基于TMS320C6713语音信号滤波去噪――使用BARTHANNWIN设计的FIR滤波器

XX大学《通信系统DSP》课程设计报告王二校徽学院XXXX专业XXXX班级XXXX学号XXXX学生姓名XXXX指导教师XXXX课程成绩完成日期XX年X月X日课程设计成绩评定学院XXXX专业XXXX班级XXXX学号XXXX学生姓名XXXX指导教师XXXX完成日期XX年X月X日指导教师对学生在课程设计中的评价评分项目优良中及格不及格课程设计中的创造性成果学生掌握课程内容的程度课程设计完成情况课程设计动手能力文字表达学习态度规范要求课程设计论文的质量指导教师对课程设计的评定意见综合成绩指导教师签字XXXX年X月X日课程设计任务书XXXXX系XXXX专业课程名称数字信号处理课程设计时间XX-YY学年第X学期X-Y周学生姓名王二指导老师XX题目主要内容：用麦克风采集一段语音信号，绘制波形并观察其频谱特点，加入一个带外单频噪声，使用BARTHANNWIN设计一个满足指标的FIR滤波器，对该含噪语音信号进行滤波去噪处理，比较滤波前后的波形和频谱并进行分析，根据结果和学过的理论得出合理结论。与不同信源相同滤波方法的同学比较各种信源的特点，与相同信源不同滤波方法的同学比较各种滤波方法性能优劣。要求：（1）滤波器指标必须符合工程实际。（2）设计完后应检查其频率响应曲线是否满足指标。（3）处理结果和分析结论应该一致，而且应符合理论。（4）独立完成课程设计并按要求编写课程设计报告书。应当提交的文件：（1）课程设计学年论文。（2）课程设计附件（主要是源程序）。《基于TMS320C6713语音信号滤波去噪——使用BARTHANNWIN设计FIR滤波器》王二第1页共24页基于TMS320C6713语音信号滤波去噪——使用BARTHANNWIN设计FIR滤波器学生姓名：王二指导老师：XX摘要本课程设计主要是针对一段语音信号，加入噪声后，使用BARTHANNWIN设计出的FIR滤波器对加入噪声后的语音信号进行滤波处理，并且分析比较前后的时域和频域波形的程序设计，最后在DSP板上运行得到验证。本课程设计中，操作系统平台为WindowsXP，程序设计的操作软件为CodeComposerStudio3.1，在CodeComposerStudio3.1中自编函数，设计出FIR滤波器。此次设计首先在因特网上下载一段语音信号，通过进行自编函数加入2550Hz单频噪声，然后用BARTHANNWIN设计FIR滤波器，并且利用设计的滤波器对这段加入噪声的语音信号进行滤波去噪，用绘图的程序画出前后时域和频域的波形来进行对比分析。程序经过多次的调试运行，基本实现了设计的目标，并且经过适当的修改后，从波形看出可以完全滤除噪声，而且实际运行效果达到语音基本不失真的效果。关键词课程设计；滤波去噪；FIR滤波器；TMS320C6713；CodeComposerStudio《基于TMS320C6713语音信号滤波去噪——使用BARTHANNWIN设计FIR滤波器》王二第2页共24页1引言本课程设计主要是针对一段语音信号，在CodeComposerStudio3.1软件平台上，编程加入2550Hz单频噪声，绘制出前后的波形并观察其频谱，给定相应技术指标，使用BARTHANNWIN设计一个满足指标的FIR滤波器，编写出符合频率采样法原理的滤波器程序，对语音信号进行去噪处理，设计出分析比较语音信号滤波前后时域和频域波形的程序，并且比较滤波前后的波形和频谱并进行分析，最后在DSP板上运行以验证仿真结果。根据结果和学过的理论得出合理的结论，写出符合要求的课程设计报告。1.1课程设计的目的数字信号处理（DigitalSignalProcessing，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20多年里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。