基于IIR的语音信号滤波

1、课程设计(论文)题 目 名 称 基于IIR的语音信号滤波 课 程 名 称 专业课程设计 学 生 姓 名 学 号 系 、专 业 指 导 教 师 2014年 5 月 2 日24目录摘 要3Abstract31 绪论51.1 DSP的基本原理51.2 DSP芯片的基本结构，原理和功能52 设计的总体方案73 设计原理83.1 接口电路的原理图83.2 IIR滤波器的基本结构83.3 双线性变换法84 设计步骤和过程104.1 IIR数字滤波器的设计104.2 IIR滤波器的MATLAB设计104.3 IIR滤波器的DSP实现115 设计程序的调试结果和运行结果146 心得体会177 参考文献188

2、附录19摘 要文章介绍了利用双线性变换法设计IIR数字低通滤波器的基本思想与步骤，并且把理论与实践现结合，通过录取一段语音，利用MATLAB软件分析语音信号频谱，确定指标设计滤波器，编写程序设计滤波器，对语音信号进行滤波处理，从而达到消除高频噪音，使语音更加纯净的效果。语音信号的数字滤波就是利用快速傅里叶变换FFT对语音信号进行频谱分析，利用分析得到的指标设计数字滤波器，将不需要的部分通过设计好的数字滤波器滤除掉，以达到优化语音的目的。滤波器有多种，本次设计的是IIR数字低通滤波器，IIR数字滤波器幅频特性精度很高，不是线性相位的。在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和

3、椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，其设计工作量比较小，对计算工具的要求不高。由于对语音信号的延时效果没有限制，因此在相对FIR数字滤波器设计较为复杂，成本较高的基础上选择IIR数字低通滤波器是十分理想的。IIR数字滤波器是借助于模拟滤波器的设计方法进行的，为了避免设计的过程中由脉冲响应不变法带来的频谱混叠想象，可以通过采用双线性变换法进行设计。下面从先介绍IIR数字低通滤波器设计的基本流程开始，然后通过一个从取语音信号到最终语音信号的滤波结束的实例，在此过程中重点阐述通过分析语音信号的频谱，更具分析结果，制定指标，设计滤波器，最终达到由理论到实践，实践中得体会的学习目的。关键词：MAT

4、LAB；频谱分析；IIR数字低通滤波器；双线性变换法；语音信Abstract This paper introduces the use of bilinear transform design IIR digital low- pass filter with the basic idea of the steps , and the combination of theory and practice now , by the admission of a voice , using MATLAB software to analyze voice signal spectrum , id

5、entify indicators designed filters, write program design filter , filtering the speech signal processing , so as to eliminate high frequency noise , making speech more pure effect. Digital filtering of the speech signal is to use a fast Fourier transform (FFT) spectral analysis of the speech signal

6、, a digital filter design using the index obtained in the analysis , the unnecessary portion by a digital filter designed to filter out in order to optimize voice purposes. There are a variety of filters , this design is a digital low-pass filter IIR , IIR digital filter frequency characteristics hi

7、gh precision, not linear phase . In the design of analog filters can help mature the fruits , such as Butterworth, Chebyshev and Elliptic filters , etc., have an existing design data or charts to be investigated , the design work is relatively small, no request for computational tools high . Because

8、 of the speech signal delay effect is not limited, so the relative FIR digital filter design is more complex, higher-cost choice based on IIR digital low -pass filter is ideal . IIR digital filter by means of an analog filter design methods , in order to avoid the process of designing the same respo

9、nse brought by the pulse method aliasing imagination, can be designed by using the bilinear transform . The following describes the basic process from the first low-pass IIR digital filter design begins , and then take the instance of the speech signal through a final filter from the end of the spee

10、ch signal , in this process focuses on the analysis of the speech signal spectrum , more analysis , development of indicators , designed to filter , and ultimately achieve the purpose of learning from theory to practice, practice, get to understand.Keywords: MATLAB; spectral analysis; IIR digital lo

