DSP课程设计报告.docx
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DSP课程设计报告
课程设计报告
课程设计名称:
DSP原理与应用
系部:
学生姓名:
班级:
学号:
成绩:
指导教师:
开课时间:
2010-2011学年2学期
基于TMS320VC5509DSP的FIR滤波器设计
一、设计的要求
1、系统地理解和掌握高速数字信号处理器的特点和基本概念。
2、了解TMS320054xDSP汇编语言的特点,掌握TMS320C54xDSP常用的开发工具,掌握集成开发环境CCS的使用,熟练掌握利用CCS进行程序开发的一般过程。
3、掌握汇编语言程序的编写方法,汇编器和链接器的用法,能利用汇编指令实现高速数字信号处理器的一些典型用法。
4、在DSP应用方面得到系统锻炼,通过该课程的学习为今后从事使用DSP技术在通讯、控制等相关领域的应用、研究和开发打下良好的基础,为进入社会增加一种工作技能。
5、认真查阅所需资料,按照选题编制程序框图,编写源代码程序,并在DSP开发环境中进行调试,最终实现课题所要求的功能。
二、设计原理
在数字信号处理中,滤波占有极其重要的地位。
数字滤波是语音处理、图像处理、模式识别、频谱分析等应用中的基本处理算法。
用DSP芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受环境影响等优点外,还具有灵活性好等特点。
2.1、TMS320VC5509简介
TMS320VC5509是美国德州仪器公司(TI)推出的新一代数字信号处理器,其CPU在结构上包含一个32×16位指令缓存队列、2个17位×17位乘累16位算术逻辑单元(MAC)、一个40位算术逻辑单元(ALU)、一个16位算术逻辑单元(ALU)、一个40位桶形移位器和4个40位加法器。
TMS320 VC5509支持多种工业标准的串行口,如:
多通道缓冲串行口(McBSPs)、多媒体卡/安全数据串行口(MMC/SD)、USB和I2C总线接口等。
还具有增强型主机接口(EHPI)、通用I/O口、可编程数字锁相环(DPLL)、计时器和多个DMA控制器等片上外设。
TMS320VC5509高度并行的结构与优化的指令集合在一起,使得每个操作所需的时钟周期数在减少,而代码密度则在增加,进而提供了一个代码长度小、耗能低、高性能的数字信号处理引擎。
2.2、FIR滤波器的基本结构
数字滤波是将输入的信号序列,按规定的算法进行处理,从而得到所期望的输出序列。
一个线性位移不变系统的输出序列y(n)和输入序列x(n)之间的关系,应满足常系数线性差分方程:
(1)
x(n):
输入序列,y(n):
输出序列,ai、bi:
滤波器系数,N:
滤波器的阶数。
在式
(1)中,若所有的ai均为0,则得FIR滤波器的差分方程:
(2)
对式
(2)进行z变换,可得FIR滤波器的传递函数:
FIR滤波器的基本结构是一个分节的延时线,把每一节的输出加权累加,得到滤波器的输出。
FIR滤波器的结构图如图2.1所示:
z-1
图2.1FIR滤波器的结构图
FIR滤波器的单位冲激响应h(n)为有限长序列。
若h(n)为实数,且满足偶对称或奇对称的条件,则FIR滤波器具有线性相位特性。
偶对称:
h(n)=h(N-1-n);
奇对称:
h(n)=-h(N-1-n)。
在数字滤波器中,FIR滤波器具有如下几个主要特点:
①FIR滤波器无反馈回路,是一种无条件稳定系统;
②FIR滤波器可以设计成具有线性相位特性。
三、实践步骤
3.1首先自己参照指导书完《语音信号的FIR滤波实验》,认真阅读实验中的源程序,深刻理解语音信号FIR滤波的原理及具体实现方法,包括含噪语音信号的读取,滤波后信号的输出,语音编解码器的设置(AIC23),重点理解FIR滤波器的实现(循环寻找的实现)。
3.2语音采集的采集与分析
(1)录制语音,并命名为“wjj”,保存在相应的位置(C盘)。
(2)用MATLAB对原始语音信号进行分析,画出它的时域波形和频谱。
程序如下:
fs=22050;
x1=wavread('C:
\wjj.wav');
sound(x1,22050);%播放语音信号
y1=fft(x1,1024);%对信号做1024点FFT变换
f=fs*(0:
511)/1024;
figure
plot(x1)%做原始语音信号的时域图形
title('原始语音信号');
xlabel('timen');
ylabel('fuzhin');
freqz(x1)%绘制原始语音信号的频率响应图
title('频率响应图')
figure(3)
subplot(2,1,1);
plot(abs(y1(1:
512)))%做原始语音信号的FFT频谱图
title('原始语音信号FFT频谱')
subplot(2,1,2);
plot(f,abs(y1(1:
512)));
title('原始语音信号频谱')
xlabel('Hz');
ylabel('幅值');
图3.1原始语音信号图
