DSP课程设计--语音信号的FIR滤波器处理课程设计

1DSP原理与应用课程设计报告FIR语音信号滤波器设计姓名：揭钊越、莫谋斌班级：13电信2班学号：指导老师：徐梅宣日期：2016.6.6～2016.6.15华南农业大学电子工程学院电子信息工程系2i摘要当前，数字信号处理技术受到了人们的广泛关注，其理论及算法随着计机技术和微电子技术的发展得到了飞速地发展，并被广泛应用于语音和图象理、数字通信、谱分析、模式识别和自动控制等领域。数字滤波器是数字信处理中最重要的组成部分之一，几乎出现在所有的数字信号处理系统中。本课题研究的数字滤波器基本理论及其实现方法，为数字滤波器的实现奠定了理论基础。为数字滤波的相关领域提供了理论及技术准备，缩短了理论与实践的距离，为今后从事数字滤波和DSP技术研究开发工作奠定了基础，积累了经验。关键词:DSP；集成开发环境；CCS；数字滤波器；iiI目录1前言···························································································12设计需求·····················································································13滤波器设计原理介绍·······································································23.1数字滤波器设计原理······························································23.2FIR滤波器的基本结构··························································33.3滤波器的特点········································································33.4窗函数的介绍········································································44FIR滤波器的设计··········································································54.1FIR滤波器设计······································································54.2窗函数设计的基本方法···························································64.3滤波器的1z算法实现······························································75FIR滤波器的MATLAB实现····························································86FIR滤波器的DSP实现···································································97调试问题与解决办法·····································································128设计感想····················································································13附录·····························································································14I11．前言过去实现语音滤波器主要靠一般的RLC或运算放大器等模拟器件完成，这些模拟滤波器应用范围从低频到微波，性能上也令人满意，而且有大量成熟的设计技术，资料及图表。但是其缺点也是十分明显的，首先高性能的模拟滤波器体积较大，稳定性容易受到元器件本身的漂移影响，比如电容容量的温度飘移，受潮等等。模拟滤波器参数调整往往不易，难以适应复杂条件下滤波器需要自适应的要求。而随着数字信号处理器技术的发展，现今可以在一个系统上实现和模拟滤波器一样高性能，更为重要的是特性不会受环境影响，参数易于调整，成本低。当然，在高频以上的频段，DSP处理器的处理能力还有待提高。成本也高。但可以相信未来更低成本的，更高性能的处理器将会问世。数字滤波器一般分为两类，一类是无限冲激响应滤波器IIR(InfiniteImpulseResponse)，另一类是FIR(FiniteImpulseResponse)数字滤波器，也就是我们平时说的有限冲激响应滤波器，也是本文所要介绍的。FIR滤波器相比较IIR滤波器有一些很重要的优点，其稳定性容易满足，线性相位。在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用。2.设计需求一般认为人的语音范围为20Hz到20K，然而在满足可听度要求下一般为300Hz到2400Hz，这在对讲机，固话中的前置滤波器的频段范围，这里要求设计一个低通滤波器，Fs=8000Hz，通带截止频率为fp=2400Hz，阻带截止频率为fs=3000Hz，通带最大衰减ap=0.25db，阻带最小衰减as=80db。23滤波器设计原理介绍3.1数字滤波器设计原理FIR滤波器的设计方法一般有窗函数法，频率取样法，优选法。