基于DSP技術(shù)的語音信號處理和模塊設(shè)計(jì)

1、基于DSP技術(shù)的語音濾波處理設(shè)計(jì)LULIANG UNIVERSITY分類號： 密 級： 課程論文（設(shè)計(jì)）題 目：基于DSP技術(shù)的語音信號處理和模塊設(shè)計(jì)系 別： 物理系 專業(yè)年級： 電子信息工程1301班 姓 名： 周子集 學(xué) 號： 20130506137 指導(dǎo)教師： 龐淑蓉老師 2015年11月14日摘要 語音信號處理是研究用數(shù)字信號處理技術(shù)和語音學(xué)知識對語音信號進(jìn)行處理的新興學(xué)科，是目前發(fā)展最為迅速的信息科學(xué)研究領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。通過語音傳遞信息是人類最重要、最有效、最常用和最方便的交換信息形式。 數(shù)字信號處理技術(shù)（DigitalSignalProcessing，簡稱DSP）是利用計(jì)算機(jī)或

2、專用處理設(shè)備，以數(shù)字形式對信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。Matlab語言是一種數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，它可以將聲音文件變換為離散的數(shù)據(jù)文件，然后利用其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力處理數(shù)據(jù)，如數(shù)字濾波、傅里葉變換、時(shí)域和頻域分析、聲音回放和各種圖的呈現(xiàn)等，它的信號處理與分析工具箱為語音信號分析提供了十分豐富的功能函數(shù)，利用這些功能函數(shù)可以快捷而又方便地完成語音信號的處理和分析以及信號的可視化，是人機(jī)交互更加便捷。信號處理是Matlab重要應(yīng)用的領(lǐng)域之一。本設(shè)計(jì)針對現(xiàn)在大部分語音處理軟件內(nèi)容繁多、操作不便等問題，采用Matlab綜合

3、運(yùn)用GUI界面設(shè)計(jì)、各種函數(shù)調(diào)用等來實(shí)現(xiàn)語音信號的變頻、傅里葉變換及濾波，程序界面簡練，操作簡便，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。關(guān)鍵字：Matlab；語音信號；傅里葉變換；信號處理AbstractSpeech signal processing is to study the use of digital signal processing technology and phonetics to speech signal for processing of the emerging discipline is one of the core technology of the growing fi

4、eld of information science development at present. The information is the most important, most effective, the most common and most convenient form of exchange information through the voice transmission.Digital signal processing technology (DigitalSignalProcessing, referred to as DSP) is the use of c

5、omputer or special processing equipment, digital form of signal acquisition, transformation, filtering, estimation, enhancement, compression, recognition, etc., in order to get in line with the needs of the signal form.Matlab language is a kind of data analysis and processing function is very powerf

6、ul computer application software, it can transform the sound file into discrete data file, and then use its powerful matrix computing capabilities to deal with data, such as digital filtering, FT, time and frequency domain analysis, voice playback and various graph, it's signal processing and an

7、alysis toolbox for speech signal analysis provides a very rich functional function, using these functions can be quick and easy to complete the processing and analysis of speech signal, and the signal is more convenient. Signal processing is one of the important applications of Matlab.This design fo

8、r most of the speech processing software is a wide range of operational inconvenience and other issues, the use of Matlab GUI interface design, a variety of functions to achieve the frequency conversion of voice signals, Fu Liye transform and filtering, the program interface is simple, easy to opera

9、te, has a set of practical application.Key words: Matlab; speech signal; FT; signal processing目 錄第一章 概述- 1 -1.1 DSP的發(fā)展趨勢- 1 -1.2 DSP處理數(shù)字信號- 2 -第二章 方案設(shè)計(jì)- 4 -21 基本要求與剖析- 4 -22 設(shè)計(jì)方案比較- 4 -23 總體設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)框圖- 5 -24 總體設(shè)計(jì)電路圖- 6 -第三章 硬件設(shè)計(jì)- 7 -31 CPU芯片的選擇- 7 -32 聲音信號輸入的設(shè)計(jì)- 8 -33 AD采集的設(shè)計(jì)- 9 -34 聲音信號輸出的設(shè)計(jì)- 10 -第四

10、章 軟件設(shè)計(jì)- 13 -41 主程序的設(shè)計(jì)- 13 -42 MATLAB聲音濾波的仿真- 14 -43 GUI界面的設(shè)計(jì)- 17 -44 快速傅里葉變換（FFT）的實(shí)現(xiàn)- 18 -4.5 聲音濾波的實(shí)現(xiàn)- 19 -第五章 總結(jié)與展望- 21 -參考文獻(xiàn)- 22 -第一章 概述1.1 DSP的發(fā)展趨勢在計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)軟件、硬件不斷進(jìn)行著新的突破性發(fā)展。如今DSP操作系統(tǒng)和DSP應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中最熱門的技術(shù)，是高校、科研院所和高新技術(shù)企業(yè)的DSP軟件、硬件開發(fā)人員的新的課題。 DSP實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)的、多任務(wù)的操作系統(tǒng)軟件，它是DSP系統(tǒng)（包括