11、w-pass filter; bilinear transform; voice signal1 绪论1.1 DSP的基本原理 数字信号处理（简称DSP）是一门涉及多门学科并广泛应用于很多科学和工程领域的新兴学科。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行分析、采集、合成、变换、滤波、估算、压缩、识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。数字信号处理是以众多学科为理论基础,它所涉及的范围极其广泛。如数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、数字分析等都是数字信号处理的基础工具。它与网络理论、信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等密切相关。 DSP可以代表数

12、字信号处理技术（Digital SignalProcessing）,也可以代表数字信号处理器（Digital Signal Processor）。前者是理论和计算方法上的技术,后者是指实现这些技术的通用或专用可编程微处理器芯片。 数字信号处理包括两个方面的内容: 1. 算法的研究 2数字信号处理的实现 数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用

13、。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁。1.2 DSP芯片的基本结构，原理和功能 数字信号处理器（DSP）是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，主要用于实时快速实现各种数字信号处理的算法。 数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运算的实时性。除了具

14、备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外,针对实时数字信号处理的特点,在处理器的结构、指令系统、指令流程上作了很大的改进,其主要特点如下：(1) 冯诺伊曼（Von Neuman）结构 该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行。 当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。（2）哈佛（Harvard）结构 该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、指令

15、执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理。微处理器的哈佛结构如图2所示。 （3）改进型的哈佛结构 改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总线。其特点如下： 允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据,使这些数据可以由算术运算指令直接调用,增强芯片的灵活性； 提供了存储指令的高速缓冲器（cache）和相应的指令,当重复执行这些指令时,只需读入一次就可连续使用，不需要再次从程序存储器中读出,从而减少了指令执行作需要的时间。如：TMS320C6200系列的DSP,整个片内程序存储器都可以配制成高速缓冲结构。 2 设

16、计的总体方案 本设计通过DSP处理器控制TLC320AD50采集音频信号，在CCS软件中分析音频信号的频谱图，使用Matlab设计相应的IIR数字滤波器（低通、带通或带阻等滤波器中的一种）并得到滤波器H(z)的系数，然后根据这些系数，编写DSP程序（C语言或汇编）对已采集信号进行处理，最后在CCS软件中得到处理后音频信号的频谱图，比较滤波前后信号的频谱图。 其中语音信号的采集与回放是采用TLC320AD50芯片对语音信号进行A/D以及D/A转换，从而实现对语音信号的数字处理和语音回放；DSP芯片主要是将转化成数字信号的语音信号用DSP算法对其进行处理，并将处理后的信号送到输出端，图1.1为本题

17、目设计的总体方案图。对语音信号进行A/D转换DSP信号处理器对滤波后的语音信号进行D/A转换语音信号的采集输入语音信号的回放设计IIR滤波器并编写DSP程序图1.1 总体方案设计图3 设计原理3.1 接口电路的原理图 图2.1给出了一种基于TMS320C54X数字信号处理芯片和TLC320AD50C模拟接口电路的语音处理系统方案, 这个系统可用于多种语音处理场合,通过修改程 序可达到不同的语音处理效果,具有良好的扩展性、灵活性和适应性等。图2.1 DSP信号处理器与TLC320AD50接口电路的原理图3.2 IIR滤波器的基本结构 IIR滤波器与FIR滤波器相比，具有相位性差的特点，但它的结构

18、简单、运算量小、具有经济、高效的特点，并且可以用较小的阶数获得很高的选择性。因此，也得到了较为广泛的应用。 IIR滤波器的差分方程的一般表达式为 y(n)=bix(n-i)-aiy(n-i)式中，x(n)为输入序列；y（n）为输出序列；ai和bi为滤波器系数。若所有的系数ai等于零，则为FIR滤波器。 IIR滤波器具有无限长的单位脉冲响应，在结构上存在反馈回路，具有递归性，即IIR滤波器的输出不仅与输入有关，而且与过去的输出有关。IIR滤波器具有多种形式，主要有：直接型、标准型、变换型、级联型和并联型。3.3 双线性变换法双线性变换法的S域与Z域间的变换关系为： 由式(1)可以看出，z和s之间

