语音信号的FIR滤波器处理

1、（语音信号的FIR滤波器处理）课程名称：DSP原理及应用报告提交日期2011年12月13日项目答辩日期2011年12月13日1 导论以及设计要求1.1引言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。数字信号处理器，也称DSP芯片，是针对数字信号处理需要而设计的一种具有特殊结构的微处理器，它是现代电子技术、相结合的产物。一门主流技术，随着信息处理技术的飞速发展，计算机技术和数字信号处理技术逐渐发展成为使它在电子信息、通信、软件无线电、自动控制、仪表技术、

2、信息家电等高科技领域得到了越来越广泛的应用。数字滤波是语音处理、图像处理、频谱分析等应用中的基本处理算法。DSP 是一种处理数字信号的专用微处理器, 主要应用于实时快速地实现各种信号的数字处理算法。 用 DSP 芯片实现数字滤波具有稳定性好、精确度高、不受环境影响等优点。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

3、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

4、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 Finite Impulse Response)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

5、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

6、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。2.4 FIR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

7、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

8、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1 FIR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

9、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。2.5 FIR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

10、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

11、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:l 具有较低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度;l 旁瓣幅度下降速度要大，以利增加阻带衰减;l 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

12、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。3 FIR滤波器设计与实现过程3.1 FIR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(Hamming Window)函数，通带截止频率为1500 Hz，阻带截止频率为2000 Hz，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

13、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3.2 FIR滤波器设计过程3.2.1FIR滤波器设计流程用MATLAB中设计滤波器得到系数表导出滤波器系数表用MATLAB产生待滤波数据CCS中的FIR滤波器程序输出波形观察图5 设计流程图3.2.2 FIR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=0 0.38 0.5 1;m=1 1 0 0;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)

14、=h(35)=0.0036 ，h(2)=h(34)=0.0000h(3)=h(33)=0.0065 ， h(4)=h(32)=0.0032 ， h(5)=h(31)=0.0088h(6)=h(30)=0.0093 ， h(7)=h(29)=0.0090 ， h(8)=h(28)=0.0184h(9)=h(27)=0.0047 ， h(10)=h(26)=0.0297 ，h(11)=h(25)=0.0071h(12)=h(24)=0.0417 ， h(13)=h(23)=0.0316 ， h(14)=h(22)=0.0524h(15)=h(21)=0.0848， h(16)=h(20)=0.05

15、98， h(17)=h(19)=0.3108h(18)=0.4375CCS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:matlabworkXINZAO.wav'); %语音文件的路径 y=fft(x,1024);plot(abs(

16、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,'1651 1 00E2 1000n');fprintf(fid,'%dn',x1); %输出3.2.3 FIR滤波器的CCS实现应用软件CCS配置：点击进入CCS：首先点击Setup CCS3.3如下图6，点击进入运行界面，如图7。图6 CCS图标图7 芯片设置窗口选中C5410 Device Simulator一项，另外为了方面选择芯片，可以先在窗口的右面

17、的Family和Plarform及Endia选项，点击Save and Quit就会弹出图8控制窗口.。图8 控制窗口在控制窗口open选项中选中C5410 Device Simulator/CPU,就可以开始新建一个工程，工程面板如图9所示。图9 工程面板新建一个fir工程，然后新建.asm文件 .cmd文件等，将它们添加到工程中来，如图10图10 CCS编程界面对程序进行编译：执行ProjectCompile命令，也可以用快捷键就可以对当前的汇编程序进行编译生成.obj文件。如果程序存在语法错误，那么就会在下面的编译链接信息框中显示错误信息。根据错误提示，对程序进行一一修改对程序进行编译链

18、接：执行ProjectBuild命令，也可以用快捷键就可以对当前的项目文件同时进行编译，汇编和链接操作，并生成与工程项目名称相同的可执行的.out文件。如果有错误信息，则会在“编译链接”信息框中显示。也可以执行Project下的build All命令，所有项目中的文件重新编译，汇编和链接，生成.out文件。装载.out文件：单击主菜单“File”中“Load Program”选项，在对话框中，在CCS安装目录下，找到构建该工程的Debug目录，选择构建生成后的.out文件，如图11.图11 转载.out文件在data项中选择load,转载之前在MATLAB中生成的indata.dat文件，会弹

