论文总字数：16243字

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2 课题研究意义 1

1.3课题研究现状 1

第二张 基于DSP的语音滤波系统框图 2

2.1 框图 2

2.1.1 方案框图 2

2.1.2 硬件结构框图 3

第三章 主要芯片介绍 3

3.1 处理器芯片简介 3

3.2 音频芯片简介 4

3.3 动态存储芯片简介 4

3.4 数/模转换芯片 5

第四章 硬件设计 5

4.1 AIC23与微处理器的接口设计 5

4.2 SDRAM与TMS320VC5509的接口设计 6

4.3 FLASH与TMS320VC5509的接口设计 6

4.4 电源设计 7

第五章 软件设计 7

5.1 软件开发平台CCS简介 7

5.2 语音信号滤波算法的分析 8

5.2.1 数字滤波器的基本概念 8

5.2.2 数字滤波器的分类 8

5.2.3 数字滤波器的技术要求 9

5.2.4 数字滤波器的设计概述 9

5.3 FIR数字滤波器的设计 10

5.3.1 FIR滤波器的特点及结构 10

5.3.2 FIR滤波器的设计 11

5.3.3 窗函数法设计原理 11

5.3.4 无限冲激响应滤波器的结构 11

5.4 IIR滤波算法的DSP实现 11

5.5 FIR滤波算法的DSP实现 14

5.6经典滤波器的比较 16

第六章 系统调试 16

6.1硬件的焊接与调试 16

6.2 试验设计 17

第七章 结论与展望 20

参考文献 20

致谢 22

基于DSP的语音滤波技术的研究

崔苏恺

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Abstract：Speech signal processing is a key signal processing research field. In the rapid development of era, DSP chip in speech signal processing occupies the most important position. The first step first study traditional speech signal processing method, using DSP in the CCS programming to realize finite impulse response (FIR) filter and infinite impulse response filter (IIR), then use models for tms320vc5509a DSP chip and build a voice signal acquisition and awakened filtering algorithm of the system. At the end of the input speech signals of different methods to verify this is true.

Key word: speech signal; filter; DSP

第一章 绪论

1.1课题研究背景

人们在使用手机、对讲机等电子通信设备的时候，噪声无处不在，这些带有噪音的语音使得人们使用通信设备通话时的质量大大降低。播放器播放音乐时，音乐中的底噪会使人心烦意乱。许多语音信号处理的实验都是在人为控制的安静环境下进行的，但是外界的环境嘈杂，通信设备大部分都要在外界环境中使用，所以必须进行对语音中的噪音的消除的工作，这就要用到语音滤波技术，加入滤波的效果不好就会影响到后续的实验和研究。

数字信号处理与人们的生活息息相关，所以人们对这个技术的关注度正在日益提升，在语音通信和传输的时候，信号会受到各种影响，导致传输的效果变差和信号的完整度缺失，这会造成诸多的影响，甚至造成不可挽回的损失，所以，降噪的作用非常的大^[1]。

1.2 课题研究意义

如今数字信号处理技术快速发展，DSP对语音信号的处理能力强，可以在DSP芯片上运行复杂困难的语音处理算法，并且DSP芯片可以简便地更新算法，所以可以在不淘汰原有硬件的前提下完成性能的提升和功能的变化，DSP芯片技术的不断提升，使得语音滤波技术的也得到了提高，语音滤波的质量得到了提升。

1.3课题研究现状

从第一台计算机问世以后，人们就开始想方设法让计算机能识别人类的语言，并且从那时起就一直在研究这项技术，所以语音信号处理技术的研究历史非常的久远。从电子管到晶体管再到大规模集成电路，计算机经历的变迁使得人们的生活越来越数字化，生活变得越来越便捷，信息的获取越来越方便。但是语音信号的处理技术并没有跟上计算机发展的步伐。现在许多的软件具有语音识别功能，语音识别的前提是语音滤波技术，得到足够清晰的声音时，才可以准确地识别语音，所以语音处理技术势必成为未来电子产业的重要技术。

