基于DSP的语音信号FIR低通滤波器设计

1、科信学院DSP应用系统（三级项目）（2014/2015学年第二学期）课程名称：DSP原理与应用题目：基于DSP的语音信号FIR低通滤波器设计专业班级：信息1221学号：学生姓名：Liu指导教师：设计成绩：2015年7月10日1、项目设计目的通过课程设计，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、数字滤波器的设计过程，了解FIR的原理和特性，熟悉设计FIR数字滤波器的原理，学习FIR滤波器的DSP的实现原理，学习使用CCS的波形观察窗口观察输入/输出信号波形和频谱变化情况。2、项目设计正文2.1 硬件设计2.1.

2、1 方案设计本次设计基于ccs3.3运行环境下，使用ICETEK-VC5509-ED区验箱(包括仿真器)、麦克风输入设备、耳机输出相关设备等完成此次设计。主要是通过实验箱上AIC23芯片实时采集语音信号，进彳TFIR低通滤波，使用MATLAB环境下的FDAtool工具来产生低通滤波器系数，用DSP汇编语言或C语言进行编程实现FIR运算对语音信号进行滤波处理，并且与CCS算法库中的dsplib中的算法相比较，对所设计的FIR滤波器各项指标进评价。2.1.2 CCS开发环境配置CCSM以工作在纯软件仿真环境中，就是由软件在PC机内存中构造一个虚拟的DSP环境，可以调试、运行程序。但一般软件无法构造

3、DSP中的外设，所以软件仿真通常用于调试纯软件的算法和进行效率分析等，本次设计将使用硬件仿真(Emulator)。在使用软件仿真方式工作时，无需连接板卡和仿真器等硬件。双击桌面上图标：进入CC皱置窗口。在出现的窗口中按标号顺序进行如下设置:IImportConfiiguraltion二”JAWV*141J部4143-uriOnS一一IICETEKUSBEmulstorfor：C54ra-JT+J-U：F：TFI'IF：EmulfcS,史:fwG5S器.ImportVC54衣XDS51OU5BEmxiloirVC54gXDS51OUSBEmulatorV1C541OXDS5LDLISBE

4、mml-HrVC541BXDSSlOiUSBEmulatorRyPl1it.vw1FukilyFl*tf4r«iEndi皿二11*11二iajdCofiEiDiri.mD-s-ei*i1i0部TIIS32OCS5XMCFVR*v1.x&r*nTITETEK-51OOUfSIBEmulfttors«t.xcoruhtet«dvi<七？工/口Foart.口广单击关闭、窗口歹this&i*26一nr<U>1-1advanced.»1*ridQm"tlCli1|H*ip在出现的窗口中按标号顺序进行如下设置:BoardR

5、rofiertirsStartiipGIL的mdPrsptirt14-sSttrtuipGELFilt(i)BqdNs电*DtttFiltFrseessorCehfxpur4tion届性卡片单击完成设詈Finish图2-3Emulator配置完成图在出现的窗口中按标号顺序进行如下设置8注Ji此技Sy*lertrt匚2口也例甲i宓单d此捶tH不心动CCSS3BtegjdftMgw图2-4配置完成图X以上设置完成后，CCS已经被设置成Emulator的方式（用仿真器连接硬件板卡的方式），并且指定通过ICETEK-5100USB仿真器连接ICETEK-VC5509-A2.1.3 语音编解码芯片TLV

6、320AIC23原理ICETEK-VC5509-A评估板上有一个语音编解码芯片TLV320AIC23。TLV320AIC23内置耳机输出放大器，支持MIC和LINEIN两种输入方式（二选一），且对输入和输出都具有可编程增益调节。AIC23的模数转换（ADCs）和数模车t换（DACs）部件高度集成在芯片内部，采用了先进的Sigma-delta过采样技术，可以在8K到96K的频率范围内提供16bit、20bit、90dB和100dB。24bit和32bit的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别可以达到图2-5TMS320VC5509与TLV320AIC23的连接示意图系统中AIC23的主时钟12M

