語音濾波試驗報告

1、DS限術及應用課程設計語音濾波處理院 系：機電工程學院專業(yè)（班級）：電子信息工程2班姓名：洪育欽學號:20134082033指導教師：韓楊楊職稱：助教完成日期：成 績：2016年6月16日目錄 TOC o 1-5 h z .弓I 言1 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 設計的目的1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 設計指標要求 2 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2濾波器的基礎知識 2 HYPERLINK l bookmark28 o Cur

2、rent Document 濾波器的定義2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 濾波器的功能 3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 濾波器的特點3 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document FIR數(shù)字濾波器的窗函數(shù)設計 4 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document .FIR濾波器設計與實現(xiàn)過程5 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document FIR 濾波器設計指標5FIR濾波器設

3、計過程6FIR 濾波器的matlab實現(xiàn)6 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document FIR 濾波器的CCSO1 8 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document FIR 濾波器設計結果9 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document .設計過程中遇到的問題及解決的辦法 11 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 參考文獻12 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 附錄12語音信號的FI

4、R濾波器處理.引言隨著信息時代和數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號處理已成為如今一門極其重要的 學科和技術領域。數(shù)字信號處理在通信、語音、圖像、自動控制、雷達、軍事、 航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領域得到了廣泛的應用。數(shù)字信號處理器，也稱DSP5片，是針對數(shù)字信號處理需要而設計的一種具 有特殊結構的微處理器，它是現(xiàn)代電子技術、相結合的產物。一門主流技術，隨 著信息處理技術的飛速發(fā)展，計算機技術和數(shù)字信號處理技術逐漸發(fā)展成為使它 在電子信息、通信、軟件無線電、自動控制、儀表技術、信息家電等高科技領域 得到了越來越廣泛的應用。數(shù)字濾波是語音處理、圖像處理、頻譜分析等應用中的基本處理算法。DSP是 一種處理

5、數(shù)字信號的專用微處理器，主要應用于實時快速地實現(xiàn)各種信號的數(shù) 字處理算法。用DSP芯片實現(xiàn)數(shù)字濾波具有穩(wěn)定性好、精確度高、不受環(huán)境影 響等優(yōu)點。數(shù)字濾波器分為有限沖激響應濾波器(FIR濾波器)和無限沖激響應濾波器(IIR濾波器)。FIR濾波器屬于經(jīng)典濾波器，優(yōu)點就是由于不存在系統(tǒng)極點， FIR濾波器是絕對穩(wěn)定的系統(tǒng)，F(xiàn)IR濾波器還確保了線性相位，在信號處理中占 有極其重要的地位。數(shù)字濾波器一直以來就是數(shù)字信號處理器( DSP最廣為人 知的應用，F(xiàn)IR濾波器的單位沖激響應b(n)為有限長序列，若b(n)為實數(shù)，且 滿足偶對稱:b(n)= b(N- 1- n)的條件，稱為系數(shù)對稱FIR濾波器。系數(shù)

6、對稱FIR 濾波器在數(shù)字信號處理中應用十分廣泛。設計的目的通過課程設計，加深對 DSPS片TMS320C54的結構、工作原理的理解，獲 得DSP應用技術的實際訓練，掌握設計較復雜DS添統(tǒng)的基本方法。通過使用匯 編語言編寫具有完整功能的圖形處理程序或信息系統(tǒng)，使學生加深對所學知識的 理解，進一步鞏固匯編語言講法規(guī)則。學會編制結構清晰、風格良好、數(shù)據(jù)結構 適當?shù)膮R編語言程序，從而具備解決綜合性實際問題的能力。設計指標要求(1)設計一個低通濾波器(參數(shù)自定)濾波器的設計的原理介紹FIR濾波器的設計FIR濾波器的DSF現(xiàn)FIR濾波器的檢驗(用語音信號通過濾波器后查看濾波效果是否達到 設計要求。)2濾波

7、器的基礎知識濾波器的定義Finite Impulse Response)濾波器：有限長單位沖激響應濾波器，是數(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， FIR濾波器在通信、圖像處理、模式識別等領域都有著廣泛的應用。沖激響應之所以是“有限的”是因為在濾波器中沒有反饋出現(xiàn)；如果你輸入 一個沖激就是一個“1”樣本后出現(xiàn)許多“ 0”的樣本的信號，那么零將在樣本 “1”通過了所有的延遲線的系數(shù)后出現(xiàn)。濾波器的功能功能就是允許某一部分頻率的信號順利的通過， 而另外一部分頻率的信號則 受到較大的抑制，

8、它實質上是一個選頻電路。把信號能夠通過的頻率范圍，稱為 通頻帶或通帶；反之，信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；理想濾波器在通帶內的電壓增益為常 數(shù)，在阻帶內的電壓增益為零；實際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍 的過渡帶。濾波器的特點優(yōu)點：(1)很容易獲得嚴格的線性相位，避免被處理的信號產生相位失真，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)可以在幅度特性隨意設計的同時，保證精確、嚴格的線性相位，還可得到多帶幅頻特性；(3)極點全部在原點(永遠穩(wěn)定)，無穩(wěn)定性問題；(4)任何一個非因果的有限長序列，總可以通過