11、硬、軟件系統(tǒng)）極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口。 目前，DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的品種較多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅用于信息電器的DSP操作系統(tǒng)就有10種左右。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。DSP技術(shù)應(yīng)用前景將非常廣闊。DSP應(yīng)用產(chǎn)品具有巨大的市場需求前景，僅就美國市場而言，據(jù)估計(jì)，21世紀(jì)將有1億輛汽車、幾千萬臺個(gè)人通信裝置、每個(gè)家庭中520個(gè)聯(lián)網(wǎng)的家用電器以及數(shù)以百萬計(jì)的工廠使用DSP系統(tǒng)。業(yè)界分析家認(rèn)為，DSP系統(tǒng)在IP電話、游戲裝置和手持式通信裝置的推動下將會有突飛猛進(jìn)

12、的發(fā)展。DSP系統(tǒng)不僅在傳統(tǒng)的工業(yè)控制、通信和圖象處理領(lǐng)域有極其廣泛的應(yīng)用空間，如智能工控設(shè)備、POS/ATM機(jī)、IC卡等，而且在信息家電領(lǐng)域的應(yīng)用更具有極為廣泛的潛力，例如機(jī)頂盒、變頻冰箱、變頻空調(diào)等眾多的消費(fèi)類和醫(yī)療保健類電子設(shè)備，以及在車載盒、智能交通等領(lǐng)域的應(yīng)用也呈現(xiàn)出前所未有的生機(jī)。 （1）信息家電領(lǐng)域機(jī)頂盒、變頻冰箱、變頻空調(diào)等眾多的消費(fèi)類和家庭醫(yī)療保健類電子設(shè)備將在未來幾年取得快速發(fā)展，信息家電的個(gè)性化、區(qū)域化以及季節(jié)化的趨勢，為特定應(yīng)用的DSP操作系統(tǒng)提供了應(yīng)用發(fā)展空間。信息智能家居是未來發(fā)展的方向，估計(jì)幾年內(nèi)將得到快速發(fā)展。 （2）醫(yī)療儀器領(lǐng)域大量醫(yī)療儀器的應(yīng)用，如心臟起搏器

13、、放射設(shè)備及分析監(jiān)護(hù)設(shè)備，都需要RTOS的支持，像各種化驗(yàn)設(shè)備，如肌動電流描記器、離散光度化學(xué)分析、分光光度計(jì)等，都需要使用高性能的、專用化的DSP系統(tǒng)來提高其精度和速度。引入DSPRTOS后，現(xiàn)有的各種監(jiān)護(hù)儀的功能與性能都將得到大幅度的提高。 （3）智能汽車領(lǐng)域隨著無線通信與全球定位技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，集通信、信息、導(dǎo)航、娛樂和各類汽車安全電子系統(tǒng)于一體的車載盒會成為下一代和未來汽車的發(fā)展方向。由于足夠的市場需求，車載盒必將成為近年來發(fā)展的熱點(diǎn)，DSPRTOS在該領(lǐng)域應(yīng)用市場的規(guī)模未來幾年里將迅速增加。 （4）智能交通領(lǐng)域隨著人們對環(huán)境要求的不斷提高，智能交通系統(tǒng)（ITS）必將是新世紀(jì)

14、迅猛發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。特定應(yīng)用的DSP操作系統(tǒng)將是發(fā)展智能綜合路口控制機(jī)、路車交互系統(tǒng)、新型停車系統(tǒng)、高速公路的信息監(jiān)控與收費(fèi)綜合管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用將確保智能交通系統(tǒng)的低成本與高性能，大大提高系統(tǒng)的可靠性和智能化程度。 （5）其它領(lǐng)域的應(yīng)用，如視頻會議系統(tǒng)、全數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)（包括直流無刷伺服和交流伺服）、語音壓縮、通信等。 DSP的應(yīng)用離不開DSP操作系統(tǒng)。1.2 DSP處理數(shù)字信號DSP數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)

15、應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。將視頻與音頻應(yīng)用的數(shù)據(jù)集要求加以對比，就很容易看出使用浮點(diǎn)格式的優(yōu)勢。視頻的采樣率很高，其像素?cái)?shù)據(jù)采樣率相當(dāng)于每秒數(shù)十乃至數(shù)百個(gè)兆位，具體的值決于應(yīng)用。像素?cái)?shù)據(jù)通常以 8 至 12 位的短字表示，每一位代表影像的紅、綠、藍(lán)(RGB)位面。業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的MPEG視頻壓縮算法的關(guān)鍵數(shù)學(xué)運(yùn)算包括離散余弦變換(DCT)與量化，且過濾有限。DCT與

16、量化采用整數(shù)運(yùn)算就能有效處理，它與短數(shù)據(jù)字相結(jié)合使得視頻成為定點(diǎn)DSP很自然的應(yīng)用，特別對那些設(shè)計(jì)有大量并行數(shù)據(jù)路徑與片上視頻接口的情況更是如此。另一方面，音頻的數(shù)據(jù)流更為有限，對 24 位采樣且每秒 48 千個(gè)采樣 (ksps) 的速度而言，約為1Mbps的速度。新興的采樣率為192ksps，為該數(shù)據(jù)速率的四倍，但其數(shù)據(jù)流仍然大大低于視頻流。不過音頻數(shù)據(jù)的處理必須比視頻精確得多。眼睛很容易就被欺騙，特別當(dāng)影像運(yùn)動時(shí)更是如此；但耳朵就很難欺騙了。因此音頻需要浮點(diǎn)硬件提供的更大的字長。使用完全24位浮點(diǎn)I/O精度來進(jìn)行聲音采樣，這就得到144dB的動態(tài)范圍，大大超出了聲音復(fù)制所需的全振幅范圍。此

