使用NUTTALLWIN设计的FIR滤波器.doc

拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 1 页 共 18 页 基于基于 TI C6713的的拉弦音乐滤波去噪拉弦音乐滤波去噪 使用使用 NUTTALLWINNUTTALLWIN 设计的设计的 FIRFIR 滤波器滤波器 指导老师 高明指导老师 高明 摘 要 本课程设计采用 NUTTALLWIN 设计一个 FIR 滤波器 对一段加噪 拉弦音乐信号进行滤波去噪处理并根据滤波前后的波形和频谱分析滤波性能 本课程设计仿真平台为 CCS3 1 开发工具是 C 语言 M 语言编程 首先从网 上下载一段拉弦乐器音乐信号 用格式转换器转换成 WAV 格式 用电脑录音 机截取其中一段作为信号源 并人为加入一单频噪声 最后比较滤波前后的波 形和频谱并进行分析 由分析结果可知 滤波器后的语音信号与原始信号基本 一致 即设计的 FIR 滤波器能够去除信号中所加单频噪声 达到了设计目的 关键词 滤波去噪 FIR 滤波器 NUTTALLWIN CCS3 1 1 引引 言言 本课程设计主要内容是从网上下载一段拉弦器演奏音乐信号 进行加噪并 利用 NUTTALLWIN 窗设计满足指标的 FIR 滤波器进行去噪处理 比较滤波前 后语音信号的波形及频谱 画出滤波前后的波形及频谱图 通过比较波形及频 谱图得出滤波前后的信号相差无几 可见滤波器在信号处理中占据中重要的地 位 利用它我们可以得出我们需要的信号 而不需要的 即对我们需要的有用 信号造成影响甚至失真的噪声我们可以通过滤波器滤掉 因此 我们必须掌握 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 2 页 共 18 页 滤波去噪这门重要的技术 1 1 课程设计目的课程设计目的 本课程设计的主要目的是采用 NUTTALLWIN 窗设计一 FIR 滤波器 对拉 弦器演奏音乐信号进行加噪并用所设计的 FIR 滤波器进行去噪处理 并且通过 设计熟悉 CCS3 1 的使用 了解 FIR 滤波器的特性 根据结果和在课堂上的学 到的知识得出结论 学会将理论知识应用与实践之中 通过本次课程设计 我 们应该掌握滤波去噪这门在信号处理中重要的技术 1 2 课程设计的要求课程设计的要求 1 滤波器指标必须符合工程实际 2 设计完后应检查其频率响应曲线是否满足指标 3 处理结果和分析结论应该一致 而且应符合理论 4 独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告书 1 3 设计平台设计平台 本次课程设计中系统的开发平台为 CCS3 1 程序运行平台为 Windows XP CCS 是 TI 公司推出的用于开发 DSP 芯片的集成开发环境 它采用 Windows 风格界面 集编辑 编译 链接 软件仿真 硬件调试以及实时跟踪 等功能于一体 极大地方便了 DSP 芯片的开发与设计 是目前使用最为广泛的 DSP 开发软件之一 一 CCS 的简介 CCS 是一种针对 TMS320 系列 DSP 的集成开发环境 在 Windows 操作系统 下 采用图形接口界面 提供环境配置 源文件编辑 程序调试 跟踪和分析 等工具 CCS 有两种工作模式 1 软件仿真器模式 可以脱离 DSP 芯片 在 PC 机上模拟 DSP 的指令集 和工作机制 主要用于前期算法实现和调试 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 3 页 共 18 页 2 硬件在线编程模式 可以实时运行在 DSP 芯片上 与硬件开发板相结合 在线编程和调试应用程序 本次实验主要采用软件仿真器模式 1 2 设计原理设计原理 有限冲击响应 FIR 滤波器在数字信号处理系统中有着广泛的应用 FIR 滤波器设计方法主要分为两类 第一类是最优设计法 第二类是基于逼近理想 滤波器特性的方法 包括窗函数法 频率采样法和等波纹最佳逼近法 而其中 最常见的设计法就是窗口法设计 窗口法设计的基本思想是对于给定的滤波器 技术要求 选择滤波器长度 M 和具有最窄主瓣宽度和尽可能最小的旁瓣衰减的 某个窗函数 W n 2 2 1 