基于DSP的语音自适应滤波算法研究.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.27M 资料格式：doc 举报版权申诉

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前言

第一章数字信号处理器

第一节数字信号处理器简介

一、DSP芯片特点

二、数字信号处理器的发展

三、DSP处理器的性能指标及选择

四、TMS320C55x的硬件结构

第二节本章总结

第二章自适应滤波器

第一节自适应滤波器的一般形式

一、自适应滤波器的结构

二、自适应算法

三、几种算法的比较

四、LMS算法的性质

第二节本章总结

第三章基于DSP的语音自适应滤波实现

第一节外设及硬件电路

一、DPLL模块

二、McBSP模块

三、I2C模块

四、EMIF模块

五、TLV320AIC23芯片

第二节软件部分

一、软件总流程图

二、LMS算法流程图

第三节本章总结

第四章仿真及结果分析

一、观察窗口设置

二、仿真结果及分析

三、综合结果分析

结论

致谢

参考文献

附录

一、英文原文

二、英文翻译

三、工程图纸

四、源程序

编号：审定成绩：重庆邮电大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：基于 DSP 的语音自适应滤波算法研究学院名称：通信与信息工程学院学生姓名：李双全专班学业：通信工程级： 0 1 9 0 8 0 2 号： 0 8 0 1 0 7 3 1 指导教师：代少升答辩组负责人：填表时间：年月重庆邮电大学教务处制

摘要滤波是数字信号处理中的一个重要部分，常规滤波器具有固定的特性，具有固定的权系数。但有些实际应用中，对滤波器输出的要求是确定的，但是滤波器的特性却无法知道。自适应滤波器就很好的解决了这个问题，所谓的自适应滤波器，就是其权系数可以根据一种自适应算法来不断修改，使系数的冲激响应满足给定的性能的滤波器。本设计采用的高速 TMS320C5509 DSP 芯片，最高频率能达到 160MIPS，能够很好的解决系统的实时性；采用的语音编解码芯片 TLV320AIC23 具有 16~32 位采样精度，采样频率范围从 8kHz~96kHz。因此，该音频编解码芯片与 TMS320C5509 结合可以很好的实现语音信号的自适应滤波。本文首先介绍了 TMS320C5509 DSP 芯片的工作原理，介绍了自适应滤波算法的理论基础，介绍了语音自适应滤波的 DSP 实现，给出了整体设计方案和工作框图，给出了系统的硬件设计和软件设计方案及最后的仿真结果。在整个设计过程中，我们采用了 TLV320AIC23DSP 芯片为核心音频接口器件，结合 TMS320C5509DSP 芯片进行了硬件设计。软件部分则采用模块化的设计方法，用 C 语言来实现。【关键词】 LMS 算法 DSP5509A 降噪语音信号处理 I

ABSTRACT Filter is an important part of digital signal processing, the conventional filter with fixed characteristics, has a fixed weighting coefficient. In some of the practical application which the requirements of the filter output is determined, but the filter characteristics can not be knowed. Adaptive filter is a best solution to this problem. The so-called adaptive filter is a filter which’s weighting coefficient modify continuously based on an adaptive algorithm to ensure that the impulse response of the coefficient meets given performance. This design uses high-speed TMS320C5509 DSP chip, which’s highest frequency can reach 160 MIPS , so it well suit for solving the real-time system; This design also use voice codec chip TLV320AIC23 which is characterized by 16 to 32 width sampling accuracy and the wide scope of the sampling frequency range from 8kHz to 96kHz. Therefore, the audio codec chip can well process adaptive filtering of the speech signal with TMS320C5509. This paper first introduces the working principle of the TMS320C5509 DSP chip, the based theoretical of the adaptive filtering algorithm, DSP implementation of adaptive filter.It also shows the overall design of the program and working diagram, system's hardware design and software design and final results of simulation. Throughout the design process, we use the TLV320AIC23DSP chip as the core audio interface device, with TMS320C5509DSP chip hardware design. The software part is organized by the form of module and achieved by using C language. 【Key words】LMS algorithm DSP5509A Noise Reduction Voice Signal Processing II