图3.2频率响应图
图3.3原始语音信号FFT频谱和信号频谱图
3.3给原始的语音信号加上一个高频余弦噪声,频率为(5—6Khz任选),形成噪声文件。
再对加噪后的语音进行分析,并画出其信号时域和频谱图。
511)/1024;t=0:
1/fs:
(length(x1)-1)/fs;
Au=0.03;d=[Au*cos(2*pi*5500*t)]';
x2=x1+d;
sound(x2,22050);
y2=fft(x2,1024);
figure(4);plot(t,x2)
title('加噪后的信号');
figure(5)
title('原始语音信号频谱');
ylabel('fuzhi');
plot(f,abs(y2(1:
title('加噪后的信号频谱');
wavwrite(x2,8000,16,'C:
\wjj1.wav');%用于生成噪声语音
图3.4加噪后的信号
通过比较图1和图4,可以看出,加噪声后的信号的幅值明显比原始信号的幅值高。
图3.5原始语音和加噪后的信号频谱对比图
四设计一定参数的滤波器
4.1用MATLAB设计滤波器
使用fir2函数设计一个35阶低通滤波器,信号的采样频率为8000Hz,滤波器的通带截止频率为3100Hz,阻带截止频率为3500Hz。
在函数中,其截止频率均用归一化频率表示。
归一化频率的计算方法:
f=实际频率/(采样频率/2),则将截止频率归一化后的截止频率值为0.775、0.875。
4.1.1用matlab求fir2的参数:
运行下列程序:
f=[00.7750.8751]
m=[1100]
b=fir2(34,f,m)
得到的数据
f=
00.77500.87501.0000
m=
1100
b=
Columns1through7
0.0000-0.00030.0007-0.00130.0017-0.0012-0.0012
Columns8through14
0.0059-0.01210.0170-0.01640.00580.0175-0.0528
Columns15through21
0.0950-0.13560.16500.82420.1650-0.13560.0950
Columns22through28
-0.05280.01750.0058-0.01640.0170-0.01210.0059
Columns29through35
-0.0012-0.00120.0017-0.00130.0007-0.00030.0000
4.1.2FIR滤波器的程序流程图
调用FIR滤波子程序计算当前输出
返回波形值
FIR滤波
4.1.3滤波程序如下:
#include"myapp.h"
#include"ICETEK-VC5509-EDU.h"
#include"scancode.h"
#include
#defineFIRNUMBER35
#defineSIGNAL1F3100
#defineSIGNAL2F3500
#defineSAMPLEF8000
#definePI3.1415926
floatInputWave();
floatFIR();
floatfHn[FIRNUMBER]={0.0000,-0.0003,0.0007,-0.0013,0.0017,-0.0012,-0.0012,
0.0059,-0.0121,0.0170,-0.0164,0.0058,0.0175,-0.0528,
0.0950,-0.1356,0.1650,0.8242,0.1650,-0.1356,0.0950,-0.0528,
0.0175,0.0058,-0.0164,0.0170,-0.0121,0.0059,
-0.0012,-0.0012,0.0017,-0.0013,0.0007,-0.0003,0.0000};
floatfXn[FIRNUMBER]={0.0};
floatfInput,fOutput;
floatfSignal1,fSignal2;
floatfStepSignal1,fStepSignal2;
floatf2PI;
inti;
floatfIn[256],fOut[256];
intnIn,nOut;
main()
{
nIn=0;nOut=0;
f2PI=2*PI;
fSignal1=0.0;
fSignal2=PI*0.1;
fStepSignal1=2*PI/30;
fStepSignal2=2*PI*1.4;
while
fInput=InputWave();
fIn[nIn]=fInput;
nIn++;nIn%=256;
fOutput=FIR();
fOut[nOut]=fOutput;
nOut++;/*breakpoint*/
if(nOut>=256)
nOut=0;
}
floatInputWave()
for(i=FIRNUMBER-1;i>0;i--)
fXn[i]=fXn[i-1];
fXn[0]=sin((double)fSignal1)+cos((double)fSignal2)/6.0;
