基于DSP的音频信号处理的滤波分析

华南师范大学DSP 原 理 与 应 用 技 术课 程 设 计课程名称： DSP 原理与应用技术 课程题目： 基于 DSP 的音频信号处理的滤波分析 指导老师： 专业班级： 2015 级 电路与系统 姓 名： 学 号： 20150 2016 年 7 月 20 日基于 DSP 的音频信号处理的滤波分析摘要：数字处理器（DSP）有很强的数据处理能力，它在高速数字信号处理领域有广泛的应用，例如数字滤波、音频处理、图像处理等。相对于模拟滤波器，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以达到很高，容易集成等 1。使用可编程的DSP芯片实现数字滤波可以通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性 2，本设计是利用DSP芯片TMS320VC5409的实验室开发板设计实现高阶FIR带通数字滤波器。本设计利用了matlab的fdatool工具箱产生FIR滤波器的参数，matlab的fdatool工具提供了一个很强大且十分便捷的方式去获得FIR滤波器的的C程序头文件。关键词：DSP TMS320VC5409 高阶FIR带通数字滤波器 fdatool工具箱AbstractDigital processor (DSP) has a strong ability of data processing, it has extensive application in the field of high speed digital signal processing, such as digital filter, audio processing, image processing, etc. Compared with analog filters, digital filter without drift, able to handle low frequency signal, the frequency response can be made very close to the ideal characteristics, and can reach high precision, easy integration, etc. Using programmable DSP chip to realize digital filtering by modifying the parameters of filter is very convenient to change the filter characteristics, this design is the use of DSP chip TMS320VC5409 laboratory development board design realization of FIR bandpass digital filter.Fdatool book design using the matlab toolbox to produce the parameters of FIR filter, the matlab fdatool toolkit provides a very powerful and convenient way to gain the FIR filter C program header files.Keywords: DSP TMS320VC5409 A high order bandpass FIR digital filter Fdatool toolkit目 录第一章 绪论 .51.1 设计背景 .51.2 设计目的 .61.3 主要设计内容 .6第二章 系统开发平台与环境 .72.1 CCS 开发环境 .72.1.1 CCS 概述 .72.1.2 CCS 集成开发环境 .82.2 本设计的系统的构成 .92.2.1 采用的开发平台介绍 .92.2.2 本系统的特点及设计过程 .112.3 用 Matlab 的 FDATool 生成 FIR 滤波器参数 .122.3.1 FDATool 的介绍 .122.3.2 FDATool 简要设计流程 .13第三章 FIR 滤波器的设计 .143.1 FIR 滤波器的基本理论 .143.1.1 FIR 滤波器的特点 .143.1.2 FIR 滤波器的基本结构 .153.2 FIR 滤波器设计总框图 .16第四章 系统软件设计 .174.1 程序流程图 .174.2 程序源代码 .184.3 程序调试 .19第五章 系统功能验证 .22第六章 设计总结 .24参考文献 .25第一章 绪论1.1 设计背景随着信息时代和数字世界的到来，数字信号处理已成为如今一门极其重要的学科和技术领域。数字信号处理在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域得到了广泛的应用。数字信号处理（DSP）包括两重含义：数字信号处理技术（Digital Signal Processing）和数字信号处理器（Digital Signal Processor）。数字信号处理（DSP）是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法、对信号进行采集、滤波、增强、压缩、估值和识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的，其应用范围涉及几乎所有的工程技术领域 3。在信号处理中，滤波就显得非常重要。在数字信号处理过程中，经常需对信号进行过滤、检测、预测等处理，这些任务的完成都要用到滤波器。数字滤波器是数字信号处理的基本方法。根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类:无限冲激响应( IIR)滤波器和有限冲激响应(FIR)滤波器。FIR 滤波器是有限长单位冲激响应滤波器，在结构上是非递归型的。它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。所以 FIR 数字滤波器广泛地应用于数字信号处理领域。