目录前言................................................................................................................................... 1 第一章数字信号处理器..................................................................................................2 第一节数字信号处理器简介...................................................................................... 2 一、DSP 芯片特点.................................................................................................2 二、数字信号处理器的发展................................................................................. 3 三、DSP 处理器的性能指标及选择.....................................................................4 四、TMS320C55x 的硬件结构............................................................................. 5 第二节本章总结.......................................................................................................... 8 第二章自适应滤波器......................................................................................................... 9 第一节自适应滤波器的一般形式.............................................................................. 9 一、自适应滤波器的结构................................................................................... 10 二、自适应算法................................................................................................... 12 三、几种算法的比较........................................................................................... 16 四、LMS 算法的性质.......................................................................................... 16 第二节本章总结........................................................................................................ 20 第三章基于 DSP 的语音自适应滤波实现......................................................................21 第一节外设及硬件电路.........................................................................................21 一、DPLL 模块.................................................................................................... 21 二、McBSP 模块..................................................................................................22 三、I2C 模块........................................................................................................ 25 四、EMIF 模块.....................................................................................................27 五、TLV320AIC23 芯片......................................................................................28 第二节软件部分........................................................................................................ 31 一、软件总流程图............................................................................................... 31 二、LMS 算法流程图.......................................................................................... 32 第三节本章总结........................................................................................................ 32 第四章仿真及结果分析................................................................................................... 34 一、观察窗口设置............................................................................................... 34 二、仿真结果及分析........................................................................................... 34 三、综合结果分析............................................................................................... 37 结论................................................................................................................................. 38 III

致谢................................................................................................................................. 39 参考文献............................................................................................................................. 40 附录................................................................................................................................. 41 一、英文原文....................................................................................................... 41 二、英文翻译....................................................................................................... 48 三、工程图纸....................................................................................................... 54 四、源程序........................................................................................................... 56 IV

前言数字化已经成为社会发展的一大趋势，它渗透到社会生活的各个领域，如通信系统、雷达和声纳系统、巡航导弹、自动测试系统、医疗诊断设备、计算机及其外设、消费类电子设备等不胜枚举。数字化的核心是数字信号处理，数字信号处理的内涵，决定了它是一门理论与实践并重的学科，事实上，从诞生的那一天起，数字信号处理就一直沿着理论和实践这俩个方向，相互促进，不断向前发展。一方面，它的理论系统在不断地丰富和完善，新的算法不断提出；另一方面，随着 IC 技术也产业的飞速发展，硬件处理器的性能得到了很大的改善，新的处理器不断推出，为数字信号处理开拓了一个更加广阔的应用空间。 DSP（digital signal processor，数字信号处理器）是一种高速，高性能特别适合于实现各种数字信号处理运算的微处理器，其处理速度比最快的 CPU 还快 10~50 倍。随着 DSP 性能的不断提高，开发工具日趋完善，价格迅速下降，数字信号处理已被广泛应用到通信，雷达，语音，图像，信息家电，互联网，工业控制等众多领域。随着以 TI 公司的 TMS320 系列位代表的 DSP 处理器的出现及飞速发展，从根本上改变了主要依靠通用微处理实现数字信号处理算法的局面，使复杂算法的实现成为可能，通透式也有力地促进了数字信号处理理论的发展。DSP 技术已经成为数字化最重要的基本技术之一，无论在其应用的广度还是深度方面，都正以前所未有的速度向前发展。滤波，作为数字信号处理最重要的组成部分之一，在各个领域得到广发的应用，所谓的数字滤波，就是将输入的信号序列，按照规定的算法处理后，得到所希望的输出序列的过程。常规滤波器是一种固定滤波器，其具有固定的特性，作用于输入信号，产生相应的输出信号，但是，有的实际应用，对滤波器输出的要求是明确的，而滤波器特性却无法预先知道。例如，在长话系统中，回波抵消器的理想输出是无回波，这个要求是明确的，而系统本身却不能一开始就确定下来，因为它取决于长话系统化路传输条件的变化。像这样的应用，就必须依赖自适应滤波技术。所谓自适应滤波器，就是其权系数可以根据一种自适应算法来不断的修改，使系统的冲激响应满足给定的性能判断。由于自适应滤波器在未知或者时变系统忠的明显优势，它在众多领域中得到广泛的应用。本文以 DSP 为平台，语音自适应滤波作为具体应用，讨论了自适应滤波器和语音自适应滤波在 DSP 上的实现。 -1

