語(yǔ)音濾波試驗(yàn)報(bào)告

1、DS限術(shù)及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)語(yǔ)音濾波處理院 系：機(jī)電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)（班級(jí)）：電子信息工程2班姓名：洪育欽學(xué)號(hào):20134082033指導(dǎo)教師：韓楊楊職稱(chēng)：助教完成日期：成 績(jī)：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(shè)計(jì)的目的1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求 2 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2濾波器的基礎(chǔ)知識(shí) 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(diǎn)3 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document FIR數(shù)字濾波器的窗函數(shù)設(shè)計(jì) 4 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document .FIR濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程5 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document FIR 濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)5FIR濾波器設(shè)

3、計(jì)過(guò)程6FIR 濾波器的matlab實(shí)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(shè)計(jì)結(jié)果9 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document .設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決的辦法 11 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 參考文獻(xiàn)12 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 附錄12語(yǔ)音信號(hào)的FI

4、R濾波器處理.引言隨著信息時(shí)代和數(shù)字世界的到來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理已成為如今一門(mén)極其重要的 學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)處理在通信、語(yǔ)音、圖像、自動(dòng)控制、雷達(dá)、軍事、 航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理器，也稱(chēng)DSP5片，是針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理需要而設(shè)計(jì)的一種具 有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，它是現(xiàn)代電子技術(shù)、相結(jié)合的產(chǎn)物。一門(mén)主流技術(shù)，隨 著信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)逐漸發(fā)展成為使它 在電子信息、通信、軟件無(wú)線(xiàn)電、自動(dòng)控制、儀表技術(shù)、信息家電等高科技領(lǐng)域 得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字濾波是語(yǔ)音處理、圖像處理、頻譜分析等應(yīng)用中的基本處理算法。DSP是 一種處理

5、數(shù)字信號(hào)的專(zhuān)用微處理器，主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的數(shù) 字處理算法。用DSP芯片實(shí)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(diǎn)。數(shù)字濾波器分為有限沖激響應(yīng)濾波器(FIR濾波器)和無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器(IIR濾波器)。FIR濾波器屬于經(jīng)典濾波器，優(yōu)點(diǎn)就是由于不存在系統(tǒng)極點(diǎn)， FIR濾波器是絕對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)，F(xiàn)IR濾波器還確保了線(xiàn)性相位，在信號(hào)處理中占 有極其重要的地位。數(shù)字濾波器一直以來(lái)就是數(shù)字信號(hào)處理器( DSP最廣為人 知的應(yīng)用，F(xiàn)IR濾波器的單位沖激響應(yīng)b(n)為有限長(zhǎng)序列，若b(n)為實(shí)數(shù)，且 滿(mǎn)足偶對(duì)稱(chēng):b(n)= b(N- 1- n)的條件，稱(chēng)為系數(shù)對(duì)稱(chēng)FIR濾波器。系數(shù)

6、對(duì)稱(chēng)FIR 濾波器在數(shù)字信號(hào)處理中應(yīng)用十分廣泛。設(shè)計(jì)的目的通過(guò)課程設(shè)計(jì)，加深對(duì) DSPS片TMS320C54的結(jié)構(gòu)、工作原理的理解，獲 得DSP應(yīng)用技術(shù)的實(shí)際訓(xùn)練，掌握設(shè)計(jì)較復(fù)雜DS添統(tǒng)的基本方法。通過(guò)使用匯 編語(yǔ)言編寫(xiě)具有完整功能的圖形處理程序或信息系統(tǒng)，使學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的 理解，進(jìn)一步鞏固匯編語(yǔ)言講法規(guī)則。學(xué)會(huì)編制結(jié)構(gòu)清晰、風(fēng)格良好、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 適當(dāng)?shù)膮R編語(yǔ)言程序，從而具備解決綜合性實(shí)際問(wèn)題的能力。設(shè)計(jì)指標(biāo)要求(1)設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器(參數(shù)自定)濾波器的設(shè)計(jì)的原理介紹FIR濾波器的設(shè)計(jì)FIR濾波器的DSF現(xiàn)FIR濾波器的檢驗(yàn)(用語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)濾波器后查看濾波效果是否達(dá)到 設(shè)計(jì)要求。)2濾波

7、器的基礎(chǔ)知識(shí)濾波器的定義Finite Impulse Response)濾波器：有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器，是數(shù)字信 號(hào)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(shí)具有嚴(yán)格的線(xiàn)性 相頻特性，同時(shí)其單位抽樣響應(yīng)是有限長(zhǎng)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(shí)別等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。沖激響應(yīng)之所以是“有限的”是因?yàn)樵跒V波器中沒(méi)有反饋出現(xiàn)；如果你輸入 一個(gè)沖激就是一個(gè)“1”樣本后出現(xiàn)許多“ 0”的樣本的信號(hào)，那么零將在樣本 “1”通過(guò)了所有的延遲線(xiàn)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(hào)順利的通過(guò)， 而另外一部分頻率的信號(hào)則 受到較大的抑制，