fSignal1+=fStepSignal1;
if(fSignal1>=f2PI)fSignal1-=f2PI;
fSignal2+=fStepSignal2;
if(fSignal2>=f2PI)fSignal2-=f2PI;
return(fXn[0]);
floatFIR()
floatfSum;
fSum=0;
for(i=0;i{fSum+=(fXn[i]*fHn[i]);}return(fSum);}FIR滤波器的DSP实现程序采用C语言编写,滤波器时频特性如图4.2和图4.5所示。利用设计好的FIR滤波器对叠加了高频噪声的输入信号进行滤波,滤波后的波形及频谱如图4.1和图4.4所示,滤波后的波形及频谱如图4.3和图4.6所示。通过时域波形的对比发现,叠加了高频噪声的输入信号经过FIR低通滤波器后,信号相对滤波前变得光滑;由频域波形对比同样可以发现有用的低频信号被保留下来,而高频噪声被很好地滤除掉了图4.1图4.4图4.2图4.3图4.5图4.64.2对生成的加噪语音进行噪声滤波,并对滤波后的语音进行分析。4.2.1语音信号的FIR滤波程序流程图如下:调用AIC23_Mixer子程序处理音频数据输入/输出原声音送左声道,滤波结果送右声道,输出到McBSP04.2.2语音信号的FIR滤波程序#include"5509.h"#include"util.h"#include"audio.h"//AIC23ControlRegisteraddresses#defineAIC23_LT_LINE_CTL0x00//0#defineAIC23_RT_LINE_CTL0x02//1#defineAIC23_LT_HP_CTL0x04//2#defineAIC23_RT_HP_CTL0x06//3#defineAIC23_ANALOG_AUDIO_CTL0x08//4#defineAIC23_DIGITAL_AUDIO_CTL0x0A//5#defineAIC23_POWER_DOWN_CTL0x0C//6#defineAIC23_DIGITAL_IF_FORMAT0x0E//7#defineAIC23_SAMPLE_RATE_CTL0x10//8#defineAIC23_DIG_IF_ACTIVATE0x12//9#defineAIC23_RESET_REG0x1E//F-Writing0tothisregtriggersreset//AIC23ControlRegistersettings#definelt_ch_vol_ctrl0x0017/*0*/#definert_ch_vol_ctrl0x0017/*1*/#definelt_ch_headph_ctrl0x0079/*2*/#definert_ch_headph_ctrl0x0079/*3*/#definealog_au_path_ctrl0x0000/*4*/#definedigi_au_path_ctrl0x0000/*5*/#definepow_mgt_ctrl_ctrl0x0002/*6*/#definedigi_au_intf_ctrl0x000D/*7*/#defineau_FS_TIM_ctrl0x0000/*8MCLK=12MHz,SampleRatesetting*/#definedigi_intf1_ctrl0x0001/*9*/#definedigi_intf2_ctrl0x00FF/*10*/#defineDIGIF_FMT_MS0x40#defineDIGIF_FMT_LRSWAP0x20#defineDIGIF_FMT_LRP0x10#defineDIGIF_FMT_IWL0x0c#defineDIGIF_FMT_FOR0x03#defineDIGIF_FMT_IWL_160x00#defineDIGIF_FMT_IWL_200x04#defineDIGIF_FMT_IWL_240x08#defineDIGIF_FMT_IWL_320xc0#defineDIGIF_FMT_FOR_MSBRIGHT0x00#defineDIGIF_FMT_FOR_MSLEFT0x01#defineDIGIF_FMT_FOR_I2S0x02#defineDIGIF_FMT_FOR_DSP0x03#definePOWER_DEV0x80#definePOWER_CLK0x40#definePOWER_OSC0x20#definePOWER_OUT0x10#definePOWER_DAC0x08#definePOWER_ADC0x04#definePOWER_MIC0x02#definePOWER_LINE0x01#defineSRC_CLKOUT0x80#defineSRC_CLKIN0x40#defineSRC_SR0x3c#defineSRC_BOSR0x02#defineSRC_MO0x01#defineSRC_SR_440x20#defineSRC_SR_320x18#defineSRC_SR_80x0c#defineANAPCTL_STA0xc0#defineANAPCTL_STE0x20#defineANAPCTL_DAC0x10#defineANAPCTL_BYP0x08#defineANAPCTL_INSEL0x04#defineANAPCTL_MICM0x02#defineANAPCTL_MICB0x01#defineDIGPCTL_DACM0x08#defineDIGPCTL_DEEMP0x06#defineDIGPCTL_ADCHP0x01#defineDIGPCTL_DEEMP_DIS0x00#defineDIGPCTL_DEEMP_320x02#defineDIGPCTL_DEEMP_440x04#defineDIGPCRL_DEEMP_480x06#defineDIGIFACT_ACT0x01#defineLT_HP_CTL_LZC0x80#defineRT_HP_CTL_RZC0x80voidAIC23_Write(unsignedshortregaddr,unsignedshortdata){unsignedcharbuf[2];buf[0]=regaddr;buf[1]=data;I2C_Write(I2C_AIC23,2,buf);}voidMcBSP0_InitSlave(){PC55XX_MCSPpMCBSP0=(PC55XX_MCSP)C55XX_MSP0_ADDR;//PuttheMCBSPinresetWrite(pMCBSP0->spcr1,0);Write(pMCBSP0->spcr2,0);//Configframeparameters(32bit,singlephase,nodelay)Write(pMCBSP0->xcr1,XWDLEN1_32);Write(pMCBSP0->xcr2,XPHASE_SINGLE|XDATDLY_0);Write(pMCBSP0->rcr1,RWDLEN1_32);Write(pMCBSP0->rcr2,RPHASE_SINGLE|RDATDLY_0);//Disableintframegenerationandenableslavew/extframesignalsonFSX//Framesyncisactivehigh,dataclockedonrisingedgeofclkxWrite(pMCBSP0->pcr,PCR_CLKXP);//BringtransmitterandreceiveroutofresetSetMask(pMCBSP0->spcr2,SPCR2_XRST);SetMask(pMCBSP0->spcr1,SPCR1_RRST);}voidAIC23_Init(){I2C_Init();//ResettheAIC23andturnonallpowerAIC23_Write(AIC23_RESET_REG,0);AIC23_Write(AIC23_POWER_DOWN_CTL,0);AIC23_Write(AIC23_ANALOG_AUDIO_CTL,ANAPCTL_DAC|ANAPCTL_INSEL);//使用麦克风音源AIC23_Write(AIC23_DIGITAL_AUDIO_CTL,0);//TurnonvolumeforlineinputsAIC23_Write(AIC23_LT_LINE_CTL,0x000);AIC23_Write(AIC23_RT_LINE_CTL,0x000);//ConfiguretheAIC23formastermode,44.1KHzstereo,16bitsamples//Use12MHzUSBclockAIC23_Write(AIC23_DIGITAL_IF_FORMAT,DIGIF_FMT_MS|DIGIF_FMT_IWL_16|DIGIF_FMT_FOR_DSP);AIC23_Write(AIC23_SAMPLE_RATE_CTL,SRC_SR_44|SRC_BOSR|SRC_MO);//TurnonheadphonevolumeanddigitalinterfaceAIC23_Write(AIC23_LT_HP_CTL,0x07f);//0x79forspeakersAIC23_Write(AIC23_RT_HP_CTL,0x07f);AIC23_Write(AIC23_DIG_IF_ACTIVATE,DIGIFACT_ACT);//SetMcBSP0tobetransmitslaveMcBSP0_InitSlave();}voidAIC23_Disable(){PC55XX_MCSPpMCBSP0=(PC55XX_MCSP)C55XX_MSP0_ADDR;I2C_Disable();//PuttheMCBSPinresetWrite(pMCBSP0->spcr1,0);Write(pMCBSP0->spcr2,0);}#defineAUTIODATALEFT0x0d000#defineAUTIODATARIGHT0x17000int*pAudioLeft,*pAudioRight;intwww=0;voidAIC23_Mixer(){PC55XX_MCSPpMCBSP0=(PC55X