第一章数字信号处理器第一节数字信号处理器简介 DSP(digital signal processor)芯片是指一类专用于数字信号处理的高速期间，广泛应用于实时快速进行信号处理的场合。DSP 芯片的特定应用目标使它具有的结构域通用处理器有明显的不同。一、DSP 芯片特点 DSP 芯片一般具有如下的主要特点： ①多总线结构。DSP 芯片内部一般采用的是哈佛结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间，每个存储器独立编址，独立访问。在片内有相应的程序总线和数据总线，程序总线和数据总线可以允许同时获取指令字和操作数，而互不干涉。这意味着在一个机器周期内可以同时准备好指令和操作数，从而使数据的吞吐率提高了 1 倍。 ②流水线操作。流水线操作技术使两个或更多不同的操作可以重叠执行，从而在不减小时钟周期的条件下缩短了每条指令的执行时间，增强了处理器的数据处理能力。要执行一条 DSP 指令，需要通过取指令、指令译码、取操作数和执行指令等若干阶段，每一阶段称为一级流水。DSP 的流水线操作是指它的这几个阶段在程序执行过程中是重叠的，在执行本条指令的同时，下面的几条指令已依次完成了取指令、解码、取操作数的操作。 ③专用的硬件乘法器。硬件乘法器的功能是在一个指令周期内完成一次乘法运算，是 DSP 实现快速运算的重要保证。可以说几乎所有的 DSP 器件内部都有硬件乘法器。 ④特殊的 DSP 指令。数字信号处理器芯片为了对数字信号进行更为高效、快速的处理，专门设计了一套相应的特殊指令。这些特殊指令节省了指令的条数，缩短了指令的执行时间，提高了运算速度。 ⑤多机并行运行特性。DSP 芯片的单机处理能力是有限的，而随着 DSP 芯片价格的不断降低和应用的广泛，多个 DSP 芯片并行处理已成为可能，可以运用这一特性，达到良好的高速实时处理的要求。 ⑥快速的指令周期。随着的不断发展，DSP 芯片采用了 CMOS 技术、先进的工艺和集成电路的优化设计，工作电压的下降，使得 DSP 芯片的主频不断提高。这一 -2

变化将随着微电子技术的不断进步而继续提高。 ⑦低功耗。随着微电子产品在人类日常生活中所占得比重越来越大，DSP 的应用领域得到了巨大的拓展。DSP 应用这么广泛，那么降低功耗对于电力资源紧缺产生十分重要的意义。这对 DSP 的发展也起到了巨大的作用。 ⑧高的运算精度。浮点 DSP 提供了大的动态范围，定点 DSP 的字长也能达到 32 位，有的累加器达到 40 位。随着 3G 技术和 Internet 的发展，要求处理器的速度越来越高、体积越来越小， DSP 的发展正好能满足这一发展的要求，因为传统的其他处理器都有不同的缺点，比如 MCU 的速度较慢，CPU 的体积较大、功耗较高或者嵌入 CPU 的成本较高。DSP 的发展使得有许多速度要求较高、算法较复杂的场合，DSP 取代 MCU 或其他处理器，而同时成本也可能很低成为可能。二、数字信号处理器的发展世界上第一个单片 DSP 芯片是 1978 年 AMI 公司发布的 S2811，1979 年美国的 Intel 公司发布的商用可编程器件 2920 是 DSP 芯片的一个主要里程碑。由于这两种处理器无内置乘法器，极大地限制了处理速度。 1980 年，日本的 NEC 公司推出具有硬件乘法器的 DSP 芯片-uPD7720。1981 年美国贝尔实验室推出具有硬件乘法器的 DSP 芯片 DSPI。1982 年，美国德州仪器公司（Texas Instruments,TI）的 DSP——TMS320C10，成为具有现代意义的 DSP，它以成本低廉、应用简单、功能强大等特点取得了巨大的成功；随后陆续推出了一系列产品，使得该公司产品目前约占市场份额的 50%。此外，ADI，Freeescale（原 Motorola）， AT&T 等公司相继推出自己的产品。目前，较为流行的 DSP 芯片有 TI 公司的 TMS320 系列、Freeescale 公司的 DSP56000 和 DSP96000 系列、AT&T 公司的 DSP16 系列和 DSP32 系列、ADI 公司的 ADSP2100 系列、NEC 公司的 uDP77 系列等，最成功的 DSP 芯片当数 TI 公司的芯片。自 1982 年推出的第一款 DSP 芯片以来，到 20 世纪 90 年代中期，TI 已经先后推出了 C2000 系列、C5000 系列、C6000 系列、OMAP 系列和达芬奇系列 5 大主流产品。 ①C2000 系列（定点、浮点控制器）：TMS320X24x、TMS320X28x、TMS320X28xx 等。该系列芯片具有大量的外设资源，如 A/D，定时器，各种串口（同步和异步）、 Watchdog、CAN 总线/PWM 发生器，数字 I/O 脚等，它们主要是针对控制应用较佳的 DSP； ②C5000 系列（定点、低功耗）：TMS320C54x、TMS320C55x。相比其他系列 DSP 芯片，其主要特点是低功耗，所以特别适用于个人便携式上网以及无线通信终端，如手机、PDA、iPAD、GPS 等应用。处理速度在 80~400MIPS 范围内。TMS320C54x -3

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