FIR 滤波器滤波器 数字滤波器是数字信号处理重要的一个内容 一般来说 一个数字滤波器分 3 个步骤来完成 1 技术要求 在设计滤波器之前 必须要有某些技术要求 这些技术要求 是由用途决定的 2 近似 一旦技术要求确定之后 就要用自己学过的各种概念和数学提供 一种滤波器的表述 它接近于所给出的一组技术要求 3 实现 上面一步的结果是一个滤波器的表述 它可能是一个差分方程的 形式 或者是某一系统函数 H z 或者是某一脉冲响应 h n 依据这个表述 要用硬件实现这个滤波器 或者在一台计算机上通过软件实现 2 相对于 IIR 滤波器 FIR 滤波器在保证幅度特性满足技术要求的同时 还 能做到严格线性相位特性 我们知道 无失真传输与滤波处理的条件是 在信号的有效频谱范围内系 统幅频响应为常数 相频响应为频率的线性函数 即具有线性相位 3 在数 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 4 页 共 18 页 字通信和图像传输与处理等应用场合都要求滤波器具有线性相位特性 另外 FIR 滤波器是全零点滤波器 硬件和软件实现结构简单 不用考虑稳定性问题 所以 FIR 滤波器是一种很重要的滤波器 在数字信号处理领域得到广泛应用 FIR 滤波器的特点 1 单位抽样响应 h n 是有限长的 因此 FIR 滤波器一定是稳定的除 此之外 还可用 DFT 实现 2 经延时 h n 总可变成因果序列 所以 FIR 滤波器总可以由因果 系统实现 3 FIR 的系统函数是 z 1 的多项式 故 IIR 的方法不适用 4 FIR 的相位特性可以是线性的 因此 它有更广泛的应用 2 2 窗口设计法窗口设计法 窗口法设计的基本思想是对于给定的滤波器技术要求 选择滤波器长度 M 和具有最窄主瓣宽度和尽可能最小的旁瓣衰减的某个窗函数 W n 基本概念 1 窗谱 窗函数的频响的幅度函数亦称作窗谱 2 对窗函数要求 希望窗谱主瓣尽量窄 以获得较陡的过渡带 这是因为过渡带等于主瓣宽 度 尽量减少窗谱最大旁瓣的相对幅度 这样可使肩峰和波纹减少 就可以增 大阻带的衰减 数字信号处理的主要数学工具是傅里叶变换 而傅里叶变换是研究整个时 间域和频率域的关系 不过 当运用计算机实现工程测试信号处理时 不可能 对无限长的信号进行测量和运算 而是取其有限的时间片段进行分析 做法是 从信号中截取一个时间片段 然后用观察的信号时间片段进行周期延拓处理 得到虚拟的无限长的信号 然后就可以对信号进行傅里叶变换 相关分析等数 学处理 无线长的信号被截断以后 其频谱发生了畸变 原来集中在 f 0 处的 能量被分散到两个较宽的频带中去了 这种现象称之为频谱能量泄漏 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 5 页 共 18 页 为了减少频谱能量泄漏 可采用不同的截取函数对信号进行截断 截断函 数称为窗函数 简称为窗 4 信号截断以后产生的能量泄漏现象是必然的 因为窗函数 w t 是一个频带 无限的函数 所以即使原信号 x t 是限带宽信号 而在截断以后也必然成为无 限带宽的函数 即信号在频域的能量与分布被扩展了 又从采样定理可知 无 论采样频率多高 只要信号一经截断 就不可避免地引起混叠 因此信号截断 必然导致一些误差 泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关 如果两侧瓣的高度趋 于零 而使能量相对集中在主瓣 就可以较为接近于真实的频谱 为此 在时 间域中可采用不同的窗函数来截断信号 5 我们知道 用窗函数法设计的滤波器性能取决于窗函数的类型及窗口 n 长度N的取值 设计过程中 要根据对阻带最小衰减和过渡带宽度的要求选择 合适的窗函数类型和窗口长度 N 各种类型的窗函数可达到的阻带最小衰减和 过渡带宽度见表 2 1 表表 2 12 1 常见窗函数性能表常见窗函数性能表 名称名称 滤波器滤波器 过渡带宽过渡带宽 最小阻带最小阻带 衰减衰减 名称名称 滤波器滤波器 过渡带宽过渡带宽 最小阻带衰最小阻带衰 减减 矩形矩形1 8 M21dBPARZENWIN6 6 M56db 巴特利特巴特利特6 1 M25dBFLATTOPWIN19 