9、一定的延時，轉變?yōu)橐蚬?序列，所以因果性總是滿足；(5)無反饋運算，運算誤差小。缺點：(1)因為無極點，要獲得好的過渡帶特性，需以較高的階數(shù)為代價；(2)無法利用模擬濾波器的設計結果，一般無解析設計公式，要借助計算機輔助設計程序完成FIR數(shù)字濾波器的窗函數(shù)設計窗函數(shù)設計的基本思想是要選取某一種合適的理想頻率選擇性濾波器，然后將它的脈沖響應截斷以得到一個線性相位和因果的FIR濾波器。因此這種方法的重點在于選擇某種合適的窗函數(shù)和一種理想濾波器。對于給定的濾波器技術指 標，選擇濾波器長度和具有最窄主瓣寬度和盡可能小的旁瓣衰減的某個窗函數(shù)。任何數(shù)字濾波器的頻率響應都是 w的周期函數(shù)，它的傅立葉級數(shù)展開

10、其中的Wc為濾波器的歸一化的截止頻率。傅立葉系數(shù)hd(n)實際上就是理想數(shù)字濾波器的沖激響應。獲得有限沖激響應數(shù)字濾波器的一種可能方法就是把 無窮級數(shù)截取為有限項級數(shù)來近似，而吉布斯(Gibbs)現(xiàn)象使得直接截取法不甚令人才兩1苴、0窗函數(shù)法就是用被稱為窗函數(shù)的有限加權系列W(n)來修正傅立葉級數(shù)，以求得要求的有限沖激響應序列 h(n),即有：h(n)=hd(n)W(n)w(n)是有限長序列，當nN-1及n0時，W(n)=0。幾種常用的窗函數(shù)工程中比較常用的窗函數(shù)有矩形窗函數(shù)、三角形 (Bartlett) 窗函數(shù)、漢寧 (Harming)窗函數(shù)、海明(Hamming)窗函數(shù)、布萊克曼(Blac

11、kman)窗函數(shù)和凱塞 Kaiser)窗函數(shù)。窗函數(shù)的選擇原則是：.具有較低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度；.旁瓣幅度下降速度要大，以利增加阻帶衰減；.主瓣的寬度要窄，以獲得較陡的過渡帶。通常上述三點很難同時滿足。帶，但通帶和阻帶的波動明顯增加當選用主瓣寬度較窄時，雖然得到較陡的過渡 :當選用最小的旁瓣幅度時，雖能得到勻滑的幅度響應和較小的阻帶波動，但過渡帶加寬。因此，實際選用的窗函數(shù)往往 是它們的折衷。在保證主瓣寬度達到一定要求的條件下，適當犧牲主瓣寬度來換 取旁瓣波動的減少?？傊昂瘮?shù)不僅有截短的作用，而且能夠起到平滑的作用在 很多領域得到應用。3.FIR濾波器設計與實現(xiàn)過程3.1 FIR

12、濾波器設計指標設計一個基于CCS匯編實現(xiàn)的FIR 濾波器，通過MATLAB勺輔助，可以實現(xiàn) 對語音信號的產生以及濾波前后的頻譜 顯示。本次FIR濾波器設計的的maltab流 程如右圖：初始化讀入語音信號原始音頻抽樣加噪聲并低通涯波導出混合信號供DSP處理采用37階低通濾波器，漢明窗(Hamming Window)函數(shù)，通帶截止頻率為1500 Hz,阻帶截止頻率為 2000 Hz,圖5段“流程圖通帶波紋為0.01 ,阻帶波紋為0.1 ,采樣頻率為8000Hz 應用Matlab工具箱 的濾波器設計工具。FIR濾波器設計過程3.2.2 FIR 濾波器的 matlab實現(xiàn)FIR參數(shù)設定及頻域響應特性根

13、據(jù)上述要求在matlab中采用2函數(shù)設計低通FIR濾波器，其程序代碼 為：f=0 0.38 0.5 1;m=1 1 0 0;b=fir2(36,f,m);在MATLA呻輸入以上代碼，求出濾波器系數(shù)如下具有兩邊對稱，h(0)=h(36)= 0.0010, h(1)=h(35)= -0.0036 , TOC o 1-5 h z h(3)=h(33)=0.0065,h(2)=h(34)=0.0000h(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)=0.0184h(9)=h(27)

14、= 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(15)=h(21)= 0.0848, h(16)=h(20)=0.0598 ,h(18)=0.4375CCS勺輸入語音信號的輔助產生(MATLAB1、理想情況：FIR濾波器的輸入數(shù)據(jù)存儲在indata.dat 文件中，共300個 點，由頻率為1000Hz和2500Hz的兩個余弦波疊加而成2、為了驗證設計的可行性，自身錄制一個語音片段，主要信號為低頻成分,其中夾雜著高頻成分的噪聲。在MATLA呻產生一個indat

