原创 DSP ARM FPGA 实验箱_音频处理_滤波操作教程：3-9 音频信号的滤波实验

一、实验目的

掌握Matlab辅助设计滤波器系数的方法，并实现音频混噪及IIR滤波器滤除，并在LCD上显示音频信号的FFT计算结果。

二、实验原理

音频接口采用的是24.576MHz（读兆赫兹）晶振，实验板上共有3个音频端口，分别是LINE IN、MIC IN和LINE OUT，音频数据是通过I2C总线进行读写的，McASP（字母）的时钟来自于晶振时钟，分频后可得到帧同步信号和位同步信号。

TLV320AIC3106音频芯片

（1）数据精度支持 16/20/24/32 bit 。

（2）支持速率 8kHz ~ 96kHz 采样率。

（3）控制总线可选为 SPI 或 I2C。

（4）音频串行数据总线支持4种协议格式： I2S， 左对齐格式，右对齐格式，DSP格式。

（5）有可编程PLL 可以灵活产生时钟。

音频芯片功能框图

（1)在框图底部分别是供电部分、（点击鼠标）时钟产生部分、（点击鼠标）SPI或I2C串行总线控制部分。

（2）芯片通过左右声道采集输入的音频模拟信号。

（3）经过ADC采样后得到数字化的音频数据。

（4）数字化音频数据通过音频串行总线接口传输到DSP。

（5）DSP处理之后的数字化音频从DSP通过音频串行总线接口再传输到DAC。

（6）音频经过DAC还原为可输出的模拟信号。

（7）最后，通过耳机或者音箱输出音频模拟信号。

音频芯片的工作流程。音频模拟信号通过左右声道分别采样，经过ADC转换为数字信号后通过McASP传输到DSP，在DSP处理完成后再通过McASP传输到DAC，最后经过DAC转换为模拟信号后，分左右声道输出。

IIR滤波器

IIR无限冲激响应数字滤波器（infinite impulse response digital filter）是对单位冲激的输入信号的响应为无限长序列的数字滤波器。可分为一维、二维或多维无限冲激响应数字滤波器。它的输出y（n）由当前的和过去的输入信号x(n)及过去的输出信号共同决定。IIR的幅频特性精度很高，不是线性相位的，可以应用于对相位信息不敏感的音频信号上。

对于IIR滤波器，冲激响应理论上应会无限持续，其输出不仅取决于当前和过去的输入信号值，也取决于过去的信号输出值。其系统函数如下：

无限冲激响应数字滤波器的差分工程如下：

IIR滤波器特性

无限冲激响应数字滤波器具有以下特性：

（1）系统函数可以写成封闭函数的形式。

（2）采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。IIR滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。由于运算中的舍入处理，使误差不断累积，有时会产生微弱的寄生振荡。

（3）在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，其设计工作量比较小，对计算工具的要求不高。

（4）相位特性不好控制，对相位要求较高时，需加相位校准网络。

IIR滤波器的设计

设计IIR数字滤波器实质上就是找到一个使其频率响应H(Z)满足给定的通带截止频率、通带衰减系数、阻带截止频率及阻带衰减系数的可以在物理上实现的系统函数H(Z)。

根据所要设计滤波器的参数去确定一个模拟滤波器的传输函数，然后再根据这个传输函数，通过双线性变换、或脉冲响应不变法来进行数字滤波器的设计。它的设计比较复杂，复杂在于它的模拟滤波器传输函数H（s）的确定。这一点可以让软件来实现。具体实现步骤：

（1）先确定需要一个什么样的滤波器，巴特沃斯型，切比雪夫型，还是其它什么型的滤波器。

（2）当选定一个型号后，就可以根据设计参数和这个滤波器的计算公式来确定其阶数、传输函数的表达式。通常这个过程中还存在预扭曲的问题（这只是双线性变换法所需要注意的问题，脉冲响应不变法不存在这种问题）。