6 M108db 汉宁汉宁6 2 M44dBGAUSSWIN5 8 M60db 汉明汉明6 6 M51dBBARTHANNWIN3 6 M40db 布莱克曼布莱克曼11 M74dBBLACKMANHARRIS16 1 M109db BOHMANWIN5 8 M51 5dbCHEBWIN15 2 M113db NUTTALLWIN15 4 M108dbTUKEYWIN2 4 M22db 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 6 页 共 18 页 3 3 设计步骤设计步骤 3 13 1 设计流程图设计流程图 设计的流程主要有信号的采集并加入噪声 然后用 NUTTALLWIN 窗设 计滤波器 检测滤波器性能后对加噪信号进行滤波处理 然后对滤波前后的信 号进行对比分析 得出结论 具体设计流程图如下 图 3 1 设计流程图 3 2 CCS 系统配置以及仿真系统配置以及仿真 音乐波形的仿真 音乐波形的仿真 1 进入 CCS 系统配置 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 7 页 共 18 页 启动 CCS 配置程序 双击桌面上的 Setup CCS 快捷图标 弹出对话框 添 加 TMS 320C6713 芯片型号 图 3 2 CCS 配置窗口 2 在 Matlab 中将 M 文件生成 dat 文件 打开 Matlab 软件 将音乐和音乐的 wav2dat M 文件拷入 Matlab 的 work 文 件夹下 在 Matlab 中打开 wav2dat M 文件 运行即可生成 input dat 文件 wav2dat M 文件的程序如下 y Fs bits wavread kongshanniaoyu wav y1 y 1 y1 y1 1 y1 y1 100 fid fopen input dat w fprintf fid 1651 1 0 1 0 n fprintf fid 0 x x n round y1 fclose fid 4 CCS编译 调试 运行 利用 CCS 创建一个新工程 然后向该工程中添加源代码文件和库文件 1 CCS 的安装目录为 c ti 首先在文件夹 c ti myprojects 下建立一个新的 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 8 页 共 18 页 文件夹 命名为 xty 2 将主函数 main c 与 input dat 文件拷贝到该新建的文件夹中 3 向工程中添加文件 在 CCS 中选择菜单 Project dd Files to Project 并在文件类型选框中选汇编源文件 a s 将 main c 添加到 Source 文件夹 rts6700 lib 添加到 Libraries 文件夹 c6x h 添加到 Documents 文件夹中 4 打开 main c 主函数 选择软件窗口上的 CCS 重新编译 并链 接工程中的全部文件 编译过程信息显示在 CCS 下部的窗口中 5 在主函数中添加断点与指针 编译完主函数后 单击 x in short dat 语句 选择 添加断点 选择 添加指针 6 在默认情况下 将当前工程目录下的 debug 子目录中生成 out 文件 通 过 CCS 工具条可改变生成文件的存放位置 7 选 File Load Program 并在对话框中选刚刚编译生成的文件 xty out 单击 Open 打开 8 从 File 菜单选择 File I O File I O 对话框出现以便选择输入 输出文件 如下图所示 添加文件并修改参数 图图 3 3 File I O 窗口的参数设计窗口的参数设计 9 显示时域图形 选菜单 View Graph Time Frequency 在 Graph Property 对话框中 Start Address 为 in Acquisition Buffer Size 为 512 Display 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 9 页 共 18 页 Data Size 为 512 DSP