fSum+=(fXn[i]*fHn[i]);
return(fSum);
FIR滤波器的DSP实现程序采用C语言编写,滤波器时频特性如图4.2和图4.5所示。
利用设计好的FIR滤波器对叠加了高频噪声的输入信号进行滤波,滤波后的波形及频谱如图4.1和图4.4所示,滤波后的波形及频谱如图4.3和图4.6所示。
通过时域波形的对比发现,叠加了高频噪声的输入信号经过FIR低通滤波器后,信号相对滤波前变得光滑;由频域波形对比同样可以发现有用的低频信号被保留下来,而高频噪声被很好地滤除掉了
图4.1
图4.4
图4.2
图4.3
图4.5
图4.6
4.2对生成的加噪语音进行噪声滤波,并对滤波后的语音进行分析。
4.2.1语音信号的FIR滤波程序流程图如下:
调用AIC23_Mixer子程序处理音频数据输入/输出
原声音送左声道,滤波结果送右声道,输出到McBSP0
4.2.2语音信号的FIR滤波程序
#include"5509.h"
#include"util.h"
#include"audio.h"
//AIC23ControlRegisteraddresses
#defineAIC23_LT_LINE_CTL0x00//0
#defineAIC23_RT_LINE_CTL0x02//1
#defineAIC23_LT_HP_CTL0x04//2
#defineAIC23_RT_HP_CTL0x06//3
#defineAIC23_ANALOG_AUDIO_CTL0x08//4
#defineAIC23_DIGITAL_AUDIO_CTL0x0A//5
#defineAIC23_POWER_DOWN_CTL0x0C//6
#defineAIC23_DIGITAL_IF_FORMAT0x0E//7
#defineAIC23_SAMPLE_RATE_CTL0x10//8
#defineAIC23_DIG_IF_ACTIVATE0x12//9
#defineAIC23_RESET_REG0x1E//F-Writing0tothisregtriggersreset
//AIC23ControlRegistersettings
#definelt_ch_vol_ctrl0x0017/*0*/
#definert_ch_vol_ctrl0x0017/*1*/
#definelt_ch_headph_ctrl0x0079/*2*/
#definert_ch_headph_ctrl0x0079/*3*/
#definealog_au_path_ctrl0x0000/*4*/
#definedigi_au_path_ctrl0x0000/*5*/
#definepow_mgt_ctrl_ctrl0x0002/*6*/
#definedigi_au_intf_ctrl0x000D/*7*/
#defineau_FS_TIM_ctrl0x0000/*8MCLK=12MHz,SampleRatesetting*/
#definedigi_intf1_ctrl0x0001/*9*/
#definedigi_intf2_ctrl0x00FF/*10*/
#defineDIGIF_FMT_MS0x40
#defineDIGIF_FMT_LRSWAP0x20
#defineDIGIF_FMT_LRP0x10
#defineDIGIF_FMT_IWL0x0c
#defineDIGIF_FMT_FOR0x03
#defineDIGIF_FMT_IWL_160x00
#defineDIGIF_FMT_IWL_200x04
#defineDIGIF_FMT_IWL_240x08
#defineDIGIF_FMT_IWL_320xc0
#defineDIGIF_FMT_FOR_MSBRIGHT0x00
#defineDIGIF_FMT_FOR_MSLEFT0x01
#defineDIGIF_FMT_FOR_I2S0x02
#defineDIGIF_FMT_FOR_DSP0x03
#definePOWER_DEV0x80
#definePOWER_CLK0x40
#definePOWER_OSC0x20
#definePOWER_OUT0x10
#definePOWER_DAC0x08
#definePOWER_ADC0x04
#definePOWER_MIC0x02
#definePOWER_LINE0x01
#defineSRC_CLKOUT0x80
#defineSRC_CLKIN0x40
#defineSRC_SR0x3c
#defineSRC_BOSR0x02
#defineSRC_MO0x01
#defineSRC_SR_440x20
#defineSRC_SR_320x18
#defineSRC_SR_80x0c
#defineANAPCTL_STA0xc0
#defineANAPCTL_STE0x20
#defineANAPCTL_DAC0x10
