強(qiáng)聲系統(tǒng)的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王培傲，卜凡亮

（中國(guó)人民公安大學(xué)信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，北京 102600）

0 引言

警用強(qiáng)聲系統(tǒng)是公安機(jī)關(guān)為了處理群體性事件來(lái)維護(hù)社會(huì)治安秩序和穩(wěn)定社會(huì)的一種既可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高效、快速、安全地驅(qū)散人群，又可以平息騷亂的新型低致命性的干擾系統(tǒng)[1]。由于音頻信號(hào)在采集和處理中會(huì)出現(xiàn)大量的問(wèn)題，而在處理群體性事件的時(shí)候?qū)β曇舻牟杉约疤幚硪蟊容^高，因此通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor,DSP）作為控制器來(lái)設(shè)計(jì)警用強(qiáng)聲系統(tǒng)比用單片機(jī)處理信號(hào)更加迅速。

系統(tǒng)采用TMS320VC5509A作為核心處理器,通過(guò)TLV320AIC23B音頻編解碼器，設(shè)計(jì)出一款FIR低通數(shù)字濾波器，使警用強(qiáng)聲系統(tǒng)發(fā)射出一種清晰度高、強(qiáng)度大的聲波，從而達(dá)到在群體事件中驅(qū)散人群的目的。

1 FIR數(shù)字濾波器的基本原理

1.1 FIR數(shù)字濾波器的選擇

根據(jù)沖激響應(yīng)的時(shí)域特性，數(shù)字濾波器又分為無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器（Infinite Impulse Response Filter,IIR）和有限沖激響應(yīng)濾波器（Finite Impulse Response Filter,FIR）。FIR數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)是不含有反饋回路使系統(tǒng)更加的穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及在幅度特性是隨意設(shè)置的時(shí)候可以保證精確地線性相位讓硬件很容易實(shí)現(xiàn),因而該系統(tǒng)是在對(duì)相位有較高要求的同時(shí)能在硬件上可以快速運(yùn)行的條件下,選取FIR數(shù)字濾波器。

1.2 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法

FIR數(shù)字濾波器有多種設(shè)計(jì)方法，其中包括窗函數(shù)法、頻率取樣法以及等波紋優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等，其中窗函數(shù)設(shè)計(jì)法是最簡(jiǎn)單也是最普遍的方法,常用的窗函數(shù)有矩形窗、三角窗、海寧窗、漢明窗、布萊克曼窗、凱澤窗等[2]。窗函數(shù)法是在時(shí)域進(jìn)行的，因此首先需要有理想頻率響應(yīng)推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的單位取樣響應(yīng)hd(n)，再設(shè)計(jì)一個(gè)FIR數(shù)字濾波器的單位取樣響應(yīng)h(n)去逼近hd(n)。假設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為ωc的低通濾波器，要求濾波器是線性相位，從而推導(dǎo)出理想濾波器的單位取樣響應(yīng)。

顯然，對(duì)于實(shí)際FIR數(shù)字濾波器幅頻特性有影響的是實(shí)時(shí)窗函數(shù)的幅頻特性，實(shí)際FIR數(shù)字濾波器的幅頻特性是理想低通濾波器的幅頻特性與窗函數(shù)幅頻特性的復(fù)卷積。因此，為了滿足警用強(qiáng)聲系統(tǒng)的要求，只能改變窗函數(shù)的形狀來(lái)改變?yōu)V波器的幅頻特性[3]。

1.3 M ATLAB環(huán)境下FIR數(shù)字濾波器的仿真

MATLAB中集成了數(shù)字濾波器的各種設(shè)計(jì)方法，為了分析警用強(qiáng)聲系統(tǒng)在DSP運(yùn)行下FIR數(shù)字濾波器的功能，利用MATLAB進(jìn)行FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)。用凱澤窗函數(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)讀入交流聲的語(yǔ)音數(shù)據(jù)文件，濾除語(yǔ)音中的交流干擾。部分程序設(shè)計(jì)如下：

通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真所得到的FIR數(shù)字濾波器幅值響應(yīng)曲線圖如圖1所示。

圖1 FIR數(shù)字濾波器的幅值響應(yīng)曲線圖

由圖1可知當(dāng)頻率小于50Hz時(shí)，語(yǔ)音信號(hào)的幅值響應(yīng)在60-70dB上下浮動(dòng)，當(dāng)頻率大于50Hz時(shí)候，信號(hào)的幅值衰減逐漸減少，等頻率大于80Hz時(shí)，語(yǔ)音信號(hào)的幅值衰減基本為0，則說(shuō)明語(yǔ)音信號(hào)中的交流信號(hào)被逐漸濾除，所以FIR數(shù)字濾波器在信號(hào)輸入的過(guò)程中可以過(guò)濾部分交流干擾信號(hào)。

2 警用強(qiáng)聲系統(tǒng)的FIR數(shù)字濾波器硬件設(shè)計(jì)

