楊素珍 吳蘭蘭

摘要：基于FIR濾波算法，利用DSP處理芯片TMS320F2812，音頻處理芯片TLV320AIC23設(shè)計(jì)了一種語音濾波系統(tǒng)，并在DSP集成開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了窗函數(shù)法設(shè)計(jì)的FIR濾波器，該語音濾波系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，并有效抑制了高頻噪聲，仿真和實(shí)際硬件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：語音濾波系統(tǒng)；TMS320F2812；FIR濾波器；窗函數(shù)法

引言

語音信號(hào)中的噪聲不僅降低了語音通信的語音質(zhì)量，更容易導(dǎo)致語義理解錯(cuò)誤。語音濾波是語音系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其作用是通過語音預(yù)處理來改善語音信號(hào)質(zhì)量，通過語音濾波可以盡可能多地提取語音通信過程中的有效信號(hào)，抑制背景噪聲，從而獲得高質(zhì)量的語音通信質(zhì)量。數(shù)字濾波器主要有無限脈沖響應(yīng)（IIR）和有限脈沖響應(yīng)（FTR），和IIR相比，F(xiàn)IR無需進(jìn)行遞歸預(yù)算，僅存在零極點(diǎn)，為有限長穩(wěn)定，幅度特性可隨意設(shè)計(jì)，線性相位嚴(yán)格，在信息通信、圖像處理、數(shù)字信號(hào)分析和譜分析等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理器DSP由于性能優(yōu)越，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域最常用的處理芯片之一，其在處理復(fù)雜的濾波算法時(shí)，具備良好的實(shí)時(shí)性。語音系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，研究其處理系統(tǒng)和信號(hào)處理方法意義重大。本文將構(gòu)建以高性能DSP處理器TMS320F2812為核心的語音濾波系統(tǒng)，并研究其FIR語音濾波算法的實(shí)現(xiàn)。

1FlR濾波算法

1.1FIR濾波器原理

數(shù)字濾波器的功能就是經(jīng)過一定運(yùn)算，將輸入變換成輸出，F(xiàn)IR濾波器網(wǎng)指的是用有限沖激響應(yīng)進(jìn)行數(shù)字濾波，通過有限加法、乘法、延時(shí)等操作實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的濾波功能。其傳輸函數(shù)為式中：N為濾波器的階數(shù)：h（k）為系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)，這由選擇的濾波特性決定。一個(gè)理想的濾波器其單位沖激響應(yīng)是一個(gè)無限長的序列，而FIR濾波器的階數(shù)是有限的，這就要通過一定的附加函數(shù)逐步逼近理想的濾波特性，X（n-k）是通過k個(gè)延時(shí)后的數(shù)字輸入信號(hào)。

FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其可以理解為一個(gè)分節(jié)的延時(shí)線，把每一節(jié)的輸出加權(quán)累加，便可得到濾波器的輸出。

1，2FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法

本文FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)采用窗函數(shù)法，該方法也稱為傅里葉級(jí)數(shù)法，從單位取樣響應(yīng)的觀點(diǎn)來看，就是使所設(shè)計(jì)濾波器的h（n）逼近理想的濾波器單位取樣響應(yīng)h（n）。設(shè)計(jì)過程為：先用傅氏反變換求出理想濾波器的單位抽樣響應(yīng)h（n），然后加時(shí)間窗w（n）對(duì)h（n）截?cái)?，以求得FIR濾波器的單位抽樣響應(yīng)h（n）?？梢姡昂瘮?shù)的形狀及長度的選擇就尤為關(guān)鍵。語音信號(hào)長度一般已給定，只需選擇合適的窗函數(shù)，語音濾波處理時(shí)常用漢明窗和漢寧窗，漢明窗由于部分抵消作用優(yōu)于漢寧窗，且泄露很小，容易獲得，因此選取漢明窗為窗函數(shù)進(jìn)行語音濾波處理。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

濾波器硬件系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖2所示。圖2中，系統(tǒng)由DSP高速處理芯片TMS320F2812最小系統(tǒng)，語音編解碼芯片TLV320AIC23，以及其他擴(kuò)展電路構(gòu)成。

