数字信号处理实验语音信号滤波.docx
《数字信号处理实验语音信号滤波.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字信号处理实验语音信号滤波.docx（12页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
数字信号处理实验语音信号滤波
实验一长序列卷积实现与DSP定点运算模拟
一、实验名称
长序列分段卷积与DSP定点运算模拟
二、实验要求
1.学习长序列分段卷积实现的两种方法
（1）重叠相加法
（2）重叠保留法
2.改写语音滤波C程序
（1）说明程序中错误的原因
（2）说明选择短数据类型的原因
（3）分析重叠保留法过程
3.模拟DSP定点化运算
（1）设计思路
（2）分析运算过程
三、实验内容
1.长序列卷积的两种方法
FIR离散时间系统，单位脉冲响应为h（n），n=0，1，2，因为系统为因果，所以n<0时，h（n）值为0。
长序列X（n）分段，将分出的小段x（n）分别于h（n）做卷积，得到相应段的y（n）。
y（n）=x（n）*h（n），设x（n）长为5，h（n）长为3。
（1）重叠相加法
第一段（0~4）卷积：
y（0）=h（0）x（0）y
（1）=h（0）x
（1）+h
（1）x（0）y
（2）=h（0）x
（2）+h
（1）x
（1）+h
（2）x（0）
y（3）=h（0）x（3）+h
（1）x
（2）+h
（2）x
（1）y（4）=h（0）x（4）+h
（1）x（3）+h
（2）x
（2）
从n=5开始，缺少后一段元素的卷积将丢失元素项。
y（5）=缺项+h
（1）x（4）+h
（2）x（3）y（6）=缺项+缺项+h
（2）x（4）
y（5）缺失项为h（0）x（5），y（6）的缺失项为h（0）x（6）与h
（1）x（5）。
第二段（5~9）卷积:
y（5）=h（0）x（5）+缺项+缺项y（6）=h（0）x（6）+h
（1）x（5）+缺项
y（5）缺失项为h
（1）x（4）与h
（2）x（3），y（6）的缺失项为h
（2）x（4）。
因此，第二段与第一段的重叠部分y（5）与y（6）相加得到正确的值，是为重叠相加法。
（2）重叠保留法
若已知滤波器n=M，则在X（n）序列前端补M-1个零。
第一段（-2~4）卷积：
y（-2）=h（0）x（-2）y（-1）=h（0）x（-1）+h
（1）x（-2）y（0）=h（0）x（0）+h
（1）x（-1）+h
（2）x（-2）
y
（1）=h（0）x
（1）+h
（1）x（0）+h
（2）x（-1）y
（2）=h（0）x
（2）+h
（1）x
（1）+h
（2）x（0）
y（3）=h（0）x（3）+h
（1）x
（2）+h
（2）x
（1）y（4）=h（0）x（4）+h
（1）x（3）+h
（2）x
（2）
y（5）=缺项+h
（1）x（4）+h
（2）x（3）y（6）=缺项+缺项+h
（2）x（4）
第二段（3~9）卷积：
保留上一段中的x（3）与x（4）到该段作为卷积项。
y（3）=h（0）x（3）+缺项+缺项y（4）=h（0）x（4）+h
（1）x（3）+缺项
y（5）=h（0）x（5）+h
（1）x（4）+h
（2）x（3）y（6）=h（0）x（6）+h
（1）x（5）+h
（2）x（4）
y（7）=h（0）x（7）+h
（1）x（6）+h
（2）x（5）y（8）=h（0）x（8）+h
（1）x（7）+h
（2）x（6）
y（9）=h（0）x（9）+h
（1）x（8）+h
（2）x（7）y（10）=缺项+h
（1）x（9）+h
（2）x（8）
y（11）=缺项+缺项+h
（2）x（9）
其中标红的部分为保留项。
恰好保证了连续性，卷积结果由之前的7项增加到9项，每段卷积前需接入上段段尾M–1个数据。
2.改写语音滤波C程序
（1）程序错误
a.打开文件函数错误
应该设置文件名路径，并设置为r+b读写可修改模式。
b.采样错误
原程序中读取语音文件一帧数据的处理函数为getw（），存储该帧数据的数组类型为int，读取每点为32bit，不符合实验要求的每点16bit。
使用fread（indata,2,LENGTH,fp1），选取2字节数据，为16bit。
c.wav文件处理时需要跳过头文件的44字节
使用fseek（fp1,44,SEEK_SET），跳过文件开头字节。
（2）选择short型数据
short型数据的长度为16bit，可保证读取一点的16bit数据存入具有合适数据类型的数组。
即每次读取180点，每点16bit，存入数组indata[LENGTH]，而indata为short型。
（3）重叠保留法过程
已知h（n）为19点滤波器，即n=19。
x（n）分段序列n=180。
采用重叠舍去法，每一次卷积需要180+19-1=198个点的数组空间。
数组0~17位为补足位，第一段卷积时补零，后段卷积时，补上前一段末尾18个数据。
输出赋值时从数组的第M位开始，前M-1位舍去。
程序中卷积计算数组为x1[LENGTH+FILTER_LEN-1]，LENGTH为180，FILTER_LEN为19。
初始补零位为x1[0]~x1[17]，数据读入从x1[18]开始，读180点，如下图所示：
时域卷积过程如下，使用i+n-1代替i，不去计算舍去的前18项，从第19项开始计算：
