm); / 開放所有(suyu)可屏蔽中斷DMSA=0 x0014; / 選擇(xunz)DMA4通道DMSRC1=0 x0031; / 設置串口1接收端為DMA事件的

27、源地址DMDST1=0 x2000; / 設置DMA事件的目的地址DMCTR1=0 x3000; /設置直接傳送數(shù)據(jù)個數(shù)DMSFC1=0 x5000; / 設置DMA為多幀模式，源地址不調(diào)整目的地址按57h的值調(diào)整 DMSA=0 x0020; DMIDX0=0 x0001; /設置目的地址為自動加1調(diào)整 DMPERC=0 x1090; / 設置通道4為高優(yōu)先級并使能通道4void WriteAD50(unsigned int Data)int tmp;tmp=fc_clock; while(fc_clock&0 x40)=0) ; asm ( nop); asm ( nop); fc_cloc

28、k=0 x12; asm ( nop); tmp=fc_clock; while(tmp&0 x40) tmp=fc_clock; /asm ( nop); tmp=fc_clock; while(tmp&0 x40)=0) tmp=fc_clock; fc_clock=0 x2; asm ( nop); asm ( nop); DXR10=Data; /給TLC320AD50C的寄存器編程 SPSA0=0 x0001; / while( (MCBSP0&0 x0002)=0); /數(shù)據(jù)是否(sh fu)被TLC320AD50C接收 asm ( nop); asm ( nop); ShortD

29、elay(); asm ( nop);void initAD50()/int tmp;WriteAD50(0 x0180); /給TLC320AD50C的寄存器1編程，使其復位(f wi)ShortDelay();asm ( nop);WriteAD50(0 x0101); /TLC320AD50C脫離復位并且(bngqi)設置寄存器1，使INP，INM為輸入asm ( nop);WriteAD50(0 x0210); /設置TLC320AD50C寄存器2，使電話(dinhu)模式無效asm ( nop);WriteAD50(0 x0440); /設置(shzh)TLC320AD50C寄存器4

30、asm ( nop);asm ( nop);WriteAD50(0 x0312); /設置TLC320AD50C寄存器3，使帶0個從機asm(nop); void initDSP()volatile unsigned int *CLKMD=(volatile unsigned int*)0 x58;int i;*CLKMD=0;while(*CLKMD&1)=1);*CLKMD=0 x17EF;while(*CLKMD&1)=0); asm( ssbx intm); fc_clock=0 x2; asm( nop ); asm( nop ); i = fc_clock; asm( nop ); asm( nop ); PMST=0 xFFE3; IFR=0 x3fff; void main()Type=LowPass;initDSP();initMCBSP(); initAD50(); initDMA(); initfir()