基于IIR的語音信號濾波器的設(shè)計(jì)

李奇英?彭森

摘 要：由于FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，成本較高，本文設(shè)計(jì)了一種IIR數(shù)字低通濾波器。IIR數(shù)字濾波器是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的，為了避免設(shè)計(jì)過程中由脈沖響應(yīng)不變法帶來的頻譜混疊想象，本文通過采用雙線性變換法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：MATLAB；頻譜分析；IIR數(shù)字低通濾波器

1. 引言

語音信號的數(shù)字濾波就是利用快速傅里葉變換FFT對語音信號進(jìn)行頻譜分析，利用分析得到的指標(biāo)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，將不需要的部分通過設(shè)計(jì)好的數(shù)字濾波器濾除掉，以達(dá)到優(yōu)化語音的目的。數(shù)字信號處理（簡稱DSP）是一門涉及多門學(xué)科并廣泛應(yīng)用于很多科學(xué)和工程領(lǐng)域的新興學(xué)科。數(shù)字信號處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字的形式對信號進(jìn)行分析、采集、合成、變換、濾波、估算、壓縮、識別等加工處理，以便提取有用的信息并進(jìn)行有效的傳輸與應(yīng)用。數(shù)字信號處理是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)，它所涉及的范圍極其廣泛。如數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程、數(shù)字分析等都是數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)工具。它與網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、控制理論、通信理論、故障診斷等密切相關(guān)。本文設(shè)計(jì)的是IIR數(shù)字低通濾波器，IIR數(shù)字濾波器幅頻特性精度很高，不是線性相位的。在設(shè)計(jì)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，有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查，其設(shè)計(jì)工作量比較小，對計(jì)算工具的要求不高。由于對語音信號的延時效果沒有限制。

2. 設(shè)計(jì)的方案

圖1為本設(shè)計(jì)的總體方案圖。本設(shè)計(jì)通過DSP處理器控制TLC320AD50采集音頻信號，在CCS軟件中分析音頻信號的頻譜圖，使用Matlab設(shè)計(jì)相應(yīng)的IIR數(shù)字濾波器（低通、帶通或帶阻等濾波器中的一種）并得到濾波器H（z）的系數(shù)，然后根據(jù)這些系數(shù)，編寫DSP程序（C語言或匯編）對已采集信號進(jìn)行處理，最后在CCS軟件中得到處理后音頻信號的頻譜圖，比較濾波前后信號的頻譜圖。其中語音信號的采集與回放是采用TLC320AD50芯片對語音信號進(jìn)行A/D以及D/A轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對語音信號的數(shù)字處理和語音回放；DSP芯片主要是將轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號的語音信號用DSP算法對其進(jìn)行處理，并將處理后的信號送到輸出端。

3. 系統(tǒng)仿真

IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)可以利用模擬濾波器原型，借鑒成熟的濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行雙線性變換，將模擬濾波器變換成滿足預(yù)定指標(biāo)的數(shù)字濾波器，即根據(jù)模擬設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)出滿足要求的傳遞函數(shù)H（s），然后將H（s）變換成數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)H（z）。

圖2 為濾波前后頻譜對比圖。比較濾波前后語音信號的波形圖、頻譜圖，可以得出結(jié)論：濾波前后語音信號幾乎未變，回放信號的聲音和原始信號的聲音也幾乎一致，這也說明本設(shè)計(jì)的濾波器是合理的，它能對所采集的語音信號進(jìn)行高效濾波。

4. 結(jié)論

在用定點(diǎn)DSP器件設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時，一個重要的問題就是由于硬件字長精度有限，運(yùn)算會出現(xiàn)溢出。IIR濾波器可以用較少的階數(shù)獲得很高的選擇特性，所用的存儲單元少、運(yùn)算次數(shù)少，具經(jīng)濟(jì)、高效的特點(diǎn)。在相位要求不敏感的場合，如語音通信等，很適合用IIR濾波器。

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作者簡介

李奇英（1993-），邵陽學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生。

通訊作者

彭森（1983-），邵陽學(xué)院信息工程系教師。