從理論到實(shí)踐：DSP教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱中的音頻濾波實(shí)驗(yàn)案例精選

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產(chǎn)品概述

DSP 教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱

產(chǎn)品型號(hào)：TL6748-PlusTEB

處理器：TI TMS320C6748

應(yīng)用專業(yè)：電子、電信、通信等相關(guān)專業(yè)

應(yīng)用課程：《數(shù)字信號(hào)處理》、《音視頻編解碼》、《圖像處理與識(shí)別》、《電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用》

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案例分享

一、實(shí)驗(yàn)名稱：3-9 音頻信號(hào)的濾波實(shí)驗(yàn)

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>

（1）掌握Matlab輔助設(shè)計(jì)濾波器系數(shù)的方法；

（2）實(shí)現(xiàn)音頻混噪及IIR濾波器濾除；

（3）在LCD上顯示音頻信號(hào)的FFT計(jì)算結(jié)果。

三、實(shí)驗(yàn)原理：

（1）音頻接口

音頻接口采用的是24.576MHz晶振，實(shí)驗(yàn)板上共有3個(gè)音頻端口，分別是LINE IN、MIC IN和LINE OUT，音頻數(shù)據(jù)通過I2C總線進(jìn)行讀寫，McASP的時(shí)鐘來自于晶振時(shí)鐘，分頻后可得到幀同步信號(hào)和位同步信號(hào)。

（2）TLV320AIC3106 音頻芯片

數(shù)據(jù)精度支持 16/20/24/32 bit 。

支持速率 8kHz ~ 96kHz 采樣率。

控制總線可選為 SPI 或 I2C。

音頻串行數(shù)據(jù)總線支持4種協(xié)議格式：I2S， 左對(duì)齊格式，右對(duì)齊格式，DSP格式。

有可編程PLL 可以靈活產(chǎn)生時(shí)鐘。

（3）音頻芯片功能框圖

在框圖底部分別是供電部分、時(shí)鐘產(chǎn)生部分、SPI或I2C串行總線控制部分。

芯片通過左右聲道采集輸入的音頻模擬信號(hào)。

經(jīng)過ADC采樣后得到數(shù)字化的音頻數(shù)據(jù)。

數(shù)字化音頻數(shù)據(jù)通過音頻串行總線接口傳輸?shù)紻SP。

DSP處理之后的數(shù)字化音頻從DSP通過音頻串行總線接口再傳輸?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/dac/" target="_blank">DAC。

音頻經(jīng)過DAC還原為可輸出的模擬信號(hào)。

最后，通過耳機(jī)或者音箱輸出音頻模擬信號(hào)。

（4）音頻芯片的工作流程

音頻模擬信號(hào)通過左右聲道分別采樣，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過McASP傳輸?shù)紻SP，在DSP處理完成后再通過McASP傳輸?shù)紻AC，最后經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，分左右聲道輸出。

（5）IIR濾波器

IIR無限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器（infinite impulse response digital filter）是對(duì)單位沖激的輸入信號(hào)的響應(yīng)為無限長序列的數(shù)字濾波器。

可分為一維、二維或多維無限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器。

它的輸出y（n）由當(dāng)前的和過去的輸入信號(hào)x(n)及過去的輸出信號(hào)共同決定。IIR的幅頻特性精度很高，不是線性相位的，可以應(yīng)用于對(duì)相位信息不敏感的音頻信號(hào)上。

對(duì)于IIR濾波器，沖激響應(yīng)理論上應(yīng)會(huì)無限持續(xù)，其輸出不僅取決于當(dāng)前和過去的輸入信號(hào)值，也取決于過去的信號(hào)輸出值。其系統(tǒng)函數(shù)如下：

無限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器的差分工程如下：

（6）IIR濾波器特性

系統(tǒng)函數(shù)可以寫成封閉函數(shù)的形式。

IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。

在設(shè)計(jì)上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等。

相位特性不好控制，對(duì)相位要求較高時(shí)，需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。

（7）IIR濾波器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器實(shí)質(zhì)上就是找到一個(gè)使其頻率響應(yīng)H(Z)滿足給定的通帶截止頻率、通帶衰減系數(shù)、阻帶截止頻率及阻帶衰減系數(shù)的可以在物理上實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)函數(shù)H(Z)。具體實(shí)現(xiàn)步驟：

先確定需要一個(gè)什么樣的濾波器，巴特沃斯型，切比雪夫型，還是其它型的濾波器。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和這個(gè)濾波器的計(jì)算公式來確定其階數(shù)、傳輸函數(shù)的表達(dá)式。

通過雙線性變換得到其數(shù)字域的差分方程。MATLAB FIR 濾波器輔助設(shè)計(jì)，生成濾波器系數(shù)。

打開 Matlab 軟件，并打開"Filter Designed&Analaysis Tool"工具，在彈出的界面中按照所需濾波器修改以下參數(shù)：

濾波器類型：高通Highpass；

濾波方式：切比雪夫Ⅱ型IIR（Chebyshev Type II）；

濾波器階數(shù)：Minimum order；

采樣頻率：8000Hz；

阻帶截止頻率：100Hz；

通帶截止頻率：3400Hz。

轉(zhuǎn)換為單精度再導(dǎo)出生成包含濾波器系數(shù)的.h頭文件，將該頭文件的數(shù)據(jù)拆分復(fù)制，即可用于IIR函數(shù)。

（8）程序流程設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行I2C和McASP的管腳復(fù)用配置；

接著使能EDMA3的PSC和配置GPIO模塊；

然后初始化DSP中斷和配置按鍵中斷，進(jìn)行音頻芯片的初始化，并將McASP初始化為EDMA方式，初始化LCD，自定義生成一段噪聲備用；

最后進(jìn)行按鍵檢測(cè)，如果USER0按鍵按下，進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)的混合噪聲或IIR濾波或者是恢復(fù)原聲，如果是USER1按鍵按下，則在LCD上顯示計(jì)算的音頻數(shù)據(jù)FFT結(jié)果。

三、實(shí)驗(yàn)操作：

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)使用的硬件接口為LINE IN和LINE OUT接口，所需硬件為實(shí)驗(yàn)板、仿真器、電源、音頻線、耳機(jī)和音樂播放器。本次操作是使用手機(jī)來播放音樂。

（2）硬件連接

使用音頻線連接LINE IN、CON10音頻接口和手機(jī)，手機(jī)播放音樂；

在LINE OUT 、CON11接口插上耳機(jī)或者音箱；

連接仿真器和電腦的USB接口；

將撥碼開關(guān)撥到DEBUG模式01111，連接實(shí)驗(yàn)箱電源，撥動(dòng)電源開關(guān)上電。

（3）軟件操作

導(dǎo)入工程，選擇Demo文件夾下的對(duì)應(yīng)工程；

編譯工程；

將CCS連接實(shí)驗(yàn)箱并加載程序；

點(diǎn)擊運(yùn)行程序；

在LCD屏幕上實(shí)時(shí)顯示采集并做了灰度轉(zhuǎn)換處理的圖像；

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先點(diǎn)擊黃色按鈕暫停程序運(yùn)行，再點(diǎn)擊紅色按鈕退出CCS與實(shí)驗(yàn)箱的連接，最后實(shí)驗(yàn)箱斷電即可。