这里我们只介绍窗函数法，且约定N为FIR滤波器单位脉冲响应h(n)的长度。其系统函数H(z)为：)(：第一类线性相位0)(：第二类线性相位作为引例，我们试从第一类中推出该类滤波器的时域约束条件又即：移项，三角公式化简：函数关于求和中心(N-1)/2奇对称是满足1.3式的一组解，因为sinw(n-t)关于t奇对称，如果取t=(N-1)/2,则要求h(n)为关于(N-1)/2偶对称，因此可得如下时域约束条件：(1.2))(|)(|)((1.1))()()1()2()1()0()()()()(112110jgjjjNnnjjNNNNnneHeeHeHenheHzNhzNhzhzhznhzH)(,)()()()()(10jgjgNnnjjeHeHenheH]sin)[cos(]sin)[cos(10jHnjnnhgNn1010sin)(sin)(cos)(cos)(NngNngnnhHnnhH1010sin)(cos)(sincosNnNnnnhnnh1010cossin)(sincos)(NnNnnnhnnh)3.1(0]sin)([10nnhNn)(1.410)1()(21)(NnnNhnhNsin)(nnh3线性相位FIR数字滤波器的频域约束条件(1)h(n)=h(N-n-1)，N为奇数，可以实现各种滤波器(2)h(n)=h(N-n-1)，N为偶数，不能实现高通和带阻滤波器(3)h(n)=-h(N-n-1)，N为奇数，不能实现低通、高通和带阻滤波器（只能实现带通滤波器）(4)h(n)=-h(N-n-1)，N为偶数，不能实现低通和带阻滤波器以上为线性相位滤波器的基本原理。3.2FIR滤波器的基本结构输入与输出之间用线性常系数差分方程给出MkkNkkknxpknydny01][][][在另一方面,一个FIR系统可以用卷积和的形式给出Nkknxkhny0][][][转置后的直接型结构更是容易的,如下：3.3滤波器的特点有限长单位冲激响应(FIR)滤波器有以下特点:(1)系统的单位冲激响应h(n)在有限个n值处不为零(2)系统函数H(z)在|z|0处收敛，极点全部在z=0处(因果系统)4(3)结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，但有些结构中(例如频率抽样结构)也包含有反馈的递归部分。设FIR滤波器的单位冲激响应h(n)为一个N点序列，0≤n≤N-1，则滤波器的系统函数为：H(z)=∑h(n)*z^-n就是说，它有(N-1)阶极点在z=0处，有(N-1)个零点位于有限z平面的任何位置。3.4窗函数的介绍数字信号处理的主要数学工具是傅里叶变换。而傅里叶变换是研究整个时间域和频率域的关系。不过，当运用计算机实现工程测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析。做法是从信号中截取一个时间片段，然后用观察的信号时间片段进行周期延拓处理，得到虚拟的无限长的信号，然后就可以对信号进行傅里叶变换、相关分析等数学处理。无线长的信号被截断以后，其频谱发生了畸变，原来集中在f(0)处的能量被分散到两个较宽的频带中去了（这种现象称之为频谱能量泄漏）。为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截短，截断函数称为窗函数，简称为窗。信号截短以后产生的能量泄漏现象是必然的，因为窗函数w(t)是一个频带无限的函数，所以即使原信号x(t)是有限带宽信号，而在截短以后也必然成为无限带宽的函数，即信号在频域的能量与分布被扩展了。又从采样定理可知，无论采样频率多高，只要信号一经截短，就不可避免地引起混叠，因此信号截短必然导致一些误差。泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的高度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接近于真实的频谱，为此，在时间域中可采用不同的窗函数来截短信号。5图1窗函数设计法的时域波形（矩形窗N=30）4.FIR滤波器的设计4.1FIR滤波器设计线性相位FIR滤波器设计步骤：要求:设计一个低通滤波器，采样率Fs=8000Hz，通带截止频率为fp=2400Hz，阻带截止频率为fs=3000Hz，通带最大衰减ap=0.25db，阻带最小衰减as=80db则：根据as=80db，由图2，选择凯泽窗（错误!未找到引用源。）4.2窗函数设计的基本方法radFfTsppp6.0108104.22233radFfTssss75.01081032233radspc675.023321,67,1015.0wNNNps6利用窗函数法设计FIR滤波器设计方法：先给出理想滤波器的频响)(jdeH，要求设计一个FIR滤波器)()()(10jdNnnjjeHenheH来逼近，由于设计是在时域进行，因此先求)(jdeH的傅里叶反变换导出hd(n)。deeHnhnjjdd)(21)(求单位冲激响应由于)(jdeH是矩形频率特性，故hd(n)一定是无限长的序列，且是非因果的，而我们要设计的是FIR滤波器，其h(n)必然是有限长，所以要用有限长的h(n)来逼近无限长的hd(n)，最有效的方法是截断hd(n)即用一个有限长度的窗函数序列w(n)来截取hd(n)，即h(n)=w(n)hd(n)。图2各种窗函数指标4.3滤波器的1z算法实现7FIR滤波器的输出表达式为式中，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)。1）线性缓冲区法线性缓冲区法又称延迟线法。其特点：对于N级的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；从最老样本开始取数，每取一个样本后，将此样