強聲系統的FIR數字濾波器的設計與實現

王培傲，卜凡亮

（中國人民公安大學信息技術與網絡安全學院，北京 102600）

0 引言

警用強聲系統是公安機關為了處理群體性事件來維護社會治安秩序和穩定社會的一種既可實現遠距離、高效、快速、安全地驅散人群，又可以平息騷亂的新型低致命性的干擾系統[1]。由于音頻信號在采集和處理中會出現大量的問題，而在處理群體性事件的時候對聲音的采集以及處理要求比較高，因此通過數字信號處理器（Digital Signal Processor,DSP）作為控制器來設計警用強聲系統比用單片機處理信號更加迅速。

系統采用TMS320VC5509A作為核心處理器,通過TLV320AIC23B音頻編解碼器，設計出一款FIR低通數字濾波器，使警用強聲系統發射出一種清晰度高、強度大的聲波，從而達到在群體事件中驅散人群的目的。

1 FIR數字濾波器的基本原理

1.1 FIR數字濾波器的選擇

根據沖激響應的時域特性，數字濾波器又分為無限沖激響應濾波器（Infinite Impulse Response Filter,IIR）和有限沖激響應濾波器（Finite Impulse Response Filter,FIR）。FIR數字濾波器的優點是不含有反饋回路使系統更加的穩定、結構簡單以及在幅度特性是隨意設置的時候可以保證精確地線性相位讓硬件很容易實現,因而該系統是在對相位有較高要求的同時能在硬件上可以快速運行的條件下,選取FIR數字濾波器。

1.2 FIR數字濾波器的設計方法

FIR數字濾波器有多種設計方法，其中包括窗函數法、頻率取樣法以及等波紋優化設計方法等，其中窗函數設計法是最簡單也是最普遍的方法,常用的窗函數有矩形窗、三角窗、海寧窗、漢明窗、布萊克曼窗、凱澤窗等[2]。窗函數法是在時域進行的，因此首先需要有理想頻率響應推導出對應的單位取樣響應hd(n)，再設計一個FIR數字濾波器的單位取樣響應h(n)去逼近hd(n)。假設設計一個截止頻率為ωc的低通濾波器，要求濾波器是線性相位，從而推導出理想濾波器的單位取樣響應。

顯然，對于實際FIR數字濾波器幅頻特性有影響的是實時窗函數的幅頻特性，實際FIR數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幅頻特性的復卷積。因此，為了滿足警用強聲系統的要求，只能改變窗函數的形狀來改變濾波器的幅頻特性[3]。

1.3 M ATLAB環境下FIR數字濾波器的仿真

MATLAB中集成了數字濾波器的各種設計方法，為了分析警用強聲系統在DSP運行下FIR數字濾波器的功能，利用MATLAB進行FIR數字濾波器設計。用凱澤窗函數設計一個讀入交流聲的語音數據文件，濾除語音中的交流干擾。部分程序設計如下：

通過MATLAB進行仿真所得到的FIR數字濾波器幅值響應曲線圖如圖1所示。

圖1 FIR數字濾波器的幅值響應曲線圖

由圖1可知當頻率小于50Hz時，語音信號的幅值響應在60-70dB上下浮動，當頻率大于50Hz時候，信號的幅值衰減逐漸減少，等頻率大于80Hz時，語音信號的幅值衰減基本為0，則說明語音信號中的交流信號被逐漸濾除，所以FIR數字濾波器在信號輸入的過程中可以過濾部分交流干擾信號。

2 警用強聲系統的FIR數字濾波器硬件設計

FIR數字濾波器的實現主要取決于整個系統的硬件電路設計，系統的硬件電路設計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計對FIR數字濾波器在數字信號處理起到決定性的作用。系統選取的音頻芯片是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]。警用強聲系統的硬件電路連接設計圖如圖2所示。

圖2 警用強聲系統的硬件電路連接設計圖

該系統采用的是TMS320VC5509A的多通道緩沖串行口(Multichannel Buffered Serial Port,McBSP)與音頻芯片TLV320AIC23B無縫對接。C5509A的I2C總線是由SDA和SCL兩個引腳構成的串行總線，被用來作為單項控制通道，配置AIC23B使用，可以發送和接收數據，在語音信號在被傳輸的過程中，它一般是空閑的。McBSP串行口是由CLKX、DR、DX、FSR和FSX五個引腳組成，其主要功能就是被用作數據的發送和接受，所有的語音數據都是通過McBSP串口傳輸。在語音信號處理系統中，模擬語音信號由LINEIN/MICIN接口輸入到AIC23B芯片上，這些數據需要通過McB?SP對AIC23B進行配置，然后模擬語音通過A/D轉換、音頻編碼后，由數字音頻接口傳輸到C5509A的McB?SP串口，并接收C5509A串口的數據，收到的數字音頻信號經濾波器過濾、解碼、D/A轉換后，從LINEOUT輸出。

3 警用強聲系統的FIR數字濾波器軟件設計與實現

警用強聲系統一般都是在室外比較嘈雜的環境下使用，因此本文設計一個低通的FIR數字濾波器，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低通數字濾波器設計窗函數有很多種，選布萊克曼窗。

將強聲系統的硬件設備連接好，運行CCS軟件，首先打開FIR數字濾波器的程序設計文件，對所編的程序文件進行匯編、連接，生成DSP可執行的文件代碼[5]。其次選擇菜單，對濾波器的輸入與輸出頻率進行設置，FIR數字濾波器在CCS軟件上的參數設置界面如圖3所示，要求對濾波器的輸入與輸出頻率進行六次不同的設置。最后對整個系統進行編譯、調試和運行。

圖3 FIR濾波器參數設置界面

根據CCS的圖形顯示功能，分別觀察輸入信號和輸出信號的時域波形圖和頻域波形圖，FIR數字濾波器的輸入與輸出波形圖如圖4所示。由圖4可知上面的圖是語音信號輸入波形圖，輸入的波形是一個低頻的正弦波與一個高頻的正弦波疊加而成，下面的圖是通過FIR數字濾波器進行濾波后輸出的波形圖，輸出的波形圖是一個低頻的正弦波形圖。從這兩張圖比較可知，經過FIR數字濾波器過濾后，輸入波形中的高頻信號大部分被濾出，而低頻信號則順利通過，所以FIR數字濾波器在信號輸入的過程中可以過濾部分高頻信號。

圖4 FIR數字濾波器的輸入與輸出波形

4 結語

警用強聲系統就是采用TMS320VC5509A數字信號處理芯片作為核心處理器，運用C語言在該系統上進行FIR低通數字濾波器設計，實現并通過濾波仿真。警用強聲系統對信號的實時處理性能的要求很高，在DSP中實現FIR數字濾波可以使單通道語音信號達到處理的效果。

參考文獻：

[1]劉萬松.基于DSP的FIR數字濾波器的設計[D]：[碩士學位論文].貴陽：貴州大學，2007.

[2]Dick Blandford，John Par.數字信號處理及MATLAB仿真[M].陳后金，李居民，譯.北京:機械工業出版社,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集成開發環境：CCS及DSP/BIOS的原理與應用[M].北京:電子工業出版社，2004:213-218.