7、Hz直接由外部的晶振提供。MOD强数字地，表示利用I2C控制接口对AIC23传输控制数据。CS接数字地，定义了I2C总线上AIC23的外设地址，通过将CS接到高电平或低电平，可以选择AIC23作为从设备在I2C总线上的地址。SCLK和SDIN是AIC23控制端口的移位时钟和配置数据输入端，分别与VC5509的I2C模块端口SCL和SDA相连。收发时钟信号CLKX1和CLKR1由AIC23的串行数据输入时钟BCLK提供，并由AIC23的帧同步信号LRCIN、LRCOUT0动串口数据传输。DX0和DR0分另与AIC23的DIN和DOUT相连，从而完成VC5509与AIC23间的数字信号通信。2.1

8、.4 FIR滤波器原理对于一个FIR滤波器系统，它的冲击响应总是又限长的，其系统函数可记为：N1Hzhnz”n=0(2-a)其中N-1是FIR的滤波器的阶数，z为延时结，h(n)为端口信号函数。最基本的FIR滤波器可用下式表示：N1ynChkxnkk4(2-b)其中x(n-k)输入采样序列，h(k)是滤波器系数，N是滤波器的阶数Y(N)表示滤波器的输出序列，也可以用卷积来表示输出序列y(n)与x(n)、h(n)的关系，如下:(2-c)2.1.5 滤波器系数的生成在Matlab的Start菜单中选择Toolboxes->FilterDesign->FilterDesign&A

9、nalysisTools(fdatool),或者在命令行中输入fdatool来启动滤波器设计分析器。启动成功后界面如图所示。图2-6fdatool界面图在选项中选择或输入滤波器参数，然后点击“DesignFilter”按钮，完成滤波器的设计。具体参数及设计成功后的结果如图图2-7滤波器图从Matlab中导出FIR滤波器系数。在Fdatool中，选择Targets->CodeComposerStudio(tm)IDE,在出现的对话框中选择输出文件类型为Cheaderfile,输出系数类型为signed16-bitinteger,如图所示。点击Generate按钮，选择路径，即

10、可输出前一步设计出的FIR滤波器的系数表。图2-8系数生成图2.1.5FIR滤波器的DS际现FIR滤波器的输出表达式为(2-d)3(刀)=人0)x("_£)=Vh(i)s(n_i),=:是：0式中为滤波器系数x(n)表示滤波器在n时刻的输入y(n)为n时刻的输出。它的基本算法是一种乘法-累加运算即不断地输入样本x(n)经过延时后，再进行乘法-累加，最后输出滤波结果y(n)。该次设计中采用的是循环缓冲法设计FIR低通滤波器，循环缓冲区法的特点如下(1)对于N级FIR滤波器在数据存储器中开辟一个N单元的缓冲区滑窗用来存放最新的N个输入样本。(2)从最新样本开始取数(3)读完最后

11、一个样本最老样本后，输入最新样本来代替最老样本而其他数据位置不变。图2-9FIR滤波器循环缓冲示意图2.2软件设计2.2.1 系统分析通过麦克风利用芯片AIC23进行带噪声的语音信号采集，由于AIC本身自带A/D转化,采集得到的数据传输保存于MCBS吸据接收寄存器DDRDSP对MCBS叩的数据进行FIR滤波，并送给MCBSP中的数据发送寄存器DXRDXR中数据回传给AIC23,并利用它带的D/A转换进行输出，从而能听到滤波后的信号。2.2.2 系统流程图2.2.2实现代码主程序：/测试时音频插孔J5接音源，J7接扬声器。#include"5509.h"#include&qu

12、ot;util.h"voidwait(unsignedintcycles);voidEnableAPLL();externintfir(int*,int*,unsignedint,int);voidmain()SDRAM_init();EnableAPLL();PLL_Init(40);AIC23_Init();PLL_Init(120);for(;)(AIC23_Mixer();AIC2323_Mixer();)voidwait(unsignedintcycles)(inti;for(i=0;i<cycles;i+)voidEnableAPLL()/*EnusreDPLLis

13、running*/* (ioportvolatileunsignedshort*)0x1f00=4;wait(25);* (ioportvolatileunsignedshort*)0x1f00=0;/MULITPLY* (ioportvolatileunsignedshort*)0x1f00=0x3000;/COUNT* (ioportvolatileunsignedshort*)0x1f00|=0x4F8;wait(25);/*(ioportvolatileunsignedshort*)0x1f00|=0x800/MODE* (ioportvolatileunsignedshort*)0x