最小系統(tǒng)由TMS320F2812主芯片、有源晶振、電源電路、復(fù)位電路、JTAG下載接口和擴(kuò)展存儲(chǔ)器構(gòu)成，TMS320F2812采用先進(jìn)的哈佛總線和高性能CMOS技術(shù)，其CPU主頻高達(dá)150MHz，時(shí)鐘周期為納秒級(jí)，采用低功耗設(shè)計(jì)，外設(shè)資源豐富，具備高速的幀處理能力，為了更好滿足實(shí)時(shí)語音處理的需求，本系統(tǒng)對(duì)TMS320F2812片外擴(kuò)展了256Kx16位SRAM作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，512Kx16位FLASH作為外部程序存儲(chǔ)器。TLV320AIC23是一款∑-A型高性能的立體聲音頻編解碼芯片，信噪比高，功耗低，內(nèi)部集成了16位A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，采樣速率可通過DSP編程設(shè)置，高速實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的接收、發(fā)送。

TMS320F2812外設(shè)多通道緩沖串口（McB-SP）支持全雙工通信機(jī)制，并提供雙緩存的發(fā)送和三緩存的接收寄存器，允許連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸，數(shù)據(jù)長度通過編程設(shè)置，可與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的解碼器（CODEC）、模擬接口（AIC）等直接進(jìn)行串行連接，如圖3所示。圖3中，TMS320F2812使用McBSP與AIC23進(jìn)行無縫連接，其中，LRCIN為數(shù)字音頻接口DAC方向的幀信號(hào)，LRCOUT為數(shù)字音頻接口ADC方向的幀信號(hào)，DIN為數(shù)字音頻接口DAC方向的數(shù)據(jù)輸入，DOUT為數(shù)字音頻接口ADC方向的數(shù)據(jù)輸出，SDIN和SCLK用于對(duì)AIC23寫入命令字，實(shí)現(xiàn)芯片功能的配置和控制，DOUT和BLCK組成的數(shù)字音頻接口，DSP從這個(gè)接口收發(fā)數(shù)字音頻信號(hào)。TLV320AIC23需要外接11，2896MHz的晶振作為工作時(shí)鐘。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

語音信號(hào)濾波器整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，該系統(tǒng)的主通道輸入信號(hào)主要具有高頻和低頻信號(hào)的混合語音信號(hào)，輸入信號(hào)送入核心處理器之后進(jìn)行濾波算法處理，高頻信號(hào)經(jīng)低通濾波器后被濾去。最后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器把低通濾波后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過重構(gòu)濾波變成模擬信號(hào)，從而得到高頻抑制之后的音頻信號(hào)。

軟件系統(tǒng)的總體流程如圖5所示。主函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

程序首先初始化語音緩沖區(qū)和工作變量，等待MCBSP傳送結(jié)束之后，進(jìn)入工作狀態(tài)，然后傳送到MCBSP，MCBSP在其中斷服務(wù)程序中讀取語音數(shù)據(jù)，接著將MCBSP接收數(shù)據(jù)保存到左右聲道緩沖區(qū)，此時(shí)即可調(diào)用FIR算法濾波輸出，濾波后的結(jié)果存放于左右聲道緩沖區(qū)，并將濾波后的信號(hào)輸出到MCBSP接口，隨后將得到的該信號(hào)傳送到TLV320AIC23中，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出給耳機(jī)口。

4實(shí)驗(yàn)

FIR濾波器采用64階濾波參數(shù)，低通濾波，窗函數(shù)選用漢明窗，截止頻率1000Hz，采樣頻率48000 Hz，增益1dB。原始聲音信號(hào)如圖6所示。

在實(shí)際硬件系統(tǒng)上，利用硬件仿真器和DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS的觀察窗口觀察到帶噪聲的聲音信號(hào)頻譜圖如圖7所示。由圖7可知，存在高頻干擾，經(jīng)過DSP下FIR濾波器濾波后，聲音信號(hào)的頻譜如圖8所示，可見，輸入波形中的低頻波形通過了濾波器，而高頻部分則被衰減，輸出音頻的高頻噪聲部分被較好的濾除了。

5結(jié)束語

通過MATLAB仿真環(huán)境和本文設(shè)計(jì)的DSP語音濾波系統(tǒng)硬件平臺(tái)對(duì)相同語音信號(hào)測試證明，在錄制的語音信號(hào)未進(jìn)行濾波處理之前，聲音中含有雜音，影響聽覺效果。但通過FIR濾波之后，雜音被消除，聲音質(zhì)量得到了明顯的改善。語音濾波系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，算法處理快速，可以滿足各類環(huán)境下的應(yīng)用需求。