17、外，音頻還要求寬系數(shù)與中間結(jié)果提供的精確度，其原因有二。首先，音頻應(yīng)用通常使用串聯(lián)無限脈沖響應(yīng)濾波器(IIR)以實(shí)現(xiàn)最低時(shí)延與最高性能。但串聯(lián)過濾每一級都會傳播上一級的錯(cuò)誤。信號與系數(shù)字長越長，精確度越高，上述傳播錯(cuò)誤的影響就越小。第二，在接近于零時(shí)必須保持信號精確度，以避免人耳可以分辨的諧波失真。浮點(diǎn)格式從本質(zhì)上說與人耳的敏感度配合得很好，因?yàn)樗诜謹(jǐn)?shù)趨近于零時(shí)會變得更精確。相反，定點(diǎn)系統(tǒng)在分?jǐn)?shù)極小的情況下會取近似值等于零，這就降低了精確度。所有上述浮點(diǎn)實(shí)數(shù)算法方面都對真實(shí)復(fù)制音頻信號至關(guān)重要。盡管過去常用定點(diǎn)器件實(shí)現(xiàn)高保真音頻，但目前則轉(zhuǎn)向采用精確度更高的浮點(diǎn)格式。某些浮點(diǎn)DSP集成了多通

18、道音頻串行端口(McASP)，從而簡化了音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這就為上述發(fā)展趨勢提供了支持。隨著最新型音頻創(chuàng)新在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的日益普及，對浮點(diǎn)DSP的需求也將上升，這也有助于讓其成本更接近于定點(diǎn) DSP。第二章 方案設(shè)計(jì)21 基本要求與剖析本次課程設(shè)計(jì)要求利用MATLAB對語音信號進(jìn)行數(shù)字信號處理和分析，要求學(xué)生采集語音信號后，在MATLAB軟件平臺進(jìn)行頻譜分析；并對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對加入噪聲的信號進(jìn)行頻譜分析，設(shè)計(jì)合適的濾波器濾除噪聲，恢復(fù)原信號。 DSP語音濾波系統(tǒng)結(jié)合DSP器件的結(jié)構(gòu)及工作方式，針對語音處理的特點(diǎn)，對軟件進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，以優(yōu)化濾波算法，滿足實(shí)時(shí)的需求。因此如何對

19、DSP進(jìn)行優(yōu)化編程，解決算法的復(fù)雜性和硬件存儲容量及速度之間的矛盾，成為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。語音濾波的設(shè)計(jì)步驟如下：1.錄制一段自己的語音信號，并對錄制的信號進(jìn)行采樣。2.畫出采樣后的語音信號的時(shí)域波形和頻譜圖。3.給定濾波器的性能指標(biāo)，并劃出濾波器的頻域響應(yīng)。4.用該濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波，畫出濾波后信號的時(shí)域波形和頻譜，并對濾波前后的信號進(jìn)行對比，分析信號的變化。5.回放語音信號。6.設(shè)計(jì)一個(gè)信號處理的GUI系統(tǒng)界面。7.根據(jù)自己錄制的語音信號選擇合適的濾波器，并編寫濾波器算法程序。8.調(diào)試DSP處理程序，語音信號輸入，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換原樣輸出。9.語音信號經(jīng)過濾波器輸出無噪聲的信號。DS

20、P與語音轉(zhuǎn)換芯片AD50的通信方式，給出了硬件電路設(shè)計(jì)。針對AD50的特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)時(shí)通過DSP的語音信號濾波，使DSP在內(nèi)部對語音信號予以處理并通過AD50輸出。22 設(shè)計(jì)方案比較語音信號中的噪聲有周期性噪聲、沖擊噪聲、寬帶噪聲等。50Hz 的工頻交流噪聲為周期性噪聲,對其進(jìn)行抑制可通過設(shè)計(jì)合適的濾波器來實(shí)現(xiàn)。沖擊噪聲主要表現(xiàn)為時(shí)域波形中突然出現(xiàn)的窄脈沖,對其進(jìn)行消除可先確定一個(gè)門限值,當(dāng)信號幅度超過這一門限值時(shí),判別為脈沖噪聲,然后進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p。寬帶噪聲的典型代表是隨機(jī)高斯噪聲和白噪聲,由于寬帶噪聲和語音信號在時(shí)域和頻域上完全重疊,且這種噪聲只有在語音間歇單獨(dú)存在,因此抑制這種噪聲的方法