在50年代之前，语音处理技术的研究非常困难，因为当时计算机的计算能力有限，再加上语音信号处理的研究结果有限，人们对于语音信号处理的理论研究也没有什么进展，也没有专业的语音信号的研究工作。然而到了上世纪60年代末和70年代初期，人们对于语音信号处理的研究开始步入正轨，虽然与预期的成果差距很大，但是使人们意识到了语音信号处理技术研究的难度。1972年，IBM公司在这方面做出了开创性的工作。在研究的初期阶段，极少量的词汇都需要大量的计算机参与计算，并且这些词汇还需要专人逐字地念出。经过不懈地努力，IBM在语音信号处理方面都获得了成果，包括：(1)处理语音：语音信号先被转化为数字信号，然后根据经过抽取和导向的语音频率和力度等特征将语音信号划分成许多的时间点。想加强处理信号的能力一定需要含有导向因素的信号。(2)特征模型：研究人员将语音的基本因素进行研究，研究出一套动态化的语音模型，来进行语音的模拟和研究。 (3)统计语言模型：语言使用类型特征化的统计模型是构建在许多实体采集的基础上的，为了更好地处理同一类语言的不一样的使用方式，不同的语言模型是必要的。 (4)规则发展：除了构建语音和语言模型的基本规则，语言的规则和字词的排列是千变万化的，使用组合相应的语音和语言模型来确定一个词语的可能性，然后选择最准确的那个词语，这个方法极大地加快了语音处理的速度，并且提高了在处理复杂词汇时的准确率。这个方法使得处理的词汇量大大增加，处理的速度也得到了提高^[2][3]。

汉语的组合非常多样，非常复杂，再加上国内语音处理的研究比国外落后，所以中国对于语音处理的研究速度较慢，但是中国的发展潜力巨大，因为中国拥有庞大的市场，国内外的研究人员也非常重视汉语的语音处理与识别，并且有许多的学者致力于汉语语音处理的研究，现在已经具有相当先进的研究成果，中国要加强的是实验成果的商品化，并且中国市场上也已经出现了许多比较优质的产品^[4]。

数字信号处理技术已经得到了很大的发展，并且应用的范围很广，比如视频处理、音频处理等领域，语音处理就是其中的一个领域。数字信号处理在理论上包含算法，如果要实现这些算法，则必然要使用硬件来完成，比如数字信号处理能力极强的DSP芯片，像一般的单片机已经无法现在的数字信号处理的需求，因为现在的数字信号数据量大，数据复杂。但是DSP芯片就可以完成这些复杂的运算，现在许多的滤波器里面都是用DSP进行滤波和音频信号处理。本文就是要实现基于DSP的语音采集和滤波系统^[5]。

第二章 基于DSP的语音滤波系统框图

2.1 框图

2.1.1 方案框图

本次设计的信号处理系统的基本部件包括模/数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）、数字信号处理、数/模转换器（Digital-to-Analog Converter，DAC）。如图2.1所示。其中模/数转换器将模拟信号转换成DSP可以处理的数字信号；数字信号处理部分完成数字信号处理的算法，经过处理的数字信号经数/模转换器转换成模拟信号，然后将模拟信号输出，然后进行输入和输出信号的比较。

图2.1 方案框图

2.1.2 硬件结构框图

整个系统分为两个部分，第一部分是负责语音收集转化的部分，其中包括了语音信号的输入、音频芯片进行信号的模/数转换和数/模转换处理。为了满足语音信号滤波实时处理的要求，DSP芯片我选用TI公司的型号为TMS320VC5509A的DSP芯片，选用型号为TLV320AIC23的音频芯片。经过分析，设计了如图2.2所示的硬件系统结构框图：

