基于Matlab的FIR带通滤波器设计与实现

　　摘要：借助Matlab的FDATOOL滤波器设计分析软件，设计了一种FIR数字带通滤波器，并对一段含噪语音信号进行滤波。利用汇编语言编程，在DSP上实现了该滤波器。实验结果表明，该数字带通滤波器精确，稳定性好，易于移植，具有很强的实用性与灵活性。

　　关键词：FIR数字带通滤波器；语音去噪；DSP；Matlab

　　引言

　　随着电子技术的飞速发展，人们正逐步进入数字化时代，数字滤波器越来越受到人们的关注，并且在近代电信设备和各类控制系统中的应用极为广泛，如语音处理、图像处理、通信、电视、雷达、生物医学信号处理等。数字滤波器根据其冲激响应函数的时域特性，可分为有无限长单位冲激响应（IIR）滤波器和有限长单位冲击响应（FIR）滤波器。IIR滤波器虽然可以利用模拟滤波器设计的结果，而模拟滤波器的设计有大量的图表可查，方便简单，但它的相位是非线性的。图像处理以及数据传输都要求信道具有线性相位，同时又可以具有任意的幅度特性。此外，FIR滤波器的单位冲激响应是有限长的，因而滤波器一定是稳定的。随着Matlab软件和信号处理工具箱的不断完善，可以利用Matl ab信号处理工具箱快速有效地实现数字滤波器的设计、分析和仿真。本文首先使用Matlab设计了一个FIR数字带通滤波器，并对一段含噪语音信号进行滤波，然后在TI公司生产的TMS320C5402芯片上具体实现了该滤波器。

　　1 FIR数字带通滤波器设计原理

　　设FIR滤波器单位脉冲响应h（n）长度为N，其系统函数H（z）为：

　　FIR滤波器的设计任务是选择有限长度的h（n），使传输函数满足技术要求。一般是先给定所要求的理想滤波器频率响应，导出hd（n）。因为理想滤波器的冲激响应hd（n）是无限长的非因果序列，而所要设计的是hd（n）是有限长的FIR滤波器，所以要用有限长序列hd（n）来逼近无限长序列h（n）。设：

　　由此可见，窗函数不仅影响原信号在时域内的波形，而且也影响频域内的波形。

　　2 用Matlab辅助设计与仿真

　　设计一个FIR滤波器，关键是要得到正确的h（n）系数。把生成的滤波器系数加载到目标DSP程序中有两种方式：

　　（1）把滤波器系数输人到一个C语言的头文件，在所建工程中添加该头文件；

　　（2）直接把生成的滤波器系数加载到DSP程序的一个变量中。

　　本文采用第二种方法。选择菜单File→Export打开Export对话框，选择Coefficient File（ASCII），指定输出文件名，生成*fcf文件，就可以直接把生成的*fcf文件中的系数添加到DSP程序的变量中了。

　　在Matlab软件平台下，利用wavread函数对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。采样值放在向量y中，fS表示采样频率（单位：Hz），bits表示采样位数。根据语音信号的特点给出数字带通FIR滤波器的性能指标：设置通带频率fp1=1 200 Hz，fp2=3 000 Hz，阻带频率fs1=1 000 Hz，fs2=3 200 Hz，抽样频率fs=8 000 Hz，阻带最小衰减As=50 dB，通带最大衰减Ap=1 dB。这里采用窗函数设计法设计FIR带通滤波器。首先根据阻带衰减选择窗形状，海明窗和布莱克曼窗等窗函数均可提供大于50 dB的衰减。由于海明窗可提供较小的过渡带，所以选择海明窗。根据ωp1=2fp1／fs；ωs1=2fs1／fs，B（带宽）=ωp1-ωs1，N（窗口长度）=ceil（6．6／B），n（阶数）=N-1；算出阶数为132。在FDATo ol设计界面，按要求填写以上参数，得到FIR数字带通滤波器的仿真图像，如图1所示。

　　然后再用设计的FIR数字带通滤波器对加噪的语音信号进行滤波。在Matlab中，FIR滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波。编写Matlab程序如下，实现上述功能。

　　程序中"quzao"为录制的波形音频文件（．wav），对加噪的语音信号进行滤波仿真处理后，输出结果如图2所示。

　　3 FIR数字带通滤波器语音去噪的DSP实现

　　3．1 硬件结构

　　图3为FIR带通滤波器的语音去噪硬件结构框图。系统主要由DSP芯片（TMS320C5402）、A／D转换器（ADS7864）和D／A转换器（DAC7625）组成。

　　实现的核心器件采用TI公司生产的TMS320C5402芯片。该芯片采用先进的修正哈佛结构，片内共有8条总线、CPU、在片存储器、在片外围电路等硬件和高度专业化的指令系统，使它的处理速度和容量大大提高，为数字滤波中的复杂算法的实现提供了良好的保证。

A／D转换器采用TI公司生产的ADS7864芯片，它是一个高速（转换时间2μs）12位精度，6通道的A／D转换器件。它的最高工作频率可达8 MHz，采样率为500 kHz。根据奈奎斯特定理，信号的最高频率不能高于250 kHz