后段卷积前选取前一段18个点的数据作为补充点，如图：
3.模拟DSP定点化运算
由于滤波器系数为小数，在DSP中做浮点运算占用资源且耗时长，因此设计C定点程序提高运算效率。
滤波器原系数如下图：
对滤波器系数进行整数化操作，每个系数乘以2的15次方，即32768。
如下图：
在滤波过程中将结果右移15位，效果等同于除以2的15次方，如下图所示：
DSP中整数操作和移位操作比浮点乘除法操作速度快很多。
提高了效率。
四、实验结果
完整程序如下图所示：
/******************************************
*语音信号800HZ19点FIR低通滤波C语言浮点程序
*
*Author:
caoxin
*Date:
15-04-09
*
*******************************************/
#include
#include
#defineLENGTH180
#defineFILTER_LEN19
#defineSUCCESS0
/*语音帧长为180点=22.5ms@8kHz采样*/
voidfilter（intxin[],intxout[],intn,floath[]）;/*滤波子程序说明*/
/*19点滤波器系数*/
staticfloath[FILTER_LEN]={0.01218354,-0.009012882,-0.02881839,-0.04743239,-0.04584568,
-0.008692503,0.06446265,0.1544655,0.2289794,0.257883,
0.2289794,0.1544655,0.06446265,-0.008692503,-0.04584568,
-0.04743239,-0.02881839,-0.009012882,0.01218354};
staticshortx1[LENGTH+FILTER_LEN-1];
staticlonglonginth_temp[FILTER_LEN];
voidfilter（shortxin[],shortxout[],intn,longlonginth_temp[]）
{
inti,j;
floatsum=0.0;
longlongintsum_temp;
/*取180点的数据,x1起始点为x1[18],读入数据为indata*/
for（i=0;i{
x1[n+i-1]=xin[i];
}
/*滤波过程,时域卷积*/
for（i=0;i{
sum_temp=0;
for（j=0;j{
sum_temp+=h_temp[j]*x1[i-j+n-1];
}
sum=sum_temp>>15;//除以2的15次方
xout[i]=（short）sum;
}
/*截取尾部18个数据*/
for（i=0;i<（n-1）;i++）
{
x1[n-i-2]=xin[LENGTH-1-i];
}
}
/*主程序*/
intmain（）
{
inti;
intfp_start=44,fp_end;
FILE*fp1,*fp2;
charfname_in[20]="d:
\\bluesky1.wav";
charfname_out[20]="d:
\\bluesky1_out.wav";
intframe=0;
shortindata[LENGTH],outdata[LENGTH];
/*浮点转定点*/
for（i=0;i{
h_temp[i]=h[i]*32768;//乘以2的15次方
}
fp1=fopen（fname_in,"r+b"）;/*输入语音文件*/
fp2=fopen（fname_out,"r+b"）;/*滤波后输出语音文件*/
fseek（fp1,44,SEEK_SET）;
while（LENGTH==fread（indata,2,LENGTH,fp1））
{
fp_end=ftell（fp1）;//获取当前文件指针位置
frame++;//帧计数，一帧为180点
printf（"frame=%d\n",frame）;
filter（indata,outdata,FILTER_LEN,h_temp）;/*调用低通滤波程序*/
/*将滤波后的样值写入文件*/
if（SUCCESS==fseek（fp2,fp_start,SEEK_SET））
{
/*判定条件：
设定写入文件的方式，180项2字节数*/
if（LENGTH==fwrite（outdata,2,LENGTH,fp2））
{
fseek（fp2,fp_end,SEEK_SET）;//设置当前处理完的指针
fp_start=fp_end;//后移处理指针，下一个180项
}
}
else
{
printf（"存储结果失败\n"）;
break;
}
if（frame>4000）
{
printf（"DATAOVERFLOW\n"）;
break;
}
}
fcloseall（）;
getchar（）;
return0;
}
程序运行结果如下图：
对音频文件的处理结果：
输入文件为：
bluesky1.wav
输出文件为：
bluesky1_out.wav
使用cooledit观察频谱如下图所示：
滤波处理前：
滤波处理后：
滤波处理前：
滤波处理后：
升级会员 