数字处理器（DSP）有很强的数据处理能力，它在高速数字信号处理领域有广泛的应用，例如数字滤波、音频处理、图像处理等。相对于模拟滤波器，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应特性可做成非常接近于理想的特性，且精度可以达到很高，容易集成等 4。使用可编程的 DSP 芯片实现数字滤波可以通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性，下面主要说明利用型号为 TMS320VC5409 的 DSP 芯片为基础的实验板设计实现 FIR 数字滤波器。1.2 设计目的用可编程 DSP 芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性。因此，我们有必要对滤波器的设计方法进行研究，理解其工作原理，优化设计方法，设计开发稳定性好的滤波器系统。我们将通过 DSP 设计平台，实现较为重要的 FIR 滤波器系统。从而通过本课题的研究，掌握滤波器的设计技术，为通信、信号处理等领域实用化数字滤波器设计提供技术准备。本科题的研究，将为今后设计以 DSP 为核心部件的嵌入式系统集成提供技术准备，这不仅具有重要的理论意义，同时还具有重要的实际意义 5。同时本设计还结合了 matlab 的 fdatool 工具去设计生产 FIR 滤波器的参数，可以很好的实现音频信号的滤波，即可以很好达到实验设计要求。FIR 滤波器可以设计为线性相位，并且总是稳定的。在多数情况下，FIR 滤波器的阶数通常为高阶的，这时直接计算滤波器的参数变的非常困难，这时利用 matlab 可以非常方便的计算出要设计的 FIR 滤波器 6。1.3 主要设计内容本课题是基于 TI 公司近年推出的高性能定点 DSP TMS320VC5409 设计滤波器系统，如：有限冲击响应滤波器（FIR）。本次课题的主要任务，就是掌握DSP 芯片开发技术，完成如下工作：1、用窗函数法实现高阶带通 FIR 滤波器，以便滤除带噪声的音频信号中的噪声；2、用时间抽取法实现 FFT/IFFT 算法，通过此算法，对信号进行频域分析、频域处理；3、研究 DSP 的结构特点，了解 TI 公司的 TMS320VC5409 DSP 器件，掌握 DSP 系统的构成及软硬件设计方法和 CCS 软件的调试方法；并以 TI 公司的TMS320VC5409 DSP 为核心处理器的实验套件上实现 FIR 滤波器系统。 第二章 系统开发平台与环境2.1 CCS 开发环境本节将介绍 CCS Code Composer Studio 的基本开发环境、软件开发过程、CCS 组件。CCS 提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具，它便于实时、嵌入式信号处理程序的编制和测试，能够加速开发进程，提高工作效率。2.1.1 CCS 概述CCS 全称是 Code Composer Studio 它提供了基本的代码生成工具，具有一定的调试、分析能力，在 CCS 下的程序开发过程如图 2.1 示：图 2.1 程序开发过程CCS 包括： 1、CCS 代码生成工具2、CCS 集成开发环境 IDE 3、DSP/BIOS 插件程序和 API RTDX 插件，主机接口和 API 等。2.1.2 CCS 集成开发环境调试 DSP 目标程序，它主要由几个主要的窗口组成：工程组显示窗口、程序内容显示窗口、编辑信息提示窗口和主要工具栏。另外，在编辑过程中 还可以显示诸如存储器观察窗口、变量监视框、图形显示框等调试界面，他们为程序编写调试提供多种手段为软件开发提供了极大的方便 7。图 2.2 就是基本编辑界面。在利用 CCS 编程的过程中，不可避免的要遇到如何将程序变量分配到内存中去的问题。因为，即使 DSP 的存储空间比较大，速度也十分快，但是如果内存空间分配不当的话，还是会出现空间不够行速度下降，甚至程序跑飞的情况，这样会时程序调试起来十分麻烦。所以，一定要分配好内存空间 CCS 提供了两种分配空间的方法：利用 cmd 文件或 rcp 文件分配空间，其中 cmd 文件是纯文本格式的描述性的空间分配方式, 它的优点是程序员对空间的可控制性较高，可以将不同的块分配到指定的地址，并规定长度。但它对于初学者来说，要求对 C5410 的内存空间的分配有较清楚的认识，否则容易将数据分配到不该分配的地方，引起程序运行的冲突，甚至程序跑飞。所以，一般在编程过程中，使用 rcp 文件对程序进行内存分 rcp 文件全称是 recipe 文件，这是一种图形化界面的内存分配文件。对于一个新生成的工程组 rcp 文件的生成方法是：选择CCS 菜单上的 Tools 项，选择 linker configuration 项，将分配方式改为use the visual linker 之后直接编译，编译信息提示窗口中会显示出错信息，提示找不到 rcp 文件，双击提示 CCS 会自动弹出 rcp 生成向导，按照要求选择rcp 模板，就会生成这个工程对应的 rcp 文件，双击生成的 rcp 文件，通过visual linker 连接器可以打开这个文件 8。当程序中新增加了变量后，在 rcp 文件中会出现 Not yet placed 项，只要将其下的文件夹，根据类型拖动到 run_view 下的相应的数据存储器或程序存储器即可。还可以选择用何种类型的存储器空间装载，通过观察存储空间以使用的状况自行分配空间，所以十分灵活，并且不会出现空间重叠的现象，避免了程序跑飞。2.2 本设计的系统的构成2.2.1 采用的开发平台介绍本设计采用的实验室开发板分为 DSP 处理，FPGA 处理，单片机处理，音频处理电路模块。其系统框图如下图 2.3 所示：图 2.3 系统框图本设计的采用的开发套件的实物图如下图 2.4 所示：图 2.4 开发套件的实物图该开发平台采用的芯片基本介绍：1.TPS767D318,电源管理芯片，提供 3.3V IO 电压和 1.8V 内核电压。2.MAX232，232 串口芯片，做音效处理时，可以通过上位机将效果器的参数传给 DSP。3.CS4221，专业音频处理 AD/DA,采样率最高可达 96k,采样宽度 24bit 或 20bit可选，满足专业音频处理的要求。