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从理论到实践:DSP教学实验箱中的音频滤波实验案例精选

创龙教仪 2024-08-30 13:03 次阅读

2

产品概述

DSP 教学实验箱

3409a506-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.jpg

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)

DSP实验环境搭建与CCS开发基础

安装CCS与串口调试工具

CCS开发入门

DSP基础外设实验

直流电机数码管、键盘输入控制、LCD触摸屏实验

语音类实验

音频采集与播放实验

MP3音频解码实验

G711A音频编码实验

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有限冲激响应滤波器(FIR)算法

快速傅立叶变换(FFT)算法

多路信号混频实验

图像类实验

图像旋转、缩放、边缘检测、RGB24图像灰度转换

视频类实验

基于CMOS数字摄像头采集LCD显示实验

基于模拟数字摄像头采集LCD显示实验

图像类实验

基于CMOS数字摄像头的灰度转换实验

网络摄像头的采集与显示

2

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。

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

(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。

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

(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。

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

(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。

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

(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:

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

无限冲激响应数字滤波器的差分工程如下:

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

(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。

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

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。

34c7c310-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.png

(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。

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

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。

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

(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。

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

(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。

35302bda-668d-11ef-89ff-92fbcf53809c.png

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