8、它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路。把信號(hào)能夠通過(guò)的頻率范圍，稱(chēng)為 通頻帶或通帶；反之，信號(hào)受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱(chēng)為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱(chēng)為截止頻率；理想濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益為常 數(shù)，在阻帶內(nèi)的電壓增益為零；實(shí)際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍 的過(guò)渡帶。濾波器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：(1)很容易獲得嚴(yán)格的線(xiàn)性相位，避免被處理的信號(hào)產(chǎn)生相位失真，這一特點(diǎn)在寬頻帶信號(hào)處理、陣列信號(hào)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(shè)計(jì)的同時(shí)，保證精確、嚴(yán)格的線(xiàn)性相位，還可得到多帶幅頻特性；(3)極點(diǎn)全部在原點(diǎn)(永遠(yuǎn)穩(wěn)定)，無(wú)穩(wěn)定性問(wèn)題；(4)任何一個(gè)非因果的有限長(zhǎng)序列，總可以通過(guò)

9、一定的延時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐蚬?序列，所以因果性總是滿(mǎn)足；(5)無(wú)反饋運(yùn)算，運(yùn)算誤差小。缺點(diǎn)：(1)因?yàn)闊o(wú)極點(diǎn)，要獲得好的過(guò)渡帶特性，需以較高的階數(shù)為代價(jià)；(2)無(wú)法利用模擬濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)果，一般無(wú)解析設(shè)計(jì)公式，要借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序完成FIR數(shù)字濾波器的窗函數(shù)設(shè)計(jì)窗函數(shù)設(shè)計(jì)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(yīng)截?cái)嘁缘玫揭粋€(gè)線(xiàn)性相位和因果的FIR濾波器。因此這種方法的重點(diǎn)在于選擇某種合適的窗函數(shù)和一種理想濾波器。對(duì)于給定的濾波器技術(shù)指 標(biāo)，選擇濾波器長(zhǎng)度和具有最窄主瓣寬度和盡可能小的旁瓣衰減的某個(gè)窗函數(shù)。任何數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)都是 w的周期函數(shù)，它的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)

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(shí)際上就是理想數(shù)字濾波器的沖激響應(yīng)。獲得有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器的一種可能方法就是把 無(wú)窮級(jí)數(shù)截取為有限項(xiàng)級(jí)數(shù)來(lái)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(chēng)為窗函數(shù)的有限加權(quán)系列W(n)來(lái)修正傅立葉級(jí)數(shù)，以求得要求的有限沖激響應(yīng)序列 h(n),即有：h(n)=hd(n)W(n)w(n)是有限長(zhǎng)序列，當(dāng)nN-1及n0時(shí)，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(guò)渡帶。通常上述三點(diǎn)很難同時(shí)滿(mǎn)足。帶，但通帶和阻帶的波動(dòng)明顯增加當(dāng)選用主瓣寬度較窄時(shí)，雖然得到較陡的過(guò)渡 :當(dāng)選用最小的旁瓣幅度時(shí)，雖能得到勻滑的幅度響應(yīng)和較小的阻帶波動(dòng)，但過(guò)渡帶加寬。因此，實(shí)際選用的窗函數(shù)往往 是它們的折衷。在保證主瓣寬度達(dá)到一定要求的條件下，適當(dāng)犧牲主瓣寬度來(lái)?yè)Q 取旁瓣波動(dòng)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(lǐng)域得到應(yīng)用。3.FIR濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程3.1 FIR

12、濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)基于CCS匯編實(shí)現(xiàn)的FIR 濾波器，通過(guò)MATLAB勺輔助，可以實(shí)現(xiàn) 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的產(chǎn)生以及濾波前后的頻譜 顯示。本次FIR濾波器設(shè)計(jì)的的maltab流 程如右圖：初始化讀入語(yǔ)音信號(hào)原始音頻抽樣加噪聲并低通涯波導(dǎo)出混合信號(hào)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(yīng)用Matlab工具箱 的濾波器設(shè)計(jì)工具。FIR濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程3.2.2 FIR 濾波器的 matlab實(shí)現(xiàn)FIR參數(shù)設(shè)定及頻域響應(yīng)特性根