21、主要有非線性處理、減譜法和自適應(yīng)抵消等。濾除語音信號中的周期性噪聲為例進(jìn)行系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)。利用MATLAB中的wavread命令來讀入（采集）語音信號，將它賦值給某一向量。再將該向量看作一個(gè)普通的信號，對其進(jìn)行FFT變換實(shí)現(xiàn)頻譜分析，再依據(jù)實(shí)際情況對它進(jìn)行濾波。對于波形圖與頻譜圖（包括濾波前后的對比圖）都可以用MATLAB畫出。我們還可以通過sound命令來對語音信號進(jìn)行回放，以便在聽覺上來感受聲音的變化。選擇設(shè)計(jì)此方案，是對數(shù)字信號處理的一次實(shí)踐。在數(shù)字信號處理的課程學(xué)習(xí)過程中，我們過多的是理論學(xué)習(xí)，幾乎沒有進(jìn)行實(shí)踐方面的運(yùn)用。這個(gè)課題正好是對數(shù)字語音處理的一次有利實(shí)踐，而且語音處理也可以說

22、是信號處理在實(shí)際應(yīng)用中很大眾化的一方面。這個(gè)方案用到的軟件也是在數(shù)字信號處理中非常通用的一個(gè)軟件MATLAB軟件。所以這個(gè)課題的設(shè)計(jì)過程也是一次數(shù)字信號處理在MATLAB中應(yīng)用的學(xué)習(xí)過程。課題用到了較多的MATLAB語句，而由于課題研究范圍所限，真正與數(shù)字信號有關(guān)的命令函數(shù)卻并不多。23 總體設(shè)計(jì)思路與設(shè)計(jì)框圖首先，錄制一段自己的語音信號，并對錄制的信號進(jìn)行采樣。畫出采樣后的語音信號的時(shí)域波形和頻譜圖。給定濾波器的性能指標(biāo)，并劃出濾波器的頻域響應(yīng)。用該濾波器對采集的信號進(jìn)行濾波，畫出濾波后信號的時(shí)域波形和頻譜，并對濾波前后的信號進(jìn)行對比，分析信號的變化?；胤耪Z音信號，并設(shè)計(jì)一個(gè)信號處理的GUI

23、系統(tǒng)界面。語音信號輸入后，因?yàn)檎Z音信號是模擬信號，所以首先把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成可處理的數(shù)字信號，經(jīng)過AD采集的數(shù)字信號進(jìn)入DSP語音信號處理，根據(jù)自己錄制的語音信號選擇合適的濾波器，并編寫濾波器算法程序。調(diào)試DSP處理程序，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換原樣輸出。語音信號經(jīng)過濾波器輸出無噪聲的信號。整體設(shè)計(jì)思路如圖2-1所示圖2-1 整體設(shè)計(jì)思路圖24 總體設(shè)計(jì)電路圖圖2-2 總體設(shè)計(jì)框圖第三章 硬件設(shè)計(jì)31 CPU芯片的選擇語音識別（Speech Recognition）是機(jī)器通過訓(xùn)練和匹配過程把語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的文本或命令的技術(shù)。關(guān)于語音識別技術(shù)，先后出現(xiàn)了動態(tài)時(shí)間彎折（DTW）、隱馬爾可夫和人工神經(jīng)網(wǎng)

24、絡(luò)三種主要方法。由于每種方法都涉及大量的乘加運(yùn)算，并且計(jì)算精度是算法性能的有效保障，因此對處理器的運(yùn)算能力要求較高。近年大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，為語音識別的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了硬件條件。目前，基于DSP的語音識別系統(tǒng)多以浮點(diǎn)型DSP為主，但其成本較高。本文以TI公司的較低成本定點(diǎn)TMS320VC5402作為處理芯片。在軟件編程時(shí)，考慮運(yùn)算速度和精度對性能的影響，將定點(diǎn)運(yùn)算與基于定點(diǎn)DSP的浮點(diǎn)運(yùn)算巧妙結(jié)合，既保證了處理速度，又提高了運(yùn)算精度和識別率。此外，通過對語音信號的采集與識別，能夠完成對特定人、小詞匯量、孤立詞的識別，并且能發(fā)出相應(yīng)的控制信號，以達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有可靠性、穩(wěn)

25、定性和靈活性。此系統(tǒng)的核心器件是TI公司的TMS320VC5402定點(diǎn)DSP芯片。它是系統(tǒng)的運(yùn)算處理單元，具有2個(gè)乘法器(MAC)，4個(gè)累加器(ACC)；40位、16位的算術(shù)邏輯單元(ALU)各一個(gè)，這大大增強(qiáng)了DSP的運(yùn)算能力；指令字長不只單一的16位，可擴(kuò)展到最高48位，數(shù)據(jù)字長16位；在144MHz下工作，指令周期可達(dá)6.94ns。TMS320VC5402還提供高速的多通道緩沖串口McBSP，DSP可通過McBSP與其他DSP、編解碼器等器件相連。McBSP具有全雙工通信，雙緩沖數(shù)據(jù)寄存器，允許傳送連續(xù)的數(shù)據(jù)流，能夠向CPU發(fā)送中斷，向DMA控制器發(fā)送DMA事件，可設(shè)置幀同步脈沖和時(shí)鐘信

