从理论到实践：DSP教学实验箱中的音频滤波实验案例精选

 

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产品概述

 

 

DSP 教学实验箱

 

产品型号：TL6748-PlusTEB

处理器：TI TMS320C6748

应用专业：电子、电信、通信等相关专业

应用课程：《数字信号处理》、《音视频编解码》、《图像处理与识别》、《电机控制系统设计》、《DSP系统设计与应用》

 

 

 

相关实验列表（部分）
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案例分享

 

 

 

一、实验名称：3-9 音频信号的滤波实验

 

二、实验目的：

（1） 掌握Matlab辅助设计滤波器系数的方法；

（2） 实现音频混噪及IIR滤波器滤除；

（3） 在LCD上显示音频信号的FFT计算结果。

 

三、实验原理：

（1）音频接口

音频接口采用的是24.576MHz晶振，实验板上共有3个音频端口，分别是LINE IN、MIC IN和LINE OUT，音频数据通过I2C总线进行读写，McASP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。

 

 

（2）TLV320AIC3106 音频芯片

 

数据精度支持 16/20/24/32 bit 。

 

支持速率 8kHz ~ 96kHz 采样率。

 

控制总线可选为 SPI 或 I2C。

 

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。

 

有可编程PLL 可以灵活产生时钟。

 

 

（3）音频芯片功能框图

 

在框图底部分别是供电部分、时钟产生部分、SPI或I2C串行总线控制部分。

 

芯片通过左右声道采集输入的音频模拟信号。

 

经过ADC采样后得到数字化的音频数据。

 

数字化音频数据通过音频串行总线接口传输到DSP。

 

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。

 

音频经过DAC还原为可输出的模拟信号。

 

最后，通过耳机或者音箱输出音频模拟信号。

 

 

（4）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。

 

 

（5）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：

 

 

（6）IIR滤波器特性

 

系统函数可以写成封闭函数的形式。

 

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。

 

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。

 

相位特性不好控制，对相位要求较高时，需加相位校准网络。

 

（7）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)。具体实现步骤：

 

先确定需要一个什么样的滤波器，巴特沃斯型，切比雪夫型，还是其它型的滤波器。

 

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：

 

滤波器类型：高通Highpass；

 

滤波方式：切比雪夫Ⅱ型IIR（Chebyshev Type II）；

 

滤波器阶数：Minimum order；

 

采样频率：8000Hz；

 

阻带截止频率：100Hz；

 

通带截止频率：3400Hz。

 

 

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。

 

 

（8）程序流程设计

 

首先进行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。
 

 

 

三、实验操作：
 

（1）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。

 

 

（2）硬件连接
 

 

使用音频线连接LINE IN、CON10音频接口和手机，手机播放音乐；

 

在LINE OUT 、CON11接口插上耳机或者音箱；

 

连接仿真器和电脑的USB接口；

 

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。

 

 

（3）软件操作

 

导入工程，选择Demo文件夹下的对应工程；

 

编译工程；

 

将CCS连接实验箱并加载程序；

 

点击运行程序；

 

在LCD屏幕上实时显示采集并做了灰度转换处理的图像；

 

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。