19、可以直接代换，由于这是一非线性变换，需考察一下是否能把j映射成单位圆，以及是否能将s域左半平面映射到单位圆内部。对于s平面上的虚轴j，用s=j代入式(1)得： 可见： 上式表明S平面与Z平面一一单值对应，S平面的虚轴(整个j)经映射后确已成为z平面上的单位圆，但与w为非线性关系，因此，通过双线性变换后两个滤波器的频率特性形状不能保持相同，双线性变换不存在混迭效应。 对于s域的左半平面，用s=+j入式(1)，得到： (3) 此式表明，当<0，有|z|<1，因而s平面的左半平面被映射在单位圆内部，意味着稳定的模拟滤波器经双线性变换可以映射成稳定的数字滤波器。4 设计步骤和过程4.1 I

20、IR数字滤波器的设计IIR数字滤波器的设计可以利用模拟滤波器原型，借鉴成熟的滤波器的设计结果进行双线性变换，将模拟滤波器变换成满足预定指标的数字滤波器，即根据模拟设计理论设计出满足要求的传递函数H(s)，然后将H(s)变换成数字滤波器的传递函数H(z)。4.2 IIR滤波器的MATLAB设计（1） 滤波器的选择由于采集的语音信号的主频在300HZ1500HZ左右，因此在滤波器的选择上，我们可以采用带通或者是低通滤波器，本设计采用的是带通滤波器，其中通带的范围为300HZ1500HZ，阻带范围为100Hz以下和2500HZ以上。将录制好的声音在MATLAB里进行抽样并绘制时域和频域的波形图，然后

21、用滤波器进行多次滤波，以达到最好的滤波效果，将a和b的参数确定下来。根据MATLAB分析出的语音信号的频谱特点，本课题采用Butterworth型设计一个带通滤波器对采集的语音信号进行滤波。（2）程序清单wp=150 2000/22050;ws=100 2500/22050;n,wn=buttord(wp,ws,25,30);b,a=butter(n,wn);axis(0 6000 0 2);freqz(b,a,512,44100)得到滤波器的系数a，b如下：b =1.0e-003 * 0.1425 0 -0.4276 0 0.4276 0 -0.1425a = 1.0000 -5.7660

22、13.8730 -17.8283 12.9067 -4.9908 0.8053（3）带通滤波器的幅频特性图图3.1 IIR带通滤波器的幅频特性图4.3 IIR滤波器的DSP实现 在用定点DSP器件设计数字滤波器时，一个重要的问题就是由于硬件字长精度有限，运算会出现溢出。IIR滤波器可以用较少的阶数获得很高的选择特性，所用的存储单元少、运算次数少，具经济、高效的特点。在相位要求不敏感的场合，如语音通信等，很适合用IIR滤波器。（1）程序流程图 开始开始初始化DSP接收ADC通道采样数据初始化16阶IIR滤波参数把接收到的数据经过16阶IIR滤波后再反馈到DAC通道初始化McBSP接口结束中断服务

23、程序等待下一次中断与AD50进行二次通讯设置ADC/DAC通道参数打开中断等待McBSP中断信号图3.2 主程序及中断程序流程图（2）用CCS编写DSP程序处理采集的语音信号 IIR滤波器有以下几种基本网络结构：直接I型、直接II型、级联型和并联型。各种结构都有其优缺点。鉴于级联型常用于均衡器中，而且优点比较突出，所以，以级联型为便详细介绍其算法实现。采用级联实现的IIR滤波器将传递函数分解为二阶传递函数的乘积，即H(z)=H1(Z)H2(Z)HM(Z)，每一级的子滤波器Hk(z)常取以下的形式：一般级联实现都采用直接II型结构作为子滤波器的网络结构。使用直接II型的子滤波器的网络结构。二级级