26、號的極性等功能，這大大方便了DSP采集音頻信號。除此之外，TMS320VC5402還提供了更為高效的外部存儲器接口（EMIF），以往DSP的空間選通信號被片選信號取代，而每個(gè)片選信號分別占用不同的地址空間，這樣就不需要外部的譯碼電路，從而實(shí)現(xiàn)了與外部設(shè)備的無縫連接，可使DSP外部存儲空間擴(kuò)大到滿足系統(tǒng)要求。TMS320VC5402是TI公司的一款低成本、低功耗的音頻編解碼芯片(CODEC)，在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)采集語音信號。它與本系統(tǒng)相關(guān)的性能參數(shù)如下：(1) 支持8kHz96kHz可調(diào)采樣率；(2) 與DSP連接，主從類型可通過軟件編寫來實(shí)現(xiàn)；(3) DSP可通過I2C總線來配置TMS320VC5

27、402的寄存器；(4) 采集語音信號字長16/20/24/32Bit；(5) MIC音頻輸入具有強(qiáng)抗噪性；(6) 具有可調(diào)15dB的完整緩存放大系統(tǒng)。 TMS320VC5402可編程邏輯器件在本系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)兩方面的職能：(1) 作為控制部件，接收DSP發(fā)出的信號，經(jīng)邏輯判斷后，驅(qū)動諸如電機(jī)、發(fā)光二極管等器件；(2) 用于DSP地址線的擴(kuò)展。流水線技術(shù)是DSP的重要特征。DSP（TMS320VC5402）具有6級深度的指令流水線，這6級深度流水線彼此是獨(dú)立的，在任何一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以有16條不同的指令在同時(shí)工作，每條指令工作在不同的流水線上，這樣可大大提高DSP的工作速度同時(shí)也增加了DSP對信息的

28、處理能力。圖3-1 TMS320VC5402周期圖32 聲音信號輸入的設(shè)計(jì)語音信號輸入之后，預(yù)處理和數(shù)字化是進(jìn)行語音識別的前提條件。其中，預(yù)處理主要是進(jìn)行預(yù)濾波，保留正常人的3003400Hz的語音信號；數(shù)字化是要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理，這就是語音輸入的整個(gè)過程。 聲音信號輸入的主要作用是對聲音信息進(jìn)行錄制與回放，在這個(gè)過程中采樣的位數(shù)和采樣的頻率決定了聲音采集的質(zhì)量。采樣位數(shù)可以理解為聲卡處理聲音的解析度。這個(gè)數(shù)值越大，解析度就越高，錄制和回放的聲音就越真實(shí)。我們首先要知道：電腦中的聲音文件是用數(shù)字0和1來表示的。所以在電腦上錄音的本質(zhì)就是把模擬聲音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。反之，在播放時(shí)則是把數(shù)字信

29、號還原成模擬聲音信號輸出。采樣頻率是指錄音設(shè)備在一秒鐘內(nèi)對聲音信號的采樣次數(shù)，采樣頻率越高聲音的還原就越真實(shí)越自然。打開音頻源，輸出音頻，運(yùn)行程序；圖3-2 輸出音頻圖這時(shí)可聽到連續(xù)音頻信號，調(diào)節(jié)“R43”和“RV1”旋鈕，輸出音頻信號大小變化。完成模擬音頻信號的數(shù)字化采集、A/D及D/A轉(zhuǎn)換和回放。33 AD采集的設(shè)計(jì)一個(gè)典型的DSP系統(tǒng)除了數(shù)字信號處理部分外，還包括A/D和D/A兩部分。這是因?yàn)樽匀唤绲男盘枺缏曇?、圖像等大多是模擬信號，因此需要將其數(shù)字化后進(jìn)行數(shù)字信號處理，模擬信號的數(shù)字化即稱為A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號處理后的數(shù)據(jù)可能需還原為模擬信號，這就需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。一個(gè)僅包括A/D

30、和D/A兩部分的簡化數(shù)字信號處理系統(tǒng)功能如圖3-3所示。A/D轉(zhuǎn)換包括三個(gè)緊密相關(guān)的過程，即抽樣、量化和編碼。A/D轉(zhuǎn)換中需解決的以下幾個(gè)重要問題：抽樣后輸出信號中還有沒有原始信號的信息？如果有能不能把它取出來？抽樣頻率應(yīng)該如何選擇？奈奎斯特抽樣定理（即低通信號的均勻抽樣定理）告訴我們，一個(gè)頻帶限制在0至fx以內(nèi)的低通信號x(t)，如果以fs2fx的抽樣速率進(jìn)行均勻抽樣，則x(t)可以由抽樣后的信號xs(t)完全地確定，即xs(t)包含有x(t)的成分，可以通過適當(dāng)?shù)牡屯V波器不失真地恢復(fù)出x(t)。最小抽樣速率fs=2fx稱為奈奎斯特速率。編碼低通譯碼量化抽樣 輸入信號 樣點(diǎn)輸出 濾波輸出

31、A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換） D/A（數(shù)模轉(zhuǎn)換）圖3-3 低通采樣定理演示圖為方便實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中更換了一種表現(xiàn)形式，即抽樣頻率固定（10KHz），通過改變輸入模擬信號的頻率來展示低通抽樣定理。我們可以通過研究抽樣頻率和模擬信號最高頻率分量的頻率之間的關(guān)系，來驗(yàn)證低通抽樣定理。34 聲音信號輸出的設(shè)計(jì)語音模塊的硬件電路設(shè)計(jì)必須保證語音信號輸出的實(shí)時(shí)性，這里我們采用TI DSP系列的TMS320VC5402，它高達(dá)30MIPS的處理能力足以滿足語音的實(shí)時(shí)要求。語音采集和輸出芯片采用的是TLC320AD50C2 （以下簡稱AD50），它是一款單5V電源供電、16位A/D和D/A高分辨率的可編程信號轉(zhuǎn)換器。語音信