#defineANAPCTL_BYP0x08
#defineANAPCTL_INSEL0x04
#defineANAPCTL_MICM0x02
#defineANAPCTL_MICB0x01
#defineDIGPCTL_DACM0x08
#defineDIGPCTL_DEEMP0x06
#defineDIGPCTL_ADCHP0x01
#defineDIGPCTL_DEEMP_DIS0x00
#defineDIGPCTL_DEEMP_320x02
#defineDIGPCTL_DEEMP_440x04
#defineDIGPCRL_DEEMP_480x06
#defineDIGIFACT_ACT0x01
#defineLT_HP_CTL_LZC0x80
#defineRT_HP_CTL_RZC0x80
voidAIC23_Write(unsignedshortregaddr,unsignedshortdata)
unsignedcharbuf[2];
buf[0]=regaddr;
buf[1]=data;
I2C_Write(I2C_AIC23,2,buf);
voidMcBSP0_InitSlave()
PC55XX_MCSPpMCBSP0=(PC55XX_MCSP)C55XX_MSP0_ADDR;
//PuttheMCBSPinreset
Write(pMCBSP0->spcr1,0);
Write(pMCBSP0->spcr2,0);
//Configframeparameters(32bit,singlephase,nodelay)
Write(pMCBSP0->xcr1,XWDLEN1_32);
Write(pMCBSP0->xcr2,XPHASE_SINGLE|XDATDLY_0);
Write(pMCBSP0->rcr1,RWDLEN1_32);
Write(pMCBSP0->rcr2,RPHASE_SINGLE|RDATDLY_0);
//Disableintframegenerationandenableslavew/extframesignalsonFSX
//Framesyncisactivehigh,dataclockedonrisingedgeofclkx
Write(pMCBSP0->pcr,PCR_CLKXP);
//Bringtransmitterandreceiveroutofreset
SetMask(pMCBSP0->spcr2,SPCR2_XRST);
SetMask(pMCBSP0->spcr1,SPCR1_RRST);
voidAIC23_Init()
I2C_Init();
//ResettheAIC23andturnonallpower
AIC23_Write(AIC23_RESET_REG,0);
AIC23_Write(AIC23_POWER_DOWN_CTL,0);
AIC23_Write(AIC23_ANALOG_AUDIO_CTL,ANAPCTL_DAC|ANAPCTL_INSEL);//使用麦克风音源
AIC23_Write(AIC23_DIGITAL_AUDIO_CTL,0);
//Turnonvolumeforlineinputs
AIC23_Write(AIC23_LT_LINE_CTL,0x000);
AIC23_Write(AIC23_RT_LINE_CTL,0x000);
//ConfiguretheAIC23formastermode,44.1KHzstereo,16bitsamples
//Use12MHzUSBclock
AIC23_Write(AIC23_DIGITAL_IF_FORMAT,DIGIF_FMT_MS|DIGIF_FMT_IWL_16|DIGIF_FMT_FOR_DSP);
AIC23_Write(AIC23_SAMPLE_RATE_CTL,SRC_SR_44|SRC_BOSR|SRC_MO);
//Turnonheadphonevolumeanddigitalinterface
AIC23_Write(AIC23_LT_HP_CTL,0x07f);//0x79forspeakers
AIC23_Write(AIC23_RT_HP_CTL,0x07f);
AIC23_Write(AIC23_DIG_IF_ACTIVATE,DIGIFACT_ACT);
//SetMcBSP0tobetransmitslave
McBSP0_InitSlave();
voidAIC23_Disable()
I2C_Disable();
#defineAUTIODATALEFT0x0d000
#defineAUTIODATARIGHT0x17000
int*pAudioLeft,*pAudioRight;
intwww=0;
voidAIC23_Mixer()
PC55XX_MCSPpMCBSP0=(PC55X
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