15、a.dat 文件供CCSt入，在 matlab中輸入的代 碼為：h(14)=h(22)= -0.0524 h(17)=h(19)=0.3108FIR濾波器設計結果，觀察Input和Output視窗中濾波器前后的時域觀 察波形圖，觀察濾波效果，數(shù)字濾波器仿真結果時域圖如圖所示，x=wavread(D:matlabworkXINZAO.wav);%語音文件的路徑 y=fft(x,1x=wavread(D:matlabworkXINZAO.wav); %語音文件的路徑y(tǒng)=fft(x,1024);plot(abs(y(1:1000); %采1 100 個點x1=round(1024*x);fid=fo

16、pen(indata.dat,w); %生成一個 dat 文件fprintf(fid,1651 1 00E2 1000n);fprintf(fid,%dn,x1); % 輸出原始信號波形11 nv? 原始信號頻譜3.2.3 FIR濾波器的CC年現(xiàn)Css程序流程圖如右圖所示應用軟件CCSffl置：點擊進入CCS首先點擊Setup CCS3.3, 點擊進入運行界面，如圖7。選中 C5410 Device Simulator 一項，另 外為了方面選擇芯片，可以先在窗口的右面的 Family 和 Plarform 及 Endia 選項，點擊 Save and Quit就會彈出控制窗口 .。在控制窗口

17、open選項中選中C5410Device Simulator/CPU,就可以開始新建一個工程。新建一個fir工程，然后新建.asm文件.cmd文件等，將它們添加到工程中 來，CCSS程界面如下主要循環(huán)程序如下：MAC*息標：*-欣一廠7STH.其亨噬己MVKE*：GraphTime/Frequency,出現(xiàn)選項窗口，設置相應選項，觀察濾 波效果。濾波前的信l=L節(jié):Tilri_|iO|L linJ fc!iia1a：ii iUrl aij-i 04ci-l j問mill國弋荏油各；五立循&比irz+幅r出由囪l uliEt+hu,育 rial二1PhjitasariAnl &q一* Bu-1

18、”% T1 El iw n T- *- piUk ui V*圖4流波前信號頻譜油用圖濾波后的效果：10圖6濾波后信號頻譜圖4.設計過程中遇到的問題及解決的辦法1、在我們確定濾波器參數(shù)時，剛開始我們忽略了采樣定理，結果設計出來 的低通濾波器是錯誤的，經(jīng)過在 Matlab軟件的工具包里，設計低通濾波器，如 圖18的界面，經(jīng)過測試，如果條件不符合采樣定理的就會出現(xiàn)錯誤提示界面， 我們最后修改正確了。2、為了實現(xiàn)語音及噪聲的通過設計的濾波器進行驗證，需要制作一個語音 及噪聲的.dat文件，以供CCS言號輸入，對軟件不熟練的我們不懂的怎么應用？ 答：通過到圖書館借相應的書來自學，學習 MATLAB勺生成

19、.dat文件的相關命令 語句，以及請教其他同學。通過不斷的討論和研究，知道了要對信號進行采樣， 再通過fopen語句等，才能生成dat文件3、通過MATLABffl助，求出的 b系數(shù)，剛開始在 CCS里面表示時，用 x*32768/10000 （x為b系數(shù)的整數(shù)部分），結果在編譯時出現(xiàn)了問題。另外，當 求得的系數(shù)存在有大于四位時，也會出現(xiàn)錯誤？11答：經(jīng)過學習和與隊員研究討論，發(fā)現(xiàn)這是因為一些大于1的系數(shù)，即是大 于四位的整數(shù)除去10000,才會出現(xiàn)warning ,我們剛開始用的是32768,即Q15, 會使運算結果溢出，于是把 32768改為了 1024,即Q10,這樣后就解決了存在的 問

20、題，4、通過load data時，在配置地址和長度時，我們沒有忘記按照自己設定 的起始地址及長度，結果顯示出來的圖像與真實的有極大的偏差。答：把Address和Length的參數(shù)填寫自己在生成dat文件是所設置的值一 致，最后濾波輸出波形正確。參考文獻11鄒彥DSP原理及應用.北京：電子工業(yè)出版社.2009【2】劉樹棠.信號與系統(tǒng).第二版.西安交通大學出版社.20083劉衛(wèi)國.MATLAB程序設計與應用 第二版.高等教育出版社.20084程佩青.數(shù)字信號處理教程.第三版.清華大學出版社.2009附錄1.主程序 fir.asm :.title FIR.ASM.mmregs12.def start.bss yn,1xn .usect xn,37hn .usect hn,37indata .usect indata,300outdata .usect outdata,256.datafir_coff:.word-10*1024/10000,-36*1024/100000*1024/10000,65*1024/10000 .word 32*1024/10000,-88*1