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從理論到實踐:DSP教學實驗箱中的音頻濾波實驗案例精選

創龍教儀 ? 2024-08-30 13:03 ? 次閱讀

2?

產品概述

DSP 教學實驗箱

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產品型號:TL6748-PlusTEB

處理器TI TMS320C6748

應用專業:電子、電信、通信等相關專業

應用課程:數字信號處理》、《音視頻編解碼》、《圖像處理與識別》、《電機控制系統設計》、《DSP系統設計與應用》

相關實驗列表(部分)

DSP實驗環境搭建與CCS開發基礎

安裝CCS與串口調試工具

CCS開發入門

DSP基礎外設實驗

直流電機數碼管、鍵盤輸入控制、LCD觸摸屏實驗

語音類實驗

音頻采集與播放實驗

MP3音頻解碼實驗

G711A音頻編碼實驗

DSP算法實驗

有限沖激響應濾波器(FIR)算法

快速傅立葉變換(FFT)算法

多路信號混頻實驗

圖像類實驗

圖像旋轉、縮放、邊緣檢測、RGB24圖像灰度轉換

視頻類實驗

基于CMOS數字攝像頭采集LCD顯示實驗

基于模擬數字攝像頭采集LCD顯示實驗

圖像類實驗

基于CMOS數字攝像頭的灰度轉換實驗

網絡攝像頭的采集與顯示

2?

案例分享

一、實驗名稱:3-9 音頻信號的濾波實驗

二、實驗目的:

(1)掌握Matlab輔助設計濾波器系數的方法;

(2)實現音頻混噪及IIR濾波器濾除;

(3)在LCD上顯示音頻信號的FFT計算結果。

三、實驗原理:

(1)音頻接口

音頻接口采用的是24.576MHz晶振,實驗板上共有3個音頻端口,分別是LINE IN、MIC IN和LINE OUT,音頻數據通過I2C總線進行讀寫,McASP的時鐘來自于晶振時鐘,分頻后可得到幀同步信號和位同步信號。

341c42b0-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.png

(2)TLV320AIC3106 音頻芯片

數據精度支持 16/20/24/32 bit 。

支持速率 8kHz ~ 96kHz 采樣率。

控制總線可選為 SPI 或 I2C。

音頻串行數據總線支持4種協議格式:I2S, 左對齊格式,右對齊格式,DSP格式。

有可編程PLL 可以靈活產生時鐘。

3430c1d6-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.png

(3)音頻芯片功能框圖

在框圖底部分別是供電部分、時鐘產生部分、SPI或I2C串行總線控制部分。

芯片通過左右聲道采集輸入的音頻模擬信號。

經過ADC采樣后得到數字化的音頻數據。

數字化音頻數據通過音頻串行總線接口傳輸到DSP。

DSP處理之后的數字化音頻從DSP通過音頻串行總線接口再傳輸到DAC

音頻經過DAC還原為可輸出的模擬信號。

最后,通過耳機或者音箱輸出音頻模擬信號。

344c0d10-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.png

(4)音頻芯片的工作流程

音頻模擬信號通過左右聲道分別采樣,經過ADC轉換為數字信號后通過McASP傳輸到DSP,在DSP處理完成后再通過McASP傳輸到DAC,最后經過DAC轉換為模擬信號后,分左右聲道輸出。

347b6dbc-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.png

(5)IIR濾波器

IIR無限沖激響應數字濾波器(infinite impulse response digital filter)是對單位沖激的輸入信號的響應為無限長序列的數字濾波器。

可分為一維、二維或多維無限沖激響應數字濾波器。

它的輸出y(n)由當前的和過去的輸入信號x(n)及過去的輸出信號共同決定。IIR的幅頻特性精度很高,不是線性相位的,可以應用于對相位信息不敏感的音頻信號上。

對于IIR濾波器,沖激響應理論上應會無限持續,其輸出不僅取決于當前和過去的輸入信號值,也取決于過去的信號輸出值。其系統函數如下:

348f5a84-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.png

無限沖激響應數字濾波器的差分工程如下:

34a0f5e6-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.png

(6)IIR濾波器特性

系統函數可以寫成封閉函數的形式。

IIR濾波器運算結構通常由延時、乘以系數和相加等基本運算組成,可以組合成直接型、正準型、級聯型、并聯型四種結構形式,都具有反饋回路。

在設計上可以借助成熟的模擬濾波器的成果,如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等。

相位特性不好控制,對相位要求較高時,需加相位校準網絡。

(7)IIR濾波器的設計

設計IIR數字濾波器實質上就是找到一個使其頻率響應H(Z)滿足給定的通帶截止頻率、通帶衰減系數、阻帶截止頻率及阻帶衰減系數的可以在物理上實現的系統函數H(Z)。具體實現步驟:

先確定需要一個什么樣的濾波器,巴特沃斯型,切比雪夫型,還是其它型的濾波器。

根據設計參數和這個濾波器的計算公式來確定其階數、傳輸函數的表達式。

通過雙線性變換得到其數字域的差分方程。MATLAB FIR 濾波器輔助設計,生成濾波器系數。

打開 Matlab 軟件,并打開"Filter Designed&Analaysis Tool"工具,在彈出的界面中按照所需濾波器修改以下參數

濾波器類型:高通Highpass;

濾波方式:切比雪夫Ⅱ型IIR(Chebyshev Type II);

濾波器階數:Minimum order;

采樣頻率:8000Hz;

阻帶截止頻率:100Hz;

通帶截止頻率:3400Hz。

34b45262-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.png

轉換為單精度再導出生成包含濾波器系數的.h頭文件,將該頭文件的數據拆分復制,即可用于IIR函數。

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(8)程序流程設計

首先進行I2C和McASP的管腳復用配置;

接著使能EDMA3的PSC和配置GPIO模塊;

然后初始化DSP中斷和配置按鍵中斷,進行音頻芯片的初始化,并將McASP初始化為EDMA方式,初始化LCD,自定義生成一段噪聲備用;

最后進行按鍵檢測,如果USER0按鍵按下,進行音頻數據的混合噪聲或IIR濾波或者是恢復原聲,如果是USER1按鍵按下,則在LCD上顯示計算的音頻數據FFT結果。

34cbd0d6-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.png

三、實驗操作:

(1)實驗設備

本實驗使用的硬件接口為LINE IN和LINE OUT接口,所需硬件為實驗板、仿真器電源、音頻線、耳機和音樂播放器。本次操作是使用手機來播放音樂。

34d2f500-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.png

(2)硬件連接

使用音頻線連接LINE IN、CON10音頻接口和手機,手機播放音樂;

在LINE OUT 、CON11接口插上耳機或者音箱;

連接仿真器和電腦USB接口;

將撥碼開關撥到DEBUG模式01111,連接實驗箱電源,撥動電源開關上電。

34ffb6ee-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.png

(3)軟件操作

導入工程,選擇Demo文件夾下的對應工程;

編譯工程;

將CCS連接實驗箱并加載程序;

點擊運行程序;

在LCD屏幕上實時顯示采集并做了灰度轉換處理的圖像;

實驗結束后,先點擊黃色按鈕暫停程序運行,再點擊紅色按鈕退出CCS與實驗箱的連接,最后實驗箱斷電即可。

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