DSP原理与应用技术课程设计-基于DSP的音频信号处理的滤波分析(25页).docx
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1、-DSP原理与应用技术课程设计-基于DSP的音频信号处理的滤波分析-第 25 页华南师范大学DSP原理与应用技术课程设计课程名称: DSP原理与应用技术 课程题目: 基于DSP的音频信号处理的滤波分析 指导老师: 专业班级: 2015级 电路与系统 姓 名: 学 号: 20150 2016年7月20日基于DSP的音频信号处理的滤波分析摘要:数字处理器(DSP)有很强的数据处理能力,它在高速数字信号处理领域有广泛的应用,例如数字滤波、音频处理、图像处理等。相对于模拟滤波器,数字滤波器没有漂移,能够处理低频信号,频率响应特性可做成非常接近于理想的特性,且精度可以达到很高,容易集成等1。使用可编程的
2、DSP芯片实现数字滤波可以通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性2,本设计是利用DSP芯片TMS320VC5409的实验室开发板设计实现高阶FIR带通数字滤波器。本设计利用了matlab的fdatool工具箱产生FIR滤波器的参数,matlab的fdatool工具提供了一个很强大且十分便捷的方式去获得FIR滤波器的的C程序头文件。关键词:DSP TMS320VC5409 高阶FIR带通数字滤波器 fdatool工具箱AbstractDigital processor (DSP) has a strong ability of data processing, it has extens
3、ive application in the field of high speed digital signal processing, such as digital filter, audio processing, image processing, etc. Compared with analog filters, digital filter without drift, able to handle low frequency signal, the frequency response can be made very close to the ideal character
4、istics, and can reach high precision, easy integration, etc. Using programmable DSP chip to realize digital filtering by modifying the parameters of filter is very convenient to change the filter characteristics, this design is the use of DSP chip TMS320VC5409 laboratory development board design rea
5、lization of FIR bandpass digital filter.Fdatool book design using the matlab toolbox to produce the parameters of FIR filter, the matlab fdatool toolkit provides a very powerful and convenient way to gain the FIR filter C program header files.Keywords: DSP TMS320VC5409 A high order bandpass FIR digi
6、tal filter Fdatool toolkit目 录第一章 绪论51.1设计背景51.2设计目的61.3主要设计内容6第二章 系统开发平台与环境72.1 CCS开发环境72.1.1 CCS概述72.1.2 CCS集成开发环境82.2 本设计的系统的构成92.2.1采用的开发平台介绍92.2.2本系统的特点及设计过程112.3 用Matlab的FDATool生成FIR滤波器参数122.3.1 FDATool的介绍122.3.2 FDATool简要设计流程13第三章FIR滤波器的设计143.1FIR滤波器的基本理论143.1.1FIR滤波器的特点143.1.2FIR滤波器的基本结构153.2
7、 FIR滤波器设计总框图16第四章系统软件设计174.1 程序流程图174.2程序源代码184.3程序调试19第五章系统功能验证22第六章设计总结24参考文献25第一章 绪论1.1设计背景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(DSP)包括两重含义:数字信号处理技术(Digital Signal Processing)和数字信号处理器(Digital Signal Processor)。数字信号处理(DSP)是利用计算机或专用处理设备
8、,以数值计算的方法、对信号进行采集、滤波、增强、压缩、估值和识别等加工处理,借以达到提取信息和便于应用的目的,其应用范围涉及几乎所有的工程技术领域3。在信号处理中,滤波就显得非常重要。在数字信号处理过程中,经常需对信号进行过滤、检测、预测等处理,这些任务的完成都要用到滤波器。数字滤波器是数字信号处理的基本方法。根据其单位冲激响应函数的时域特性可分为两类:无限冲激响应( IIR)滤波器和有限冲激响应(FIR)滤波器。FIR 滤波器是有限长单位冲激响应滤波器,在结构上是非递归型的。它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。所以FIR 数字滤波器广泛地应用于数字信号处理领域。数字处理器
