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实验四滤波、频谱分析综合编程实验实验目的：通过在ADSP-21161评估板（ADSP-21161NEZ-KIT）上设计实现一个可完成信号滤波和频谱分析的小系统，掌握DSP系统设计与开发方法。实验内容：A.实验环境的准备1．实验的硬件资源a)PC机一台（安装有VisualDSP++集成开发与调试环境、音频播放器、音乐文件）；b)ADSP-21161N-EZ-KIT一套；c)音频连接电缆一根；d)耳麦一副。2．实验设备连接方式a)将ADSP-21161N-EZ-KIT通过USB接口连接到PC机上；b)用音频连接电缆将PC的音频输出插座和ADSP-21161N-EZ-KIT的音频输出插座连接在一起；c)将耳麦的耳机插头连接到ADSP-21161N-EZ-KIT的音频输出插座上。B.实验内容本实验以工程实例“d:\ADSP-21161EZ-KITLite\Talkthru\”为基础，在工程文件中添加滤波器功能和频谱分析功能。其中，数字滤波器的设计可参考工程实例“d:\ADSP-21161EZ-KITLite\SIMD_FIRs\”中的例子程序；频谱分析采用DFT方法，有关设计可参考工程实例“d:\ADSP-21161EZ-KITLite\DFT\”中的例子程序。滤波器子程序和频谱分析子程序既可添加到中断服务子程序中，也可放在主程序中。滤波器有三种类型：低通、高通和带通，每种类型滤波器的截止频率有两档，因此，总的滤波器类型的选择共有6种。滤波器类型的选择通过“IRQ2”按钮开关来实现，通过6个指示灯（LED2～LED7）来指示，每按一次“IRQ2”按钮，滤波器类型切换到下一种类型，并点亮对应的指示灯。另外，通过“IRQ1”按钮开关来切换选择是直通方式，还是滤波方式。通过播放音乐信号和语音信号来体会各种类型滤波器的滤波效果。播放标准音（包括各种正弦波信号和线性调频信号），绘出直通和滤波后的信号的频谱图。实验步骤：1.滤波器切换功能的调试原有程序中，已经有了四种滤波器的的相互切换的程序段。在实验前，先用MATLAB生成相应的两个带通滤波器的系数，在原程序中，滤波器的阶数设置为130，但是在本实验中，如果加入两个130阶的带通滤波器，则在程序编译中会出现错误，会有错误提示”outmemory”，我分析为可能是超出了存储范围，由于在源程序中已有65阶的滤波器系数，因此我统一将滤波器的阶数改为65阶，然后再编译则正常，又因为人耳的听力范围为20-20kHz，人所能发出的语音信号的范围为30-4kHz，因此在本实验中，我将两个带通滤波器的中心频率分别设置在500Hz和1.2kHz。以便能取得好的滤波效果。在修改完滤波器的切换以后，我先进行了程序的测试，发现运行正常，滤波效果也很好，然后我继续加入一个中断来控制滤波和全通的选择。其中在滤波器切换的程序调试中，我只需要在change_filter_coeffs段中加入以下一段程序并且将R11的值由4改为6就可以：2.全通与滤波功能的选择在原始程序中，控制滤波选择的程序段如下所示：do_audio_processing:ifflag3_injumpskip_to_no_processing;call(pc,fir);jumpplayback_AD1836_left_DACs;通过对这段程序的分析，我不难看出，它是通过检测FLAG3按钮是否按下来选择是否进行滤波，但是我在这里要通过一个中断来控制是否选择滤波，因此我需要定义一个变量filter_or_not=0;在程序运行过程中该变量有两个值可以选择，分别以0和1来控制是否滤波，当变量的值为0时，则不滤波，当变量的值为1时，则进行滤波。