32、號實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的主要功能是將話音通過MIC輸入，然后經(jīng)過差分放大、模擬帶通濾波后，輸入AD50，經(jīng)采樣，將數(shù)據(jù)再送入DSP中進(jìn)行處理，最后再將處理完的語音數(shù)據(jù)經(jīng)DAC，放大輸出，最后驅(qū)動喇叭發(fā)聲。AD50是差分器件，從MIC輸入的信號Vaudio經(jīng)集成運(yùn)放后變?yōu)椴罘州斎?，在對模擬信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以前，需要經(jīng)過帶通濾波器濾除帶外雜波。由于話音的頻率一般在3400Hz以下，而工頻干擾一般為50Hz左右。所以設(shè)計(jì)了通帶范圍為300Hz3400Hz的帶通濾波器。該濾波器由兩級二階低通、兩級二階高通級聯(lián)組成，采用多級反饋形式，具有巴特沃斯帶內(nèi)平坦的特性，這樣可保證3003400Hz的語音信號不失真地通過

33、濾波器，不僅濾除帶外的低頻信號，以減少帶外工頻等分量的干擾，還將濾除帶外的高次諧波，減少由于采樣引起的混疊失真。設(shè)計(jì)中AD50的功能實(shí)現(xiàn)是通過對其內(nèi)部的4個(gè)寄存器進(jìn)行編程來完成的，對這4個(gè)寄存器的訪問與其他一些接口電路有所不同，它不是通過地址線選通寄存器，而是通過串行輸入口（DIN）在二次通信的時(shí)刻將控制字輸入到AD50中，對4個(gè)寄存器進(jìn)行初始化。通過這種串行接口的初始化，可以達(dá)到對AD50進(jìn)行編程的目的，可編程的功能還包括：復(fù)位、掉電、通信協(xié)議、信號采樣率、增益控制等。AD50和DSP交換數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)流和控制流在串行線上一位一位的傳輸，我們通過分時(shí)復(fù)用傳輸線即一次串行通信和請求二次串行通信的

34、方法來分辨是數(shù)據(jù)流還是控制流。使一次通信時(shí)DIN端口輸入的16bit數(shù)據(jù)的LSB位為高，這樣在特定模式下就發(fā)出了二次通信的請求。在二次通信過程中，16位控制字DIN引腳輸入到AD50中來，對它的4個(gè)寄存器進(jìn)行寫操作，從而實(shí)現(xiàn)AD50的各個(gè)可編程控制。 基于SPI串行外設(shè)接口的特點(diǎn)，在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)考慮到采用的語音處理芯片AD50和2407的時(shí)序，配置AD50為主動模式，2407的SPI為從動模式。AD50的基準(zhǔn)時(shí)序信號MCLK由DSP的系統(tǒng)時(shí)鐘輸出CLKOUT提供，AD50通過內(nèi)部的PLL分頻器將MCLK信號變成SCLK信號，SCLK信號即控制著串行數(shù)據(jù)流中字符內(nèi)部位與位之間的定時(shí)關(guān)系。由于A

35、D50不是標(biāo)準(zhǔn)的串行外設(shè)接口，根據(jù) SPICLK端在從動方式下正常工作所需接收的信號波形，將AD50的FS引腳經(jīng)非門引出，和SCLK相與，它們輸出的時(shí)序信號和SPI的SPICLK端相連以達(dá)到控制兩者時(shí)序同步的目的。DSP和AD50的管腳時(shí)序圖如圖3-4所示：圖3-4 AD50主要引腳信號時(shí)序圖由于AD50是SPI通信接口的主動器件，為了更好地控制AD50，可將DSP的任意一個(gè)沒有用到的通用I/O端口作為AD50的使能口，和AD50的PWDOWN端口相連，通過這個(gè)通用I/O口來控制AD50的啟動和關(guān)閉。SPI的使能端SPISTE所要求的使能信號可以由AD50的FSD端口獲得，通過對AD50的軟件

36、初始化，將FSD輸出的使能信號略提前于一次通信的第一位數(shù)據(jù)的傳送時(shí)刻，即可以實(shí)現(xiàn)在AD50和SPI傳輸數(shù)據(jù)的前一時(shí)刻將SPI使能。   電路連接如圖3-5所示：圖3-5  DSP和AD50的硬件連接原理圖第四章 軟件設(shè)計(jì)41 主程序的設(shè)計(jì)圖4-1 設(shè)計(jì)流程圖(1) 信號采集 采集語音信號，并對其進(jìn)行FFT頻譜分析，畫出信號的時(shí)域波形圖和頻譜(2) 構(gòu)造受干擾信號并對其進(jìn)行FFT頻譜分析 對所采集的語音信號加入干擾噪聲，對語音信號進(jìn)行回放，感覺加噪前后聲音的變化，分析原因，得出結(jié)論。并對其進(jìn)行FFT頻譜分析，比較加噪前后語音信號的波形及頻譜，對所得結(jié)果進(jìn)行分析，闡明