Data Type 为 32 bit floating point Autoscale 为 Off Maximum Y value 为 200 音乐波形的时域图就能绘出来了 10 显示频域域图形 选菜单 View Graph Time Frequency 在 Graph Property 对话框中 Display Type 选为 FFTmagniftude Maximum Y value 为 5000 音乐波形的频域图就能绘出来了 图图 3 4 时域波形图的绘图窗口时域波形图的绘图窗口 4 仿真结果 经过上面的仿真后 可以得到下面的原始音乐的时域波形图以及频域波形 图 图图3 5 原始音乐原始音乐时域波形图时域波形图 图图3 6 原始音乐原始音乐频域波形图频域波形图 加噪音乐波形的仿真 加噪音乐波形的仿真 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 10 页 共 18 页 将加噪的 M 文件用 Matlab 生成 input dat 噪声为幅度为 1 频率为 4200 的正弦波 放入 CCS3 1 进行调试 编译 绘出加噪的音乐的时域与频域波形 图 图图 3 7 加噪音乐加噪音乐时域波形图时域波形图图图 3 8 加噪音乐加噪音乐频域波形图频域波形图 去噪音乐波形的仿真 去噪音乐波形的仿真 将去噪的将加噪的 M 文件用 Matlab 生成 input dat 与 fir h 文件 将 fir h 文件 加入 CCS3 1 的 Documents 绘出文件的输入与输出波形 得到下图输出音乐波 形 图图 3 9 去噪音乐去噪音乐时域波形图时域波形图图图 3 10 去噪音乐去噪音乐时域波形图时域波形图 去噪的音乐波形与加噪前的波形相比 去噪后的波和加噪前的波形基本相 同 滤波成功 3 3 滤波器设计滤波器设计 滤波器性能指标 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 11 页 共 18 页 fpd 2000 fsd 2050 fsu 2150 fpu 2200 Rp 1 As 40 采用 NUTTALLWIN 窗设计滤波器 NUTTALLWIN 窗的参数为 s 108db B 15 4 M 采用 NUTTALLWIN 窗设计滤波器程序如下 fpd 2000 fsd 2050 fsu 2150 fpu 2200 Rp 1 As 40 带阻滤波器设计指 标 fcd fpd fsd 2 fcu fpu fsu 2 df min fsd fpd fpu fsu 计算上下边带中 心频率 和频率间隔 wcd fcd fs 2 pi wcu fcu fs 2 pi dw df fs 2 pi 将Hz为单位的模拟频率换算为rad为单位的数字频率 wsd fsd fs 2 pi wsu fsu fs 2 pi M ceil 15 4 pi dw 1 计算汉宁窗设计该滤波器时需要的阶数 n 0 M 1 定义时间范围 w ham NUTTALLWIN M hd bs ideal lp wcd M ideal lp pi M ideal lp wcu M 调用自编函数计算理想带阻滤波器的脉冲响应 h bs w ham hd bs 用窗口法计算实际滤波器脉冲响应 db mag pha grd w freqz m h bs 1 调用自编函数计算滤波器的频率特性 然后用绘图命令分别画出窗口法设计出来的滤波器的幅度响应和脉冲响应如图 3 3 所示 0 050 060 070 080 090 10 110 120 130 140 15 60 50 40 30 20 10 0 10 位 位 位 位 位 位 位 位 w pi 位 位 mag 0 050 060 070 080 090 10 110 120 130 140 15 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 位 位 位 位 位 位 位 位 w pi 位 位 mag 00 10 20 30 40 50 60 70 80 91 4 2 0 2 4 位 位 位 位 位 位 位 位 w pi 位 位 pha 01000200030004000500060007000 