实验二 基于语音信号的 FIR 滤波器设計与实现一、实验目的1. 掌握利用 matlab 的滤波器设计工具设计 FIR 滤波器系数2. 熟悉 FIR 数字滤波器工作原理及其编程设计3. 了解 ICETEK-C6713-A 板上语音 codec 芯片 TLV320AIC23 的设计和程序控制原理4. 掌握分析 FIR 滤波器滤除噪声与干扰的方法5. 学习使用 CCS 图形观察窗口观察与分析输入波形及其频谱二、实验设备1．PC 兼容机一台；操作系統为 WindowsXP 2．ICETEK-C6713A-S60 实验箱一台 3．USB 连接电缆一条三．实验原理1．TLV320AIC23 芯片性能指标及控制方法：①初始化配置：DSP 通过 总线将配置命令发送到 AIC23，配置2IC完成后 AIC23 開始工作 ②语音信号的输入：AIC23 通过其中的AD 转换采集输入的语音信号，每采集完一个信号后将数据发送到 DSP 的 McBSP 接口上，DSP 可以读取到语音数據每个数据为16 位无符号整数，左右通道各有一个数值 ③语音信号的输出：DSP 可以将语音数据通过 McBSP 接口发送给AIC23，AIC23 的 DA 器件将他们变成模拟信號输出2．数字 FIR 滤波器设计：FDATOOL 是一个基于 MATLAB 的滤波器设计和分析工具。通过设置相关参数从 MATLAB 工作空间导出滤波器，直接指定滤波器系数鈳以快速设计出 FIR 数字滤波器。参数选取提示：采用 64 阶低通滤波汉明窗(Hamming Window)函数，截止频率为 7000Hz采样频率为 48000Hz。3．程序流程图：四、实验步骤1．實验准备：准备连接音频输入、输出设备： ① 将音频线一端插头插到 E:\DSP_LAB\\目录下其中的滤波器系数（fHnL[FIRNUMBER]）和单频干扰系数（nois[FIRNUMBER]）为空，需要通过 matlab 進行设计滤波器设计工具在命令窗口中敲入fdatool 即可打开，单频干扰系数可以调用 sin 函数生成5．编译源文件、下载可执行程序。同实验一2．设置观察窗口，观察滤波效果显示：①执行 View →Watch Window 打开观察窗口② 打开 aic23_loopback.c，通过“Quick Watch”,将变量 (比如bCode)加入观察窗口 通过改变 bCode 的值来实现原始信號（0）/ 加噪信号（1）/滤波信号（其它值）的输出切换③采用实验一的方法，通过 CCS 内部画图功能观察中间结果。3．运行程序听效果 使用計算机提供的声源：启动播放语音文件 E:\DSP_LAB\实验二\audio 子目录下的 mp3 文件，并选择播放器参数为循环播放 ;按“F5”键可以听到立体声线路输入的语音信号。这时的语音信号并没有经过滤波处理修改观察窗口中 bCode 的值为 1，此时语音信号中被加入单频噪声；修改观察窗口中 bCode 的值为 2此时启動 FIR 滤波；听效果。反复修改 bCode 的值成 0 1，2比较原声，加载噪声之后的音频以及滤波后的声音 4．通过 FDATOOL 设计不同类型、通带的滤波器，反复實验上述效果记录不同滤波器条件下的语言变化。5．结束运行关闭工程，退出 CCS五、实验结果1．通过播放音乐可以明显的区分加噪过程和滤波过程。2．通过 CCS 内部画图功能可以看到如下结果：图 1 原始信号频谱图通过频谱图可以看出原始信号频谱比较集中，在低频和高频處各有两个尖峰但是在其他位置几乎没有频谱分量，试听过程中音乐清晰。图 2 加噪信号频谱图在加入噪声后信号在高频部分的分量減少，低频部分的尖峰由一个变为两个同时在其他位置也出现频谱分量，在试听过程中也能听到比较大的刺啦声，效果明显图 3 （a）濾波器频率特性（Hamming 窗）（b ）过低通滤波器信号频谱图在通过低通滤波器后，我们可以明显的看到高频分量消失试听过程中部分高音消失，音乐声音变小但仍能听到声音。图 4 （a）滤波器频率特性（Hamming 窗）（b ）过带通滤波器信号频谱图在通过带通滤波器后可以明显的看到信號的频率被限制在一定的频带范围内，低频分量和高频分量均被抑制根据带通滤波器的设计不同，可以将声音限制在更窄的频带范围内试听过程中表现为声音不够清晰，大部分人声消失图 5 （a）滤波器频率特性（Hamming 窗）（b ）过高通滤波器信号频谱图在通过高通滤波器后发現信号没有任何变化，高通滤波器不起作用反复设计多个高通滤波器结果相同。（ c）滤波器频率特性（Hamming 窗）（d ）过等效高通（带通）滤波器信号频谱图于是设计了一个对于语音信号来说等效于高通滤波器的带通滤波器，通过实验发现低频信号被滤掉。原因是：此处计算信号功率谱为实功率谱功率谱具有镜像对称性，因此复功率谱部分被对称到高频部分，所以加入高通滤波器相当于滤掉原始功率谱使镜像功率谱通过，因此仍包含信号的全部分量等效于没有滤掉任何频谱分量。图 6 （a）滤波器频率特性（Hanning 窗）（b ）过滤波器信号频谱圖滤波器采用相同的设计参数对比滤波器的频率特性，发现Hanning 窗比 Hamming 窗的主瓣宽度要窄但旁瓣的抑制率低。表现在实验中可以发现 Hanning 窗下信號频谱范围比 Hamming 窗要宽图 7 （a）滤波器频率特性（Blackman 窗）