FIR數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)主要取決于整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)其中最核心器件的就是DSP芯片和音頻芯片。這兩款芯片的選擇與電路連接設(shè)計(jì)對(duì)FIR數(shù)字濾波器在數(shù)字信號(hào)處理起到?jīng)Q定性的作用。系統(tǒng)選取的音頻芯片是TLV320AIC23B，它是TI公司推出的一款具有高性能的立體聲音頻編解碼器[4]。警用強(qiáng)聲系統(tǒng)的硬件電路連接設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 警用強(qiáng)聲系統(tǒng)的硬件電路連接設(shè)計(jì)圖

該系統(tǒng)采用的是TMS320VC5509A的多通道緩沖串行口(Multichannel Buffered Serial Port,McBSP)與音頻芯片TLV320AIC23B無(wú)縫對(duì)接。C5509A的I2C總線是由SDA和SCL兩個(gè)引腳構(gòu)成的串行總線，被用來(lái)作為單項(xiàng)控制通道，配置AIC23B使用，可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，在語(yǔ)音信號(hào)在被傳輸?shù)倪^(guò)程中，它一般是空閑的。McBSP串行口是由CLKX、DR、DX、FSR和FSX五個(gè)引腳組成，其主要功能就是被用作數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受，所有的語(yǔ)音數(shù)據(jù)都是通過(guò)McBSP串口傳輸。在語(yǔ)音信號(hào)處理系統(tǒng)中，模擬語(yǔ)音信號(hào)由LINEIN/MICIN接口輸入到AIC23B芯片上，這些數(shù)據(jù)需要通過(guò)McB?SP對(duì)AIC23B進(jìn)行配置，然后模擬語(yǔ)音通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換、音頻編碼后，由數(shù)字音頻接口傳輸?shù)紺5509A的McB?SP串口，并接收C5509A串口的數(shù)據(jù)，收到的數(shù)字音頻信號(hào)經(jīng)濾波器過(guò)濾、解碼、D/A轉(zhuǎn)換后，從LINEOUT輸出。

3 警用強(qiáng)聲系統(tǒng)的FIR數(shù)字濾波器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

警用強(qiáng)聲系統(tǒng)一般都是在室外比較嘈雜的環(huán)境下使用，因此本文設(shè)計(jì)一個(gè)低通的FIR數(shù)字濾波器，要求通帶邊緣頻率為10kHz,阻帶邊緣頻率為22kHz,阻帶衰減75dB,采樣頻率50 kHz。FIR低通數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)窗函數(shù)有很多種，選布萊克曼窗。

將強(qiáng)聲系統(tǒng)的硬件設(shè)備連接好，運(yùn)行CCS軟件，首先打開FIR數(shù)字濾波器的程序設(shè)計(jì)文件，對(duì)所編的程序文件進(jìn)行匯編、連接，生成DSP可執(zhí)行的文件代碼[5]。其次選擇菜單，對(duì)濾波器的輸入與輸出頻率進(jìn)行設(shè)置，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器在CCS軟件上的參數(shù)設(shè)置界面如圖3所示，要求對(duì)濾波器的輸入與輸出頻率進(jìn)行六次不同的設(shè)置。最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行編譯、調(diào)試和運(yùn)行。

圖3 FIR濾波器參數(shù)設(shè)置界面

根據(jù)CCS的圖形顯示功能，分別觀察輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的時(shí)域波形圖和頻域波形圖，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器的輸入與輸出波形圖如圖4所示。由圖4可知上面的圖是語(yǔ)音信號(hào)輸入波形圖，輸入的波形是一個(gè)低頻的正弦波與一個(gè)高頻的正弦波疊加而成，下面的圖是通過(guò)FIR數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波后輸出的波形圖，輸出的波形圖是一個(gè)低頻的正弦波形圖。從這兩張圖比較可知，經(jīng)過(guò)FIR數(shù)字濾波器過(guò)濾后，輸入波形中的高頻信號(hào)大部分被濾出，而低頻信號(hào)則順利通過(guò)，所以FIR數(shù)字濾波器在信號(hào)輸入的過(guò)程中可以過(guò)濾部分高頻信號(hào)。

圖4 FIR數(shù)字濾波器的輸入與輸出波形

4 結(jié)語(yǔ)

警用強(qiáng)聲系統(tǒng)就是采用TMS320VC5509A數(shù)字信號(hào)處理芯片作為核心處理器，運(yùn)用C語(yǔ)言在該系統(tǒng)上進(jìn)行FIR低通數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)并通過(guò)濾波仿真。警用強(qiáng)聲系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理性能的要求很高，在DSP中實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波可以使單通道語(yǔ)音信號(hào)達(dá)到處理的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉萬(wàn)松.基于DSP的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)[D]：[碩士學(xué)位論文].貴陽(yáng)：貴州大學(xué)，2007.

[2]Dick Blandford，John Par.數(shù)字信號(hào)處理及MATLAB仿真[M].陳后金，李居民，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015:125-135.

[3]M.D.Lutovac,D.V.Tosic,B.I.Evans.Filter Design for Signal Processing Using MATLAB and Mathematica[M].Publishing House of Electronics Industry;Pearson,2002.

[4]Texas Instruments.TMS320VC5509A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual[M].SPRS205K,January 2008.

[5]彭啟琮.DSP集成開發(fā)環(huán)境：CCS及DSP/BIOS的原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004:213-218.