相应的程序段如下所示：do_audio_processing:r0=dm(filter_or_not);r1=0;comp(r0,r1);ifeqjumpskip_to_no_processing;call(pc,fir);jumpplayback_AD1836_left_DACs;通过我对上述程序的分析，我可以看出，先将filter_or_not的值赋予r0，然后和0比较，若相等则不滤波，若不相等，则进入滤波。接下来我还需要在写一段中断调用子程序来修改filter_or_not的值，以便通过该中断来控制滤波与否的选择。其程序段如下所示：在这里我需要将change_filter_model设置为全局中断子程序，然后还有在中断向量表中进行声明。通过以上中断子程序，我就可以通过中断来改变filter_or_not的值从而选择滤波还是全通。在原程序中，中断向量表中的IRQ0~2都是控制滤波器的切换，根据实验的要求，IRQ2还是控制滤波器的切换，但是此时我需要将IRQ1设置为控制滤波还是直通，其相应的修改以下程序段所示：此时我可以通过中断来控制滤波和全通的选择，并且在滤波的阶段，我还可以通过中断来控制滤波方式的选择。完成以上两个功能后，我再进行程序的测试，通过程序的测试，我很好地实现了滤波和直通之间的切换，以及滤波器类型的选择。完成以上两个功能后，我继续完成最后一个任务，也就是对信号进行DFT分析。3.DFT功能的实现根据实验的要求，我要通过中断IRQ0来控制DFT的进行。由于已经给出了DFT实现的一个工程，我就将DFT的程序加入到SIMD_FIR_demo.asm子程序中，然后要对程序进行一些修改，由于在本试验中，DFT是作为一个中断服务子程序出现的，因此一开始我要加入如下程序段：来进行中断子程序的设置，并且将原先DFT工程中的main改成main_dft。由于信号的输入数据时存储在dline中，因此我还要做如下修改也就是将输入设置为dline，此时还要将main_dft设置成全局的，并且在中断向量表中声明，然后加入到中断IRQ0中：由于在实验二已经仿真过DFT，将该DFT工程中的求模的运算实现的程序加入到该工程中，如下所示，再对程序做进一步的调试，然后我对程序进行测试。通过对程序的测试，我先通过中断IRO1将系统切换到滤波模式，然后通过IRQ0进行DFT分析，通过对程序的测试，我发现通过中断可以很好地控制滤波和DFT的分析，有较好的效果。然后我还有进一步声明变量output来存储滤波后的数据，然后再声明变量存储滤波后数据的DFT，其具体如下；然后我可以重复上面输入数据的DFT过程，在此过程中，DFT的程序基本不需要做太大修改，我只需要将相应的变量地址换成输出数据的即可。然后我再进行程序的调试，可以得到较好的结果。在本实验中，我对一个测试语音信号，也就是一个单频的正弦信号进行分析，观察它的输入数据的时域波形和DFT以后的频谱。如下图所示：图1输入数据及其DFT变换的模值由于实验过程中采用的是单频信号，因此若该信号频率在滤波器的阻带以内，则该信号基本全部被滤去，波形幅度大幅度衰减，频谱的模也大幅度衰减，剩下的只有噪声部分。若在通带内，则不会有明显的变化。实验结果：在本次实验中，实现了语音信号的采集，然后通过中断来控制是否对该信号进行滤波以及进行怎样的滤波，并且通过LED灯可以观察到显示进行什么类型的滤波。然后再通过中断进行DFT分析。实验体会：通过本次实验，对DSP板的操作有了更深入的了解，学会了在程序中添加中断子程序，以及对中断子程序的调用，掌握了通过中断来改变变量，从而来进行不同的中断子程序的调用。对于FIR滤波器的设计有了更深入的了解，学会了通过变量来存储采样数据，然后对这些采样数据进行处理分析。同时更加清楚怎样进行寄存器的设置，并且通过观察变量存储值的变化来分析程序运行的是否正确，对程序的改进有很大的帮助。对画图功能和寄存器、存储器的查看分析更加熟悉，掌握了在程序运行过程中各个变量的值的变化。通过对该程序的分析和调试，在不断的尝试中，学会了在实际操作中如何对程序进行调试，如何逐步实现各个功能，这些都为能够实现一个完整的系统设计有着巨大的帮助。