9、(DSP)有很强的数据处理能力,它在高速数字信号处理领域有广泛的应用,例如数字滤波、音频处理、图像处理等。相对于模拟滤波器,数字滤波器没有漂移,能够处理低频信号,频率响应特性可做成非常接近于理想的特性,且精度可以达到很高,容易集成等4。使用可编程的DSP芯片实现数字滤波可以通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性,下面主要说明利用型号为TMS320VC5409 的DSP芯片为基础的实验板设计实现FIR数字滤波器。1.2设计目的用可编程DSP芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性。因此,我们有必要对滤波器的设计方法进行研究,理解其工作原理,优化设计方法,设计开发稳
10、定性好的滤波器系统。我们将通过DSP设计平台,实现较为重要的FIR滤波器系统。从而通过本课题的研究,掌握滤波器的设计技术,为通信、信号处理等领域实用化数字滤波器设计提供技术准备。本科题的研究,将为今后设计以DSP为核心部件的嵌入式系统集成提供技术准备,这不仅具有重要的理论意义,同时还具有重要的实际意义5。同时本设计还结合了matlab的fdatool工具去设计生产FIR滤波器的参数,可以很好的实现音频信号的滤波,即可以很好达到实验设计要求。FIR 滤波器可以设计为线性相位,并且总是稳定的。在多数情况下,FIR滤波器的阶数通常为高阶的,这时直接计算滤波器的参数变的非常困难,这时利用matlab可
11、以非常方便的计算出要设计的FIR滤波器6。1.3主要设计内容本课题是基于TI公司近年推出的高性能定点DSPTMS320VC5409设计滤波器系统,如:有限冲击响应滤波器(FIR)。本次课题的主要任务,就是掌握DSP芯片开发技术,完成如下工作:1、用窗函数法实现高阶带通FIR滤波器,以便滤除带噪声的音频信号中的噪声;2、用时间抽取法实现FFT/IFFT算法,通过此算法,对信号进行频域分析、频域处理;3、研究DSP的结构特点,了解TI公司的TMS320VC5409 DSP器件,掌握DSP系统的构成及软硬件设计方法和CCS软件的调试方法;并以TI公司的TMS320VC5409 DSP为核心处理器的实
12、验套件上实现FIR滤波器系统。第二章 系统开发平台与环境2.1 CCS开发环境本节将介绍CCSCodeComposerStudio的基本开发环境、软件开发过程、CCS组件。CCS提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具,它便于实时、嵌入式信号处理程序的编制和测试,能够加速开发进程,提高工作效率。2.1.1 CCS概述CCS全称是CodeComposerStudio它提供了基本的代码生成工具,具有一定的调试、分析能力,在CCS下的程序开发过程如图2.1示:图2.1程序开发过程CCS包括:1、CCS代码生成工具2、CCS集成开发环境IDE3、DSP/BIOS插件程序和APIRTDX插件,主机接
13、口和API等。2.1.2 CCS集成开发环境调试DSP目标程序,它主要由几个主要的窗口组成:工程组显示窗口、程序内容显示窗口、编辑信息提示窗口和主要工具栏。另外,在编辑过程中 还可以显示诸如存储器观察窗口、变量监视框、图形显示框等调试界面,他们为程序编写调试提供多种手段为软件开发提供了极大的方便7。图 2.2就是基本编辑界面。在利用CCS编程的过程中,不可避免的要遇到如何将程序变量分配到内存中去的问题。因为,即使DSP的存储空间比较大,速度也十分快,但是如果内存空间分配不当的话,还是会出现空间不够行速度下降,甚至程序跑飞的情况,这样会时程序调试起来十分麻烦。所以,一定要分配好内存空间CCS提供
14、了两种分配空间的方法:利用cmd文件或rcp文件分配空间,其中cmd文件是纯文本格式的描述性的空间分配方式,它的优点是程序员对空间的可控制性较高,可以将不同的块分配到指定的地址,并规定长度。但它对于初学者来说,要求对C5410的内存空间的分配有较清楚的认识,否则容易将数据分配到不该分配的地方,引起程序运行的冲突,甚至程序跑飞。所以,一般在编程过程中,使用rcp文件对程序进行内存分rcp文件全称是recipe文件,这是一种图形化界面的内存分配文件。对于一个新生成的工程组rcp文件的生成方法是:选择CCS菜单上的Tools项,选择linkerconfiguration项,将分配方式改为usethe
15、visuallinker之后直接编译,编译信息提示窗口中会显示出错信息,提示找不到rcp文件,双击提示CCS会自动弹出rcp生成向导,按照要求选择rcp模板,就会生成这个工程对应的rcp文件,双击生成的rcp文件,通过visuallinker连接器可以打开这个文件8。当程序中新增加了变量后,在rcp文件中会出现Notyetplaced项,只要将其下的文件夹,根据类型拖动到run_view下的相应的数据存储器或程序存储器即可。还可以选择用何种类型的存储器空间装载,通过观察存储空间以使用的状况自行分配空间,所以十分灵活,并且不会出现空间重叠的现象,避免了程序跑飞。2.2 本设计的系统的构成2.2.