数字信号处理是利用计算机和专用处理设备，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，以达到符合人们需要的信号形式。在本次课程设计中，最主要的设计是设计FIR滤波器，FIR滤波器的设计方法主要分为两类：第一类是基于逼近理想滤波器特性的方法，包括窗函数法、频率采样法和等波纹最佳逼近法；第二类是最优设计法。本次的课程设计采用的是第一类设计方法，是使用BARTHANNWIN设计FIR滤波器对一段语音信号进行滤波去噪处理，通过这一过程，对滤波前后波形进行对比分析得到结论。此课程设计比较简单，主要是将书本中的知识运用到现实中，并且根据设计题目的理解，运用软件编写出程序实现这一设计，并且在有TMS320C6713的板子上面运行，也是我们对数字信号处理的原理进行验证的一个过程。对此，也可以加深我们对所学知识的理解，培养我们的动手能力。1.2课程设计的要求（1）通过利用各种不同的开发工具实现模拟信号数字化、信道编解码、基带数字信号编解码、数字信号的调制解调和语音信号的滤波去噪等课题，掌握数字信号的分析方法和处理方法。（2）按要求编写课程设计报告书，能正确阐述设计和实验结果等等。《基于TMS320C6713语音信号滤波去噪——使用BARTHANNWIN设计FIR滤波器》王二第3页共24页（3）通过课程设计培养学生严谨的科学态度，认真的工作作风和团队协作精神。（4）在老师的指导下，要求每个学生独立完成课程设计的全部内容。1.3设计平台本设计的设计平台是CodeComposerStudio™(CCStudio)是用于德州仪器(TI)嵌入式处理器系列的集成开发环境(IDE)。CCStudio包含一整套用于开发和调试嵌入式应用的工具。它包含适用于每个TI器件系列的编译器、源码编辑器、项目构建环境、调试器、描述器、仿真器、实时操作系统以及多种其他功能。直观的IDE提供了单个用户界面，可帮助您完成应用开发流程的每个步骤。借助于精密的高效工具，用户能够利用熟悉的工具和界面快速上手并将功能添加至他们的应用。CodeComposerStudio以Eclipse开源软件框架为基础。Eclipse软件框架最初作为创建开发工具的开放框架而被开发。Eclipse为构建软件开发环境提供了出色的软件框架，并且逐渐成为备受众多嵌入式软件供应商青睐的标准框架。CCStudio将Eclipse软件框架的优点和TI先进的嵌入式调试功能相结合，为嵌入式开发人员提供了一个引人注目、功能丰富的开发环境。下图为CodeComposerStudio3.1的初始界面：图1-1CCS工作环境《基于TMS320C6713语音信号滤波去噪——使用BARTHANNWIN设计FIR滤波器》王二第4页共24页2设计原理2.1FIR滤波器FIR（FiniteImpulseResponse）滤波器是有限长的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[5]。有限长单位冲激响应（FIR）滤波器有以下几个特点：（1）系统的单位冲激响应)(nh在有限个n值处不为零；（2）系统函数()Hz在0||z处收敛，极点全部在0z处（因果系统）；（3）结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的回馈，但有些结构中（例如频率抽样结构）也包含有回馈的递归部分。FIR滤波器的系统函数用下式表示：1_0)()(NnnznhzH。()Hz就是FIR滤波器的单位脉冲响应。FIR滤波器最重要的优点就是不存在系统极点，相位响应可以使真正线性的，因而绝对稳定，设计相对容易，在实现上也是高效的。FIR滤波器包括4种结构：直接型、级联型、线性相位型、频率采样型。FIR滤波器无反馈回路，是一种条件稳定系统，可以设计成具有线性相位特性。