24、联IIR滤波器的主要实现程序如下：;已初始化PMST=FFA0H,ST1=2300H,;SWWSR=0,OVM=1，FRCT=1，SXM=1STM#X，AR1STM#Y，AR2STM#d,AR3;RPTA,#5;初始化d(n),d(n-1),d(n-2)=0STLA，*AR3+STM#2，AR0；初始化Arn是地址偏移量为常数INLOOP：STM#d+5,AR3;STM#table,AR4;IIR的系数A2，A1，B2，B1，B0PORTR100H，*AR1；从端口读入数据LD*AR1，7，ASTM#N-1，BRC；计算IIR的节数NRPTELOOPLOOP：MAC*AR4+，*AR3-，A；

25、input+d(n-2)*A2MAC*AR4,*AR3,A-;input+d(n-2)*A2+d(n-1)*A1MAC*AR4+,*AR3-,ASTHA,*AR3+0;d(n)=input+d(n-2)*A2+d(n-1)*A1MPY*AR4+，*AR3-，A；d(n-2)*B2MAC*AR4+,*AR3,A;d(n-2)*B2+d(n-1)*B1DELAY*AR3-;d(n-2)=d(n-1)MAC*AR4+,*AR3,A;d(n-2)*B2+d(n-1)*B1+d(n)*B0DELAY*AR3-;d(n-1)=d(n)ELOOP:STHA,*AR2;output=d(n-2)*B2+d(n

26、-1)*B1+d(n)*B0PORTW*AR2,200h；将结果写入文件中BINLOOP END5 设计程序的调试结果和运行结果比较滤波前后语音信号的波形及其频谱：图4.1 滤波前语音信号的波形图 图4.2 滤波前语音信号的频谱图 图4.3 滤波后语音信号的波形图图4.4 滤波后语音信号的频谱图图4.5 滤波前后波形对比图图4.6 滤波前后频谱对比图 比较滤波前后语音信号的波形图、频谱图，可以得出结论：滤波前后语音信号几乎未变，回放信号的声音和原始信号的声音也几乎一致，这也说明本课题所设计的滤波器是合理的，它能对所采集的语音信号进行高效滤波。6 心得体会 基于本次的课程设计，刚开始做课程设计的

27、时候，我上网查阅了一些资料，通过一系列的资料，我对课题基本内容有了相应的认识和了解，也对本次课程设计的目的有了更深刻的认识，我觉得本次课程设计对我们本专业学习意义重大。这两个星期里，我不但熟悉了Matlab相关操作，掌握了IIR滤波器的 DSP实现的相关原理和步骤，而且还更进一步地了解了DSP数字信号处理中的一系列相关概念，最主要的是此次课程设计锻炼了我的独立思维和动手能力，这对我以后的工作和学习有着十分重要的意义。 此次课程设计的两周不仅让我学到了实实在在的专业知识，而且引发了我对专业知识以外的一些事情做了深刻地思索：我发现了自己相当多的不足，理论知识掌握不扎实，实际动手能力的缺乏。只要我认

28、真，抱有认真对待的态度，并且持之以恒，最后一定能成功，不管的对现在专业的学习还是以后的工作。课程设计刚开始的时候，我查阅了很多有关本次课程设计的资料，虽觉得课题有点难度，开始操作起来的时候困难重重，发现原来理论和实践之间真的是有一定的差距。很多时候自己都陷入两难的境地，但最后自己还是坚持下来了，好在有同组同学以及老师的帮忙到最后还是完成了课题的设计，在此真的很感谢他们。7 参考文献1 邹彦. DSP原理及应用M. 北京:电子工业出版社,2005,1.2 戴明桢.TMS320C54xDSP结构、原理及应用M.北京航空航天大学出版社,2001,8.3 胡圣尧. DSP原理及应用M.东南大学出版社,

29、2008.7.4 清源科技.TMS320C54xDSP应用程序设计教程M.机械工业出版社,2004,1.5 清源科技.TMS320C54x硬件开发教程M.机械工业出版社,2003,1.6 张雄伟DSP芯片的原理与开发应用（第4版）M电子工业出版社2009.3.8 附录BSP.set1;当前使用McBsp1;McBsp 内存映射寄存器SPSA0.set 038hSPSD0.set 039hDRR10.set 021hDRR20.set020hDXR10.set 023hDXR20.set022hSPSA1.set 048hSPSD1 .set 049hDRR11 .set041hDRR21 .s