16、1采用的开发平台介绍本设计采用的实验室开发板分为DSP处理,FPGA处理,单片机处理,音频处理电路模块。其系统框图如下图2.3所示:图2.3 系统框图本设计的采用的开发套件的实物图如下图2.4所示:图2.4 开发套件的实物图该开发平台采用的芯片基本介绍:1.TPS767D318,电源管理芯片,提供3.3V IO电压和1.8V 内核电压。2.MAX232,232串口芯片,做音效处理时,可以通过上位机将效果器的参数传给 DSP。3.CS4221,专业音频处理AD/DA,采样率最高可达96k,采样宽度 24bit或20bit可选,满足专业音频处理的要求。4.DSP,使用TI公司的TMS320C540
17、9,存储空间和寄存器均满足设计要求。由于DSP是用来对数字信号进行处理的,所以首先必须将输入的模拟信号变换为数字信号。于是先对输入模拟信号进行调整,输出的模拟信号经过A/D变换后变成DSP可以处理的数字信号,DSP根据实际需要对其进行相应的处理,如FFT、卷积等;处理得到的结果仍然是数字信号,可以直接通过相应通信接口将它传输出去,或者对它进行D/A变换将其转换为模拟采样值,最后再经过内插和平滑滤波就得到了连续的模拟波形模拟信号。当然,图中的有些环节并不是必需的。如A/D转换,如果输入的是数字信号,就可以直接交给DSP进行运算。在dsp中经过FIR滤波处理后经过D/A变换后即可得到想要的音频信号
18、9。2.2.2本系统的特点及设计过程由于数字信号处理系统是以数字信号处理理论为基础,所以具有数字信号处理的全部优点:(1) 接口方便 :DSP 系统与其它以数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的,比模拟系统与这些系统接口要容易的多。(2)编程方便:DSP系统中的可编程DSP芯片可以使设计人员在开发过程中灵活方便的进行修改和升级,可以将C语言与汇编语言结合使用。(3)具有高速性:DSP系统的运行较高,最新的DSP芯片运行速度高达10GMIPS以上。(4)稳定性好:DSP 系统以数字处理为基础, 受周围环境,如噪声、温度等的影响小、可靠性高。(5)精度高:由于DSP能进行浮点运算,例如16位数字
19、系统可以达到10-5的精度。(6)可重复性好:模拟系统的性能受元件参数性能变化影响大,而数字系统基本不受影响,更便于测试、调试和大规模生产。 (7)集成方便:DSP系统中的数字部件有高度的规范性,便于大规模生产。当然DSP也存在一定的缺点。例如,对于一些简单的信号处理任务,如与模拟交换线的电话接口,若采用DSP则使成本增加。另外,DSP系统中的高速时钟通常在几十兆赫,可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题,而且DSP的功率消耗在系统中也是较大的。此外,DSP技术发展得很快,数学知识要求多,开发和调试工具还很不完善。虽然DSP系统还存在一些缺点,但是随着近两年来DSP技术突飞猛进的发展,成本的下降,很
20、多问题都得到了缓解。其突出的优点已经使其在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用10。一般来说DSP的设计过程应遵循一定的设计流程,如图2.5示。 图2.5 DSP基本设计流程2.3 用Matlab的FDATool生成FIR滤波器参数2.3.1 FDATool的介绍FDATool(FilterDesign&AnalysisTool)是MATLAB信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具,MATLAB6.O以上的版本还专门增加了滤波器设计工具箱(FilterDesignToolbox)。FDATool可以设计几乎所有的常规滤波器,包括FIR和IIR的各
21、种设计方法。它操作简单,方便灵活。FDATool。界面总共分两大部分,一部分是DesignFilter。在界面的下半部,用来设置滤波器的设计参数;另一部分则是特性区,在界面的上半部分,用来显示滤波器的各种特性。DesignFilter部分主要分为:FilterType(滤波器类型)选项,包括Lowpass(低通)、Highpass(高通)、Bandpass(带通)、Bandstop(带阻)和特殊的FIR滤波器。2.3.2 FDATool简要设计流程在matlab的命令窗口里输入fdatool,即可以得到如下图2. 6滤波器设计界面。图2. 6 滤波器设计界面在该界面里输入能达到设计要求的参数,
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