设FIR滤波器的系数为h(0)、h(1)、h(2)、h(3)···h(N-2)、h(N-1)；X(n)表示滤波器在n时刻的输入，则n时刻的输出为：10)]1([)1(...)1()1()()0()1()()(NiNnxNhnxhnxhnxihny（2-1）FIR数字滤波器的结构如图2-1所示：Z-1Z-1Z-1Z-1x(n)y(n)h(1)h(0)h(2)h(N-2)h(N-1)图2-1数字滤波器的结构框图《基于TMS320C6713语音信号滤波去噪——使用BARTHANNWIN设计FIR滤波器》王二第5页共24页设计一个FIR滤波器，可以有多种方法，可以用窗函数法、频率采样法、脉冲响应不变法和双线性变换法。其中窗函数法是设计FIR数字滤波器的最简单也是工程上常用的方法。FIR滤波器设计的主要方法如下表所示：函数设计方法说明工具函数窗函数法理想滤波器加窗处理fir1(单频带)，fir2(多频带)，kaiserord最优化设计平方误差最小化逼近理想幅频响应或Park-McClellan算法产生等波纹滤波器firls，remez,remezord约束最小二乘逼近在满足最大误差限制条件下使整个频带平方误差最小化fircls,fircls1升余弦函数具有光滑、正弦过渡带的低通滤波器设计Fircos表2-2FIR滤波器设计的主要方法2.2窗函数设计方法FIR滤波器的设计方法有许多种，如窗函数设计法、频率采样设计法和最优化设计法等。窗函数设计法的基本原理是用一定宽度窗函数截取无限脉冲响应序列获得有限长的脉冲响应序列，窗口设计法是一种通过截断和计权的方法使无限长非因果序列成为有限长脉冲响应序列的设计方法。通常在设计滤波器之前，应该先根据具体的工程应用确定滤波器的技术指标。在大多数实际应用中，数字滤波器常常被用来实现选频操作，所以指标的形式一般为在频域中以分贝值给出的相对幅度响应和相位响应。窗口设计法步骤如下：（1）根据过渡带宽及阻带衰减要求，选择窗函数的类型并估计窗口长度N。窗函数的类型可根据最小阻带衰减AS独立选择。（2）根据待求滤波器的理想频率响应求出理想单位脉冲响应hd(n)。《基于TMS320C6713语音信号滤波去噪——使用BARTHANNWIN设计FIR滤波器》王二第6页共24页（3）由性能指标确定窗函数W(n)和长度N。（4）求得实际滤波器的单位脉冲响应h(n)，h(n)即为所设计FIR滤波器系数向量b(n)。理想的滤波器是物理不可以实现的，为了物理实现，必须加窗函数，这里应该强调的是，加窗函数不是可有可无的，而是将设计变为物理可实现所必须的。截取之后的滤波器传递函数变为：10)()(NnnznhzH（2-2）上式中，N为窗口宽度，H(z)是物理可实现系统。这种方法的基本原理是用一定宽度的矩形窗函数截取无限脉冲响应序列获得有限长的脉冲响应序列，从而得到FIR滤波器的脉冲响应，故称为FIR滤波器的窗函数设计法。为了改善FIR滤波器性能，要求窗函数的主瓣宽度尽可能窄，以获得较窄的过渡带；旁瓣相对值尽可能小，数量尽可能少，以获得通带波纹小,阻带衰减大，在通带和阻带内均平稳的特点，这样可使滤波器实际频率响应更好地逼近理想频率响应。数字信号处理的前驱者们设计了不同于矩形窗的很多窗函数，这些窗函数在主瓣和旁瓣特性方面各有特点，可满足不同的要求。为此，用窗函数法设计FIR数字滤波器时，要根据给定的滤波器性能指标选择窗口宽度N和窗函数w(n)。2.3C6713芯片及开发板简介C6000是TI公司于1997年推出的DSP芯片，C67xx系列是浮点运算处理。C6000片内有8个并行处理单元，分为相同的两组，其体系结构采用甚长令字（VLIW）结构，单指令字长为32bit，8个指令组成一个指令包，总字长8*32=256bit。芯片内部设置了专门的指令分配模块，可以将每个256bit的指包同时分配到8个处理单元，并由8个单元同时运行。当8个单元同时运行，其最大处理能力可以达到300*8=2400MIPS，图2-1为其结构框图：《基于TMS320C6713语音信号滤波去噪——使用BARTHAN