30、et 040hDXR11 .set 043hDXR21 .set042hSPSA2 .set 034hSPSD2 .set 035hDRR12 .set 031hDRR22 .set030hDXR12 .set 033hDXR22 .set032h;McBsp Subaddressed RegistersSPCR1.set00hSPCR2.set01hRCR1.set02hRCR2.set03hXCR1.set04hXCR2.set05hSRGR1.set06hSRGR2.set07hMCR1.set08hMCR2.set09hRCERA.set0ahRCERB.set0bhXCERA.set

31、0chXCERB.set0dhPCR.set0eh.if BSP = 0SPSA.setSPSA0SPSD.setSPSD0RDRR.setDRR10RDXR.setDXR10IMASK.set0010h.endif.if BSP = 1SPSA.setSPSA1SPSD.setSPSD1RDRR.setDRR11RDXR.setDXR11IMASK.set0400h.endif;fin_flag.set 64h.asg AR0,IIR_INDEX_P.asg AR4,IIR_DATA_P.asg AR5,IIR_COFF_P .asg AR6,IIR_DATA_P1.asg AR7,IIR_

32、COFF_P1WR_SUB_REG.macro val,addr;写McBsp控制寄存器stm addr,SPSAnopstm val,SPSDnop.endmRD_SUB_REG.macro addr,acc;读McBsp控制寄存器stm #:addr:,SPSAnopldm SPSD,accnopnopnop.endmWAITTRX .macro;等待串口中断WAITR? RD_SUB_REG SPCR1,A and #1<<1, A bc WAITR?, AEQ .endmPROGREG .macro progword;与AD50二次通讯 stm #01h,RDXR WAIT

33、TRX stm #:progword:,RDXR WAITTRX .endm wait .macro STM #0008h, AR2RPT *AR2NOP.endm .mmregs.global _c_int00.sect ".vectors"RESETb _c_int00nopnop.space 19*4*16BRINT0b recvnopnopBXINT0b transnopnop.space 4*4*16BRINT1b recvnopnopBXINT1b transnopnop.space 4*4*16K_IIR_BFFR.set 16coff_iir_table.s

34、ect "coff_iir".word 59h,0ffh,9abh,0ffh,1abh,0ffh,8059hcoff_iir_table1.sect "coff_iir1".word 3e8h,9686h,3631h,c5a4h,326ah,937eh,0325hd_data_buffer.usect "iir_bir",40d_data_buffer1.usect "iir_air",40.text_c_int00ld #0h,DPstm #7ffh,SPssbx INTMssbx SXM st #2491h,S

35、WWSR st #0ffe0h,PMST ;st #0f287h,CLKMD ST #0h,CLKMDtst:BITF CLKMD,#1hBC tst,TCST #1087h,CLKMDBITF CLKMD,#1hRPT #0FFhNOP stm #5000h,ar7 stm #5000h,ar6 stm #5000h,br7 stm #5000h,br6Iir_initstm #1,AR0stm #coff_iir_table,IIR_COFF_Pstm #d_data_buffer,IIR_DATA_P stm #coff_iir_table1,IIR_COFF_P1stm #d_data

36、_buffer1,IIR_DATA_P1rptz A,#K_IIR_BFFRstl A,*IIR_DATA_P stm #(d_data_buffer+K_IIR_BFFR-1),IIR_DATA_Pstm #K_IIR_BFFR,BK rptz B,#K_IIR_BFFRstl B,*IIR_DATA_P1 stm #(d_data_buffer1+K_IIR_BFFR-1),IIR_DATA_P1 stm #K_IIR_BFFR1,BK mcbsp_init;初始化McBsp串口 rsbx CPLnop ; cpl latencynop ; cpl latencynop ; cpl latencyld #0,DPssbx INTMssbx SXMWR_SUB_REG #0000H