13、據(jù)上述要求在matlab中采用2函數(shù)設(shè)計(jì)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(duì)稱(chēng)，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(yǔ)音信號(hào)的輔助產(chǎn)生(MATLAB1、理想情況：FIR濾波器的輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在indata.dat 文件中，共300個(gè) 點(diǎn)，由頻率為1000Hz和2500Hz的兩個(gè)余弦波疊加而成2、為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，自身錄制一個(gè)語(yǔ)音片段，主要信號(hào)為低頻成分,其中夾雜著高頻成分的噪聲。在MATLA呻產(chǎn)生一個(gè)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(shè)計(jì)結(jié)果，觀(guān)察Input和Output視窗中濾波器前后的時(shí)域觀(guān) 察波形圖，觀(guān)察濾波效果，數(shù)字濾波器仿真結(jié)果時(shí)域圖如圖所示，x=wavread(D:matlabworkXINZAO.wav);%語(yǔ)音文件的路徑 y=fft(x,1x=wavread(D:matlabworkXINZAO.wav); %語(yǔ)音文件的路徑y(tǒng)=fft(x,1024);plot(abs(y(1:1000); %采1 100 個(gè)點(diǎn)x1=round(1024*x);fid=fo

16、pen(indata.dat,w); %生成一個(gè) dat 文件fprintf(fid,1651 1 00E2 1000n);fprintf(fid,%dn,x1); % 輸出原始信號(hào)波形11 nv? 原始信號(hào)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(yīng)用軟件CCSffl置：點(diǎn)擊進(jìn)入CCS首先點(diǎn)擊Setup CCS3.3, 點(diǎn)擊進(jìn)入運(yùn)行界面，如圖7。選中 C5410 Device Simulator 一項(xiàng)，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(xiàng)，點(diǎn)擊 Save and Quit就會(huì)彈出控制窗口 .。在控制窗口

17、open選項(xiàng)中選中C5410Device Simulator/CPU,就可以開(kāi)始新建一個(gè)工程。新建一個(gè)fir工程，然后新建.asm文件.cmd文件等，將它們添加到工程中 來(lái)，CCSS程界面如下主要循環(huán)程序如下：MAC*息標(biāo)：*-欣一廠(chǎng)7STH.其亨噬己MVKE*：GraphTime/Frequency,出現(xiàn)選項(xiàng)窗口，設(shè)置相應(yīng)選項(xiàng)，觀(guān)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(wèn)mill國(guó)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(hào)頻譜油用圖濾波后的效果：10圖6濾波后信號(hào)頻譜圖4.設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決的辦法1、在我們確定濾波器參數(shù)時(shí)，剛開(kāi)始我們忽略了采樣定理，結(jié)果設(shè)計(jì)出來(lái) 的低通濾波器是錯(cuò)誤的，經(jīng)過(guò)在 Matlab軟件的工具包里，設(shè)計(jì)低通濾波器，如 圖18的界面，經(jīng)過(guò)測(cè)試，如果條件不符合采樣定理的就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示界面， 我們最后修改正確了。2、為了實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音及噪聲的通過(guò)設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行驗(yàn)證，需要制作一個(gè)語(yǔ)音 及噪聲的.dat文件，以供CCS言號(hào)輸入，對(duì)軟件不熟練的我們不懂的怎么應(yīng)用？ 答：通過(guò)到圖書(shū)館借相應(yīng)的書(shū)來(lái)自學(xué)，學(xué)習(xí) MATLAB勺生成

19、.dat文件的相關(guān)命令 語(yǔ)句，以及請(qǐng)教其他同學(xué)。通過(guò)不斷的討論和研究，知道了要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣， 再通過(guò)fopen語(yǔ)句等，才能生成dat文件3、通過(guò)MATLABffl助，求出的 b系數(shù)，剛開(kāi)始在 CCS里面表示時(shí)，用 x*32768/10000 （x為b系數(shù)的整數(shù)部分），結(jié)果在編譯時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題。另外，當(dāng) 求得的系數(shù)存在有大于四位時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤？11答：經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)和與隊(duì)員研究討論，發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)橐恍┐笥?的系數(shù)，即是大 于四位的整數(shù)除去10000,才會(huì)出現(xiàn)warning ,我們剛開(kāi)始用的是32768,即Q15, 會(huì)使運(yùn)算結(jié)果溢出，于是把 32768改為了 1024,即Q10,這樣后就解決了存在的 問(wèn)

20、題，4、通過(guò)load data時(shí)，在配置地址和長(zhǎng)度時(shí)，我們沒(méi)有忘記按照自己設(shè)定 的起始地址及長(zhǎng)度，結(jié)果顯示出來(lái)的圖像與真實(shí)的有極大的偏差。答：把Address和Length的參數(shù)填寫(xiě)自己在生成dat文件是所設(shè)置的值一 致，最后濾波輸出波形正確。參考文獻(xiàn)11鄒彥DSP原理及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社.2009【2】劉樹(shù)棠.信號(hào)與系統(tǒng).第二版.西安交通大學(xué)出版社.20083劉衛(wèi)國(guó).MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用 第二版.高等教育出版社.20084程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程.第三版.清華大學(xué)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