37、原因，得出結(jié)論。 (3) 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) 根據(jù)待處理信號特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適數(shù)字濾波器，繪制所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻和相頻特性。 (4) 信號處理 用所設(shè)計(jì)的濾波器對含噪語音信號進(jìn)行濾波。對濾波后的語音信號進(jìn)行FFT頻譜分析。畫出處理過程中所得各種波形及頻譜圖。 對語音信號進(jìn)行回放，感覺濾波前后聲音的變化。比較濾波前后語音信號的波形及頻譜，對所得結(jié)果和濾波器性能進(jìn)行頻譜分析，闡明原因，得出結(jié)論。 (5) 設(shè)計(jì)圖形用戶界面 設(shè)計(jì)處理系統(tǒng)的用戶界面,在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面上可以選擇濾波器的參數(shù),顯示濾波器的頻率響應(yīng),選擇信號等。數(shù)字濾波器(DF)對語音信號的處理過程如圖4-2所示。語音信號首先經(jīng)過采樣/保持電路(

38、S/H)，送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過數(shù)字濾波器濾除其中的干擾信號，最后通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)獲得語音信號輸出。圖4-2 DF對語音信號的處理過程圖42 MATLAB聲音濾波的仿真首先編寫一段程序?qū)崿F(xiàn)語音的讀入打開，以及繪出語音信號的波形頻譜圖。程序運(yùn)行可以聽到聲音，得到的圖形為：圖4-3 語音信號的波形頻譜圖現(xiàn)在已知一個(gè)語音信號，數(shù)據(jù)采樣頻率為100Hz，繪制N128點(diǎn)DFT的幅頻圖和N1024點(diǎn)DFT幅頻圖。圖4-4 DFT幅頻圖上圖(a)、(b)為N=128點(diǎn)幅頻譜圖，(c)、(d)為N=1024點(diǎn)幅頻譜圖。由于采樣頻率f =100Hz，故Nyquist頻率為 5

39、0Hz。(a)、(c)是0100Hz頻譜圖，(b)、(d)是050Hz頻譜圖。由(a)或(c)可見，整個(gè)頻譜圖是以Nyquist頻率為軸對稱的。因此利用fft對信號作頻譜分析，只要考察0Nyquist頻率（采樣頻率一半）范圍的幅頻特性。比較(a)和(c)或(b)和(d)可見，幅值大小與fft選用點(diǎn)數(shù)N有關(guān)，但只要點(diǎn)數(shù)N足夠不影響研究結(jié)果。從上圖幅頻譜可見，信號中包括15Hz和40Hz的正弦分量。(1) N階高通濾波器的設(shè)計(jì)（在這里，以5階為例，其中wc為其3dB邊緣頻率，以rad/s為單位）。圖4-5 高通濾波器圖(2) N階低通濾波器的設(shè)計(jì)（在這里，同樣以5階為例，其中wc為其3dB邊緣頻率

40、，以rad/s為單位）。圖4-6 低通濾波器圖(3) 2N階帶通濾波器的設(shè)計(jì)（在這里，以10階為例，其中wc為其3dB邊緣頻率，以rad/s為單位，wc=w1,w2,w1 wc w2）。圖4-7 帶通濾波器圖(4) 2N階帶阻濾波器的設(shè)計(jì)（在這里，以10階為例，其中wc為其3dB邊緣頻率，以rad/s為單位，wc=w1,w2,w1 wc w2）。subplot(326);plot(Z);title('FIR濾波后信號的頻譜');圖4-8 帶阻濾波器圖通過函數(shù)的調(diào)用，也可以將信號的頻譜進(jìn)行“分離觀察”，如顯出信號的幅值或相位。下面，通過改變系統(tǒng)函數(shù)的分子與分母系數(shù)比，來觀察信號濾

41、波前后的幅值與相位。43 GUI界面的設(shè)計(jì)直接用M文件編寫GUI程序很繁瑣，而使用GUIDE設(shè)計(jì)工具可以大大提高工作效率。GUIDE相當(dāng)于一個(gè)控制面板，從中可以調(diào)用各種設(shè)計(jì)工具以輔助完成界面設(shè)計(jì)任務(wù)，例如控件的創(chuàng)建和布局、控件屬性的編輯和菜單設(shè)計(jì)等。使用GUIDE設(shè)計(jì)GUI程序的一般步驟如下：(1) 將所需控件從控件面板拖拽到GUIDE的設(shè)計(jì)區(qū)域；(2) 利用工具條中的工具（或相應(yīng)的菜單和現(xiàn)場菜單），快速完成界面布局；(3) 設(shè)置控件的屬性。尤其是tag屬性，它是控件在程序內(nèi)部的唯一標(biāo)識；(4) 如果需要，打開菜單編輯器為界面添加菜單或現(xiàn)場菜單；(5) 保存設(shè)計(jì)。GUIDE默認(rèn)把GUI程序保存