19、出以下窗口，对地址和长度进行相关设置图12 地址长度设置窗口点击ok后，开始点击run，运行工程，如果有异常情况，逐一检查。3.3 FIR滤波器设计结果观察Input和Output视窗中滤波器前后的时域观察波形图，点击CCS中View>>Graph>>Time/Frequency，出现如图13选项窗口，设置相应选项，观察滤 波效果。图13 Graph选项设置窗口数字滤波器仿真结果时域图如图14和图15所示，频域图如图16和图17所示：图14 时域 input图15 时域 output图16 频域 input图17 频域 output4.设计过程中遇到的问题及解决的办法1

20、、在我们确定滤波器参数时，刚开始我们忽略了采样定理，结果设计出来的低通滤波器是错误的，经过在Matlab软件的工具包里，设计低通滤波器，如图18的界面，经过测试，如果条件不符合采样定理的就会出现错误提示界面，我们最后修改正确了。图18 低通滤波器的设置2、为了实现语音及噪声的通过设计的滤波器进行验证，需要制作一个语音及噪声的.dat文件，以供CCS信号输入，对软件不熟练的我们不懂的怎么应用？答：通过到图书馆借相应的书来自学，学习MATLAB的生成.dat文件的相关命令语句，以及请教其他同学。通过不断的讨论和研究，知道了要对信号进行采样，再通过fopen语句等，才能生成dat文件3、通过MATL

21、AB辅助，求出的b系数，刚开始在CCS里面表示时，用x*32768/10000（x为b系数的整数部分），结果在编译时出现了问题。另外，当求得的系数存在有大于四位时，也会出现错误？答：经过学习和与队员研究讨论，发现这是因为一些大于1的系数，即是大于四位的整数除去10000，才会出现warning，我们刚开始用的是32768，即Q15,会使运算结果溢出，于是把32768改为了1024，即Q10,这样后就解决了存在的问题，如图19.图19 系数的运算4、通过load data时，在配置地址和长度时，我们没有忘记按照自己设定的起始地址及长度，结果显示出来的图像与真实的有极大的偏差。答：把Address

22、和Length的参数填写自己在生成dat文件是所设置的值一致，最后滤波输出波形正确。参考资料【1】邹彦 DSP原理及应用. 北京：电子工业出版社. 2009【2】刘树棠. 信号与系统. 第二版. 西安交通大学出版社. 2008【3】刘卫国. MATLAB程序设计与应用 第二版. 高等教育出版社. 2008【4】程佩青. 数字信号处理教程. 第三版. 清华大学出版社. 2009附 录 程序清单1.主程序fir.asm： .title "FIR.ASM" .mmregs .def start .bss yn,1 xn .usect "xn",37hn .us

23、ect "hn",37indata .usect "indata",300outdata .usect "outdata",256 .datafir_coff: .word -10*1024/10000,-36*1024/10000 .word 0*1024/10000,65*1024/10000 .word 32*1024/10000,-88*1024/10000 .word -93*1024/10000,90*1024/10000 .word 184*1024/10000,-47*1024/10000 .word -297*102

24、4/10000,-71*1024/10000 .word 417*1024/10000,316*1024/10000 .word -524*1024/10000,-848*1024/10000 .word 598*1024/10000,3108*1024/10000 .word 4375*1024/10000 .word 3108*1024/10000,598*1024/10000 .word -848*1024/10000,-524*1024/10000 .word 316*1024/10000,417*1024/10000 .word -71*1024/10000,-297*1024/10000 .word -47*1024/10000,184*1024/10000 .word 90*1024/10000,-93*1024/10000 .word -88*1024/10000,32*1024/10000 .word 65*102