语音滤波试验报告

1、DS限术及应用课程设计语音滤波处理院 系：机电工程学院专业（班级）：电子信息工程2班姓名：洪育钦学号:20134082033指导教师：韩杨杨职称：助教完成日期：成 绩：2016年6月16日目录 TOC o 1-5 h z .弓I 言1 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 设计的目的1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 设计指标要求 2 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2滤波器的基础知识 2 HYPERLINK l bookmark28 o Cur

2、rent Document 滤波器的定义2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 滤波器的功能 3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 滤波器的特点3 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document FIR数字滤波器的窗函数设计 4 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document .FIR滤波器设计与实现过程5 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document FIR 滤波器设计指标5FIR滤波器设

3、计过程6FIR 滤波器的matlab实现6 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document FIR 滤波器的CCSO1 8 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document FIR 滤波器设计结果9 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document .设计过程中遇到的问题及解决的办法 11 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 参考文献12 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 附录12语音信号的FI

4、R滤波器处理.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DSP5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、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

5、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

6、对称FIR 滤波器在数字信号处理中应用十分广泛。设计的目的通过课程设计，加深对 DSPS片TMS320C54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DS添统的基本方法。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。设计指标要求(1)设计一个低通滤波器(参数自定)滤波器的设计的原理介绍FIR滤波器的设计FIR滤波器的DSF现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

7、器的基础知识滤波器的定义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。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，

8、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。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

9、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

10、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才两1苴、0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)是有限长序列，当nN-1及n0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(Blac

11、kman)窗函数和凯塞 Kaiser)窗函数。窗函数的选择原则是：.具有较低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣幅度；.旁瓣幅度下降速度要大，以利增加阻带衰减；.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。带，但通带和阻带的波动明显增加当选用主瓣宽度较窄时，虽然得到较陡的过渡 :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

12、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勺辅助，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maltab流 程如右图：初始化读入语音信号原始音频抽样加噪声并低通涯波导出混合信号供DSP处理采用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,图5段“流程图通带波纹为0.01 ,阻带波纹为0.1 ,采样频率为8000Hz 应用Matlab工具箱 的滤波器设计工具。FIR滤波器设计过程3.2.2 FIR 滤波器的 matlab实现FIR参数设定及频域响应特性根

13、据上述要求在matlab中采用2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MATLA呻输入以上代码，求出滤波器系数如下具有两边对称，h(0)=h(36)= 0.0010, h(1)=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勺输入语音信号的辅助产生(MATLAB1、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MATLA呻产生一个indat

15、a.dat 文件供CCSt入，在 matlab中输入的代 码为：h(14)=h(22)= -0.0524 h(17)=h(19)=0.3108FIR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，观察滤波效果，数字滤波器仿真结果时域图如图所示，x=wavread(D:matlabworkXINZAO.wav);%语音文件的路径 y=fft(x,1x=wavread(D:matlabworkXINZAO.wav); %语音文件的路径y=fft(x,1024);plot(abs(y(1:1000); %采1 100 个点x1=round(1024*x);fid=fo

16、pen(indata.dat,w); %生成一个 dat 文件fprintf(fid,1651 1 00E2 1000n);fprintf(fid,%dn,x1); % 输出原始信号波形11 nv? 原始信号频谱3.2.3 FIR滤波器的CC年现Css程序流程图如右图所示应用软件CCSffl置：点击进入CCS首先点击Setup CCS3.3, 点击进入运行界面，如图7。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的 Family 和 Plarform 及 Endia 选项，点击 Save and Quit就会弹出控制窗口 .。在控制窗口

17、open选项中选中C5410Device Simulator/CPU,就可以开始新建一个工程。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，CCSS程界面如下主要循环程序如下：MAC*息标：*-欣一厂7STH.其亨噬己MVKE*：GraphTime/Frequency,出现选项窗口，设置相应选项，观察滤 波效果。滤波前的信l=L节:Tilri_|iO|L linJ fc!iia1a：ii iUrl aij-i 04ci-l j问mill国弋荏油各；五立循&比irz+幅r出由囱l uliEt+hu,育 rial二1PhjitasariAnl &q一* Bu-1

18、”% T1 El iw n T- *- piUk ui V*图4流波前信号频谱油用图滤波后的效果：10图6滤波后信号频谱图4.设计过程中遇到的问题及解决的办法1、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。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言号输入，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勺生成

19、.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MATLABffl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？11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

20、题，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。参考文献11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.20083刘卫国.MATLAB程序设计与应用 第二版.高等教育出版社.20084程佩青.数字信号处理教程.第三版.清华大学出版社.2009附录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