（3）确定H（S）后，就可以通过双线性变换得到其数字域的差分方程。

MATLAB FIR 滤波器辅助设计，生成滤波器系数。

打开Matlab 软件，并打开"Filter Designed&Analaysis Tool"工具，在弹出的界面中按照所需滤波器修改以下参数：

（1）滤波器类型：高通Highpass；

（2）滤波方式：切比雪夫Ⅱ型IIR（Chebyshev Type II）；

（3）滤波器阶数：Minimum order；

（4）采样频率：8000Hz；

（5）阻带截止频率：100Hz

（6）通带截止频率：3400Hz；

设置好参数后，转换为单精度再导出生成包含滤波器系数的.h头文件，将该头文件的数据拆分复制，即可用于IIR函数。

程序流程设计

设计中首先要首先要进行I2C和McASP的管脚复用配置，接着使能EDMA3的PSC和配置GPIO模块，然后初始化DSP中断和配置按键中断，进行音频芯片的初始化，并将McASP初始化为EDMA方式，初始化LCD，自定义生成一段噪声备用，最后进行按键检测，如果USER0按键按下，进行音频数据的混合噪声或IIR滤波或者是恢复原声，如果是USER1按键按下，则在LCD上显示计算的音频数据FFT结果。

数字信号处理库

DSPLIB 包含优化的、C语言可调用的通用信号处理例程，用于计算密集型实时应用程序。 调用这些例程的运行速度比直接用C语言编写的等效代码快得多。使用DSPLIB可以缩短应用程序开发时间。

DSPLIB 3_4_0_0包括适用于 C64x+ 或 C66x 或 C674x 处理器的 Windows 或 Linux 安装可执行文件。 每个可执行文件安装一个组件包存储库、一个文档目录、一个 Eclipse 插件目录和一个扩展的组件目录结构，其中包含组件库、头文件和测试示例。

TMS320C6748处理器使用的是dsplib_c674x_3_4_0_0。

dsplib_c674x_3_4_0_0

函数源码

FFT运算函数

程序使用DSPLIB 的库来进行FFT运算，调用的程序源码和使用说明可以安装DSPLIB后查看。调用的FFT函数中，第一个参数是样本中 FFT 的长度，第二个参数是指向数据输入的指针。第三个参数是指向复杂旋转因子的指针。第四个参数是指向复杂输出数据的指针。第五个参数是指向包含 64 个条目的位反转表的指针。如果样本的FFT长度可以表示为 4 的幂，第六个参数是4，否则第六个参数是2 。第七个参数是从主FFT开始的样本中的子 FFT偏移索引 。 第八个参数是样本中主FFT的大小。

使用DSPLIB 的库来进行FFT运算。使用时，直接包含“DSPF_sp_fftSPxSP.h”文件 即可。

API接口

void DSPF_sp_fftSPxSP(int N, float *ptr_x, float *ptr_w, float *ptr_y, unsigned char *brev, int n_min, int offset, int n_max);

FFT逆变换函数

程序使用DSPLIB 的库来进行FFT逆变换，调用的程序源码和使用说明可以安装DSPLIB后查看。调用的IFFT函数中，第一个参数是样本中 FFT 的长度。第二个参数是指向数据输入的指针。第三个参数是指向复杂旋转因子的指针。第四个参数是指向复杂输出数据的指针。第五个参数是指向包含 64 个条目的位反转表的指针 。如果样本的FFT长度可以表示为 4 的幂，第六个参数是4，否则第六个参数是 2 。第七个参数是从主FFT开始的复杂样本中的子FFT偏移索引 。第八个参数是样本中主FFT的大小。

使用DSPLIB 的库来进行FFT逆变换。使用时，直接包含“DSPF_sp_ifftSPxSP.h”文件 即可。

API接口

void DSPF_sp_ifftSPxSP (int N, float *ptr_x, float *ptr_w, float *ptr_y,

unsigned char *brev, int n_min, int offset, int n_max);

三、操作现象

实验设备

本实验使用的硬件接口为LINE IN和LINE OUT接口，所需硬件为实验板、仿真器、电源、音频线、耳机和音乐播放器。本次操作是使用手机来播放音乐。

硬件连接

（1）使用音频线连接LINE IN（停顿一下） CON10音频接口和手机，手机播放音乐，

（2）在LINE OUT （停顿一下）CON11接口插上耳机或者音箱。

（3）连接仿真器和电脑的USB接口，

（4）将拨码开关拨到DEBUG模式01111，连接实验箱电源，拨动电源开关上电。

软件操作

导入工程，选择Demo文件夹下的对应工程

编译工程，生成可执行文件

将CCS连接实验箱并加载程序

程序加载完成后点击运行程序

运行程序后，按下USER0，通过耳机可以听到播放的音乐混合了噪声。

再次按下USER0，可以听到滤波后的音乐，滤波后的音乐和原声几乎一致。

再按下一次USER0按键，耳机会输出原声。

按下USER1按键，在LCD屏上会显示音频信号的频谱图。

实验结束后，先点击黄色按钮暂停程序运行，再点击红色按钮退出CCS与实验箱的连接，最后实验箱断电即可。