图2.2 硬件结构框图

第三章 主要芯片介绍

3.1 处理器芯片简介

图3.1 TMS320VC5509芯片引脚图

TMS320VC5509是美国TI公司生产的一款高性能的定点DSP芯片，最高能运行在144MHz的主频，它是以TMS320C55xDSP作为内核，所以具有较低的能耗和更高的效率，特别适用于便携式设备。TMS320VC5509使用统一编址的方法来划分存贮空间，程序和数据总线都可以对它进行访问，所以可以让TMS320VC5509便于对数量很大的数据的处理和程序的优化，TMS320VC5509的片内集成了128K16Bits的SRAM，而且拥有外部存储器接口( EMIF:External Memory Interface)，能够和静态随机存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、闪存存储器(FLASH)、同步突发静态存储器( SBSRAM)与同步动态存储器(SDRAM)等器件进行无缝连接。同时，TMS320VC5509具有丰富的片内外设。比如: 1个I2C总线接口、3个多通道缓冲口(McBSP)、DMA控制器、DMA总线等，以上特点使得设计出来的系统拥有非常好的性能^[6]．TMS320VC5509芯片引脚如图3.1所示。

3.2 音频芯片简介

图3.2 TLV320AIC23芯片引脚图

TLV320AIC23是TI公司生产的一种高性能立体声音频编解码芯片，通过这款芯片可以对输入的音频信号进行增益。TLV320AIC23的模/数转换器(ADC)和数/模转换器(DAC)部件集成在芯片内部，这两个转换器使用了先进的Σ－Δ过采样技术，能够在8K至96K的频率范围内使用，模/数转换器和数/模转换器的输出信噪比能够达到90dB和100dB。与此同时，TLV320AIC23还拥有非常低的能量消耗，回放模式下功率只有23mW，在省电模式下能耗比15μW小。所以，TLV320AIC23是一款各方面都非常出色的语音信号处理芯片^[7][8]。TLV320AIC23芯片引脚如图3.2所示。

3.3 动态存储芯片简介

我在本实验中选用HY57V641620-7作为动态存储芯片，利用在VDD与GND中间设计数/模转换器(DAC)上电复位电路，确保数/模转换器用作发生的设备。如果电源电压VCC低于2.88V，数据是无法写入芯片的。如果电源电压比VCC2.7V低，那么芯片将会切换为使用备用电源。HY57V641620ET芯片引脚如图3.3所示。

图3.3 HY57V641620ET芯片引脚图

3.4 数/模转换芯片

本实验选用的数/模转换器DAC是TLC7528C，这个芯片是双路、8位数/模转换器，芯片内部拥有独立的数据锁，确保数据的精密一致，信号经过八位的数据传输口传送到两个数/模转换器的锁存器的其中一个。这个过程可以通过程序控制决定程序进入DACA还是DACB。TLC7528C的载入周期和RAM的写入的周期类似，所以它可以便捷地与大部分处理器芯片的接口相连接。TLC7528C的工作电压在5V到15V之间，能耗小于15mW。它可以适应0摄氏度到70摄氏度的温度^[9]。

第四章 硬件设计

4.1 AIC23与微处理器的接口设计

AIC23和DSP芯片有两处接口：一个是控制口，负责AIC23的控制，还有一个是数据传输口，负责AIC23传输的数字信号和模拟信号音频芯片通过模/数转换器将模拟信号转化为数字信号，然后将数据传输到DSP的McBSP口，DSP读取数据，并且每个数据为16为无符号整数，两个通道各自传输一组数据^[10]。经过DSP的处理，DSP再通过McBSP口将数据传输到AIC23芯片中的数/模转换器上，将经过DSP处理过的数字信号再次转化为模拟信号输出。DSP芯片与AIC23音频芯片的接口连接示意图如图4.1所示：

图4.1 TMS320VC5509与AIC23的接口示意图

4.2 SDRAM与TMS320VC5509的接口设计

图4.2 SDRAM与TMS320VC5509的接口设计

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