0 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 位 位 位 位 位 位 位 位 n h n 图图 3 11 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 12 页 共 18 页 3 5 结果分析结果分析 通过滤波后可听到已经没有尖锐的单频啸叫声 再通过对滤波前后语音信 号的波形及频谱比较分析可以知道该 NUTTALLWIN 窗 FIRDF 达到了滤波的效 果 滤波后滤除了噪声信号还原了原来的语音信号 空山鸟语 完成了设计指 标 4 出现的问题及解决方法出现的问题及解决方法 在做课程设计的过程中还是遇到了不少的问题 主要由于学校教材上面虽 有几种常见的窗函数设计 FIRDF 但没有关于 NUTTALLWIN 窗的说明 具体 操作起来还是有些生疏 所以做之前先上网查了有关 NUTTALLWIN 窗方面的 知识 这无形之中就比别的同学多了工作量 4 1 出现的问题出现的问题 1 在画滤波器幅响应图红线的时候 由于取值范围大了而不能得出正确 结果 2 在滤波处理的时候 单频噪声部分噪声频率设置的为 2200 但滤波 器参数设置部分最高带阻为 2200 4 2 解决的方法解决的方法 1 缩小取值范围 最后的出正确结果 2 把噪声信号改到 2100 在本次课程设计中还遇到了很多小问题 就比如因为不熟悉仿真平台 对 学过的知识应用不够熟练 所以很多问题就要请教老师和去翻看教材看 虽然 这样浪费了很多时间 但是最后还是把问题解决了 自己也从请教老师和翻看 教材过程中巩固了自己以前学的知识 除此之外也学到了很多新的知识 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 13 页 共 18 页 5 5 结束语结束语 每一次的课程设计总会有许多的收获 无论是之前的数字信号处理还是通 信原理的课程设计 我都能在各种挑战中有所成长 而当我拿到这个课程设计 的题目时 在我有些感叹这个题目很难时 也高兴有了一个更进一步的机会 其中所遭遇的种种困难 让我对于我们的专业 有了更深的理解 明白了以后 要走的路的艰辛 这次课程设计的顺利完成 不得不去感谢在这段旅程中给予我帮助的同学 和老师 在和同学激烈的探讨中 我获得了新鲜的想法 获得了不断的鼓励 获得了完成设计的自信 而在这段新的挑战旅程中 我真的很感谢我的老师 感谢老师给了我无私的指导 我想 要是没有这些陪我一起走过 为我加油的 同学老师们 我不会那么顺利地完成这次的设计 在整个课程设计的过程当中 不仅使我学到了许多知识 也培养了我独立 解决问题的能力 加深了我对专业知识的了解 树立了我对自己独立完成任务 的信心 大大提高了我的动手动脑能力 收集整理资料的能力 我相信对以后 的工作会有很大的帮助 会提高自己对待事物的分析解决能力 思考问题的角 度也会更全面 当然 这次的收获不仅仅是完成任务后满满的成就感 还有需要更加努力 学习实践的动力 在这次的设计课程观中 我深刻地发现了自己在知识和实践 方面仍有许多的不足 把理论知识放到实践中完全是另外一回事 单单掌握理 论知识是远远不够的 实践需要的不仅仅是知识 还需要迁移能力 动手能力 与人合作的能力等等 所以我也希望学校能够多提供更多的实践机会 这才能 让我们获得真正的提高 实践不仅仅是检验真理的唯一标准 也是提高实践能 力的途径 发现问题解决问题的途径 虽然课程设计的任务已经顺利完成 但是这是一个不成熟的作品 其中必 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 14 页 共 18 页 然包含着许许多多的问题 其中的不足之处还希望老师能谅解并给予指正 我 真诚地期待老师给予的建议 参考文献参考文献 1 张威 MATLAB 基础与编程入门 西安 西安电子科技大学出版社 2007 2 维纳 K 英格尔 约翰 G 普罗克斯 数字信号处理 MATLAB 版 西安 西安交通大学出版社 2007 3 樊昌信 曹丽娜 通信原理 第 6 版 北京 国防工业出版社 2006 4 程佩青 数字信号处理教程 北京 清华大学出版社 2007 5 