14、1f00|=2;wait(30000);/APLLSelect* (ioportvolatileunsignedshort*)0x1e80=1;/DELAYwait(60000);子程序1:#defineAUTIODATALEFT0x0d000#defineAUTIODATARIGHT0x17000int*pAudioLeft,*pAudioRight;intwww=0;intleft,right;int*pLeft,*pRight;intlft,rgt;voidAIC23_Mixer()PC55XX_MCSPpMCBSP0=(PC55XX_MCSP)C55XX_MSP0_ADDR;int*p

15、l,*pr,nAudioCount;inti;pAudioLeft=pl=(int*)AUTIODATALEFT;pAudioRight=pr=(int*)AUTIODATARIGHT;nAudioCount=0;for(i=0;i<NX;i+)xi=0;for(i=0;i<NH+2;i+)dbi=0;while(1)while(!ReadMask(pMCBSP0->spcr2,SPCR2_XRDY);/等待数据传输完成left=(*pl)=Read(pMCBSP0->ddr1);/读入左声道数据right=Read(pMCBSP0->ddr2);/读入右声道数据

16、xNX-1=left/16;/防止滤波时数据溢出rNX-1=lowpassfir();(*pr尸rNX-1;Write(pMCBSP0->dxr1,left);Write(pMCBSP0->dxr2,rNX-1);nAudioCount+;pl+;pr+;if(nAudioCount>=1024)nAudioCount=0;/breakpointpl=pAudioLeft;pr=pAudioRight;/数组r的最后一个单元为当前输出/将原始数据送左声道输出/将经过滤波后的数据送右声道输出/循环使用缓冲区for(i=0;i<NX-1;i+)/重新调整输入序列（供fir2

17、使用）xi=xi+1;)intlowpassfir()(inti,y_out=0;for(i=0;i<NX;i+)(y_out+=(xNX-i+hi);)return(y_out);)子程序2:voidAIC2323_Mixer()(PC55XX_MCSPpMCBSP0=(PC55XX_MCSP)C55XX_MSP0_ADDR;int*pll,*prr,nCount,i;pLeft=pll=(int*)AUTIODATALEFT;pRight=prr=(int*)AUTIODATARIGHT;nCount=0;for(i=0;i<NX;i+)ini=0;for(i=0;i<N

18、H+2;i+)dbi=0;while(1)(while(!ReadMask(pMCBSP0->spcr2,SPCR2_XRDY);/等待数据传输完成lft=(*pll)=Read(pMCBSP0->ddr1);/读入左声道数据rgt=Read(pMCBSP0->ddr2);/读入右声道数据inNX-1=lft/16;防止滤波时数据溢出fir2(in,h,out,db,NX,NH);(*prr)=outNX-1;Write(pMCBSP0->dxr1,lft);Write(pMCBSP0->dxr2,outNX-1);/调用滤波程序计算当前输出/数组r的最后一个单元

19、为当前输出/将原始数据送左声道输出/将经过滤波后的数据送右声道输出nCount+;pll+;prr+;if(nCount>=1024)(/循环使用缓冲区nCount=0;/breakpointpll=pLeft;prr=pRight;for（i=0;i<NX-1;i+）/重新调整输入序列（供fir2使用）（ini=ini+1;2.2.3 仿真结果在View的Graph中单击Time/frequency出现graphpropertydialog框。将显示类型,图形名称，起始地址，抽样点数，数据类型等分别进行设置，输出各种波形。输出滤波前的信号时域波形语音输入波形图图2-10语音输入（时域）图2-11语音输入（频域）图2-12滤波语音输出（时域）E自编F工K滤波后湾音希出图域）Ofblfx图2-14滤波器（时域）图2-13滤波语音输出（频域）图2-15滤波器（频域）图2-16库函数滤波语音输出（时域）图2-17库函数滤波语音输出（时域）图2-18库函数与自编函数滤波对比图通过分析仿真图可知，自己编写的函