42、為兩個(gè)同名文件：一個(gè)是.fig文件，用來保存窗體布局和所有控件的界面信息；一個(gè)是.m文件，該文件的初始內(nèi)容是GUIDE自動產(chǎn)生的程序框架，其中包括了各個(gè)控件回調(diào)函數(shù)的定義。該M文件與一般的M文件沒有本質(zhì)區(qū)別，但是鑒于它的特殊性，MATALAB把這類文件統(tǒng)稱為GUI-M文件。保存完后GUI-M文件自動在編輯調(diào)試器中打開以供編輯。(6) 為每個(gè)回調(diào)函數(shù)添加代碼以實(shí)現(xiàn)GUI程序的具體功能。這一步與一般函數(shù)文件的編輯調(diào)試過程相同。設(shè)計(jì)過程及內(nèi)容：在MATLAB版面上，通過鍵入GUIDE彈出一個(gè)菜單欄進(jìn)入gui制作界面（或者在File到new來進(jìn)入gui）,從而開始應(yīng)用界面的制作。該界面主要實(shí)現(xiàn)了以下幾

43、個(gè)功能：打開wav格式的音頻文件，并將該音頻信號的值讀取并賦予某一向量；播放音頻文件，可以選擇性的顯示該音頻信號的波形、頻譜、幅值以及相位；對音頻信號進(jìn)行IIR與FIR的5階固定濾波處理，可以選擇性的顯示濾波前后信號的波形、頻譜、幅值以及相位，以及播放濾波后的聲音。通過該界面，可以方便用戶進(jìn)行語音信號的處理。如圖4-9所示圖4-9 GUI的設(shè)計(jì)圖初略的完成了界面的設(shè)計(jì)，但也存在相當(dāng)?shù)牟蛔悖皇呛苊銖?qiáng)的達(dá)到了打開語音文件、顯示已定濾波前后的波形等圖。44 快速傅里葉變換（FFT）的實(shí)現(xiàn)離散傅里葉變換（DFT）和卷積是信號處理中兩個(gè)最基本也是最常用的運(yùn)算，它們涉及到信號與系統(tǒng)的分析與綜合這一廣泛的

44、信號處理領(lǐng)域。實(shí)際上卷積與DFT之間有著互通的聯(lián)系：卷積可化為DFT來實(shí)現(xiàn)，其它的許多算法，如相關(guān)、濾波和譜估計(jì)等都可化為DFT來實(shí)現(xiàn)，DFT也可化為卷積來實(shí)現(xiàn)。對N點(diǎn)序列x(n)，其DFT變換對定義為： 在DFT運(yùn)算中包含大量的重復(fù)運(yùn)算。FFT算法利用了蝶形因子WN的周期性和對稱性，從而加快了運(yùn)算的速度。FFT算法將長序列的DFT分解為短序列的DFT。N點(diǎn)的DFT先分解為2個(gè)N/2點(diǎn)的DFT，每個(gè)N/2點(diǎn)的DFT又分解為2個(gè)N/4點(diǎn)的DFT。按照此規(guī)律，最小變換的點(diǎn)數(shù)即所謂的“基數(shù)（radix）?！币虼?，基數(shù)為2的FFT算法的最小變換（或稱蝶形）是2點(diǎn)DFT。一般地，對N點(diǎn)FFT，對應(yīng)于N個(gè)

45、輸入樣值，有N個(gè)頻域樣值與之對應(yīng)。一般而言，F(xiàn)FT算法可以分為時(shí)間抽?。―IT）FFT和頻率抽?。―IF）兩大類。在實(shí)際計(jì)算中，可以采用在原來序列后面補(bǔ)0的加長方法來提高FFT的分辨率；可以采用在原來序列后面重復(fù)的加長方法來增加FFT的幅度。(1) 將低頻信號源輸出加到實(shí)驗(yàn)箱模擬通道1輸入端，將示波器探頭接至模擬通道1輸出端。(2) 在保證實(shí)驗(yàn)箱正確加電且串口電纜連接正常的情況下，運(yùn)行數(shù)字信號處理與DSP應(yīng)用實(shí)驗(yàn)開發(fā)軟件，在“數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)”菜單下選擇“FFT頻譜分析”子菜單，出現(xiàn)顯示FFT頻譜分析功能提示信息的窗口。(3) 用低頻信號產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)1KHz的正弦信號。(4) 選擇FFT頻譜分析與顯示的點(diǎn)數(shù)為64點(diǎn)，開始進(jìn)行FFT運(yùn)算。此后，計(jì)算機(jī)將周期性地取回DSP運(yùn)算后的FFT數(shù)據(jù)并繪圖顯示(5) 改信號源頻率，觀察并記錄頻譜圖的變化。(6) 選擇FFT的點(diǎn)數(shù)為128點(diǎn)，觀察并記錄頻譜圖的變化。(7) 更改正弦信號的頻率，重復(fù)步驟4 步驟6。(8) 用低頻信號產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)1KHz的方波信號，重復(fù)步驟4 步驟7。注意：應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱采樣頻率fs為10KHz和方波信號的頻帶寬度選擇方波信號的頻率。4.5 聲音濾波的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的任務(wù)就是尋求一個(gè)因果穩(wěn)定的線性時(shí)不變系統(tǒng)，并使系統(tǒng)函數(shù)H(z)具有指定的頻率