吴大正 信号与线性系统分析 北京 高等教育出版社 2008 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 15 页 共 18 页 附录附录 1 语音信号采集源程序 语音信号采集源程序 程序名称 拉弦音乐信号的采集 程序功能 实现语音信号的采集 并且画出音频信号的时域和频域图 程序作者 最后修改日期 2012 2 29 x fs bits wavread C Documents and Settings Administrator 桌面 246 张韶 空山 鸟语 输入参数为文件的全路径和文件名 输出的第一个参数是每个样本 的值 fs 是生成该波形文件时的采样率 bits 是波形文件每样本的编码位数 sound x fs bits 按指定的采样率和每样本编码位数回放 N length x 计算信号 x 的长度 fn 2100 单频噪声频率 此参数可改 t 0 1 fs N 1 fs 计算时间范围 样本数除以采样频率 x x y x 0 1 sin fn 2 pi t sound y fs bits 应该可以明显听出有尖锐的单频啸叫声 X abs fft x Y abs fft y 对原始信号和加噪信号进行 fft 变换 取幅度 谱 X X 1 N 2 Y Y 1 N 2 截取前半部分 deltaf fs N 计算频谱的谱线间隔 f 0 deltaf fs 2 deltaf 计算频谱频率范围 subplot 2 2 1 plot t x axis 0 2 8 0 4 0 4 title 语音信号时域波形 xlabel 时间 单位 s ylabel 幅度 n 1 N 2 deltaf subplot 2 2 2 plot n X axis 0 2500 0 2000 title 语音信号频域波形 xlabel 频 率 单位 Hz ylabel 幅度谱 subplot 2 2 3 plot t y axis 0 2 8 0 5 0 5 title 语音加噪信号时域波形 xlabel 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤波器 第 16 页 共 18 页 时间 单位 s ylabel 幅度 subplot 2 2 4 plot n Y axis 0 5000 0 8000 title 语音加噪信号频域波形 xlabel 频率 单位 Hz ylabel 幅度谱 附录附录 2 滤波器设计源程序 滤波器设计源程序 程序名称 滤波器的设计 程序功能 用 FIR 滤波器原型 再用 NUTTALLWIN 窗函数设计法将其离散 化为数字滤波器 程序作者 王培乙 最后修改日期 2012 2 29 fpd 2000 fsd 2050 fsu 2150 fpu 2200 Rp 1 As 40 带阻滤波器设计指 标 fcd fpd fsd 2 fcu fpu fsu 2 df min fsd fpd fpu fsu 计算上下边带中 心频率 和频率间隔 wcd fcd fs 2 pi wcu fcu fs 2 pi dw df fs 2 pi 将Hz为单位的模拟频率换算为rad为单位的数字频率 wsd fsd fs 2 pi wsu fsu fs 2 pi M ceil 15 4 pi dw 1 计算汉宁窗设计该滤波器时需要的阶数 n 0 M 1 定义时间范围 w ham NUTTALLWIN M hd bs ideal lp wcd M ideal lp pi M ideal lp wcu M 调用自编函数计算理想带阻滤波器的脉冲响应 h bs w ham hd bs 用窗口法计算实际滤波器脉冲响应 db mag pha grd w freqz m h bs 1 调用自编函数计算滤波器的频率特性 subplot 2 2 1 plot w pi db title 滤波器幅度响应图 xlabel w pi ylabel 幅度 mag axis 0 05 0 15 60 10 line 0 0 6 0 0 color r LineStyle LineWidth 2 line 0 0 6 40 拉弦音乐滤波去噪 使用 NUTTALLWIN 设计的 FIR 滤