强声系统的FIR数字滤波器的设计与实现

王培傲，卜凡亮

（中国人民公安大学信息技术与网络安全学院，北京 102600）

0 引言

警用强声系统是公安机关为了处理群体性事件来维护社会治安秩序和稳定社会的一种既可实现远距离、高效、快速、安全地驱散人群，又可以平息骚乱的新型低致命性的干扰系统[1]。由于音频信号在采集和处理中会出现大量的问题，而在处理群体性事件的时候对声音的采集以及处理要求比较高，因此通过数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）作为控制器来设计警用强声系统比用单片机处理信号更加迅速。

系统采用TMS320VC5509A作为核心处理器,通过TLV320AIC23B音频编解码器，设计出一款FIR低通数字滤波器，使警用强声系统发射出一种清晰度高、强度大的声波，从而达到在群体事件中驱散人群的目的。

1 FIR数字滤波器的基本原理

1.1 FIR数字滤波器的选择

根据冲激响应的时域特性，数字滤波器又分为无限冲激响应滤波器（Infinite Impulse Response Filter,IIR）和有限冲激响应滤波器（Finite Impulse Response Filter,FIR）。FIR数字滤波器的优点是不含有反馈回路使系统更加的稳定、结构简单以及在幅度特性是随意设置的时候可以保证精确地线性相位让硬件很容易实现,因而该系统是在对相位有较高要求的同时能在硬件上可以快速运行的条件下,选取FIR数字滤波器。

1.2 FIR数字滤波器的设计方法

FIR数字滤波器有多种设计方法，其中包括窗函数法、频率取样法以及等波纹优化设计方法等，其中窗函数设计法是最简单也是最普遍的方法,常用的窗函数有矩形窗、三角窗、海宁窗、汉明窗、布莱克曼窗、凯泽窗等[2]。窗函数法是在时域进行的，因此首先需要有理想频率响应推导出对应的单位取样响应hd(n)，再设计一个FIR数字滤波器的单位取样响应h(n)去逼近hd(n)。假设设计一个截止频率为ωc的低通滤波器，要求滤波器是线性相位，从而推导出理想滤波器的单位取样响应。

显然，对于实际FIR数字滤波器幅频特性有影响的是实时窗函数的幅频特性，实际FIR数字滤波器的幅频特性是理想低通滤波器的幅频特性与窗函数幅频特性的复卷积。因此，为了满足警用强声系统的要求，只能改变窗函数的形状来改变滤波器的幅频特性[3]。

1.3 M ATLAB环境下FIR数字滤波器的仿真

MATLAB中集成了数字滤波器的各种设计方法，为了分析警用强声系统在DSP运行下FIR数字滤波器的功能，利用MATLAB进行FIR数字滤波器设计。用凯泽窗函数设计一个读入交流声的语音数据文件，滤除语音中的交流干扰。部分程序设计如下：

通过MATLAB进行仿真所得到的FIR数字滤波器幅值响应曲线图如图1所示。

图1 FIR数字滤波器的幅值响应曲线图

由图1可知当频率小于50Hz时，语音信号的幅值响应在60-70dB上下浮动，当频率大于50Hz时候，信号的幅值衰减逐渐减少，等频率大于80Hz时，语音信号的幅值衰减基本为0，则说明语音信号中的交流信号被逐渐滤除，所以FIR数字滤波器在信号输入的过程中可以过滤部分交流干扰信号。

2 警用强声系统的FIR数字滤波器硬件设计

FIR数字滤波器的实现主要取决于整个系统的硬件电路设计，系统的硬件电路设计其中最核心器件的就是DSP芯片和音频芯片。这两款芯片的选择与电路连接设计对FIR数字滤波器在数字信号处理起到决定性的作用。系统选取的音频芯片是TLV320AIC23B，它是TI公司推出的一款具有高性能的立体声音频编解码器[4]。警用强声系统的硬件电路连接设计图如图2所示。

图2 警用强声系统的硬件电路连接设计图

该系统采用的是TMS320VC5509A的多通道缓冲串行口(Multichannel Buffered Serial Port,McBSP)与音频芯片TLV320AIC23B无缝对接。C5509A的I2C总线是由SDA和SCL两个引脚构成的串行总线，被用来作为单项控制通道，配置AIC23B使用，可以发送和接收数据，在语音信号在被传输的过程中，它一般是空闲的。McBSP串行口是由CLKX、DR、DX、FSR和FSX五个引脚组成，其主要功能就是被用作数据的发送和接受，所有的语音数据都是通过McBSP串口传输。在语音信号处理系统中，模拟语音信号由LINEIN/MICIN接口输入到AIC23B芯片上，这些数据需要通过McB⁃SP对AIC23B进行配置，然后模拟语音通过A/D转换、音频编码后，由数字音频接口传输到C5509A的McB⁃SP串口，并接收C5509A串口的数据，收到的数字音频信号经滤波器过滤、解码、D/A转换后，从LINEOUT输出。

3 警用强声系统的FIR数字滤波器软件设计与实现

警用强声系统一般都是在室外比较嘈杂的环境下使用，因此本文设计一个低通的FIR数字滤波器，要求通带边缘频率为10kHz,阻带边缘频率为22kHz,阻带衰减75dB,采样频率50 kHz。FIR低通数字滤波器设计窗函数有很多种，选布莱克曼窗。

将强声系统的硬件设备连接好，运行CCS软件，首先打开FIR数字滤波器的程序设计文件，对所编的程序文件进行汇编、连接，生成DSP可执行的文件代码[5]。其次选择菜单，对滤波器的输入与输出频率进行设置，FIR数字滤波器在CCS软件上的参数设置界面如图3所示，要求对滤波器的输入与输出频率进行六次不同的设置。最后对整个系统进行编译、调试和运行。

图3 FIR滤波器参数设置界面

根据CCS的图形显示功能，分别观察输入信号和输出信号的时域波形图和频域波形图，FIR数字滤波器的输入与输出波形图如图4所示。由图4可知上面的图是语音信号输入波形图，输入的波形是一个低频的正弦波与一个高频的正弦波叠加而成，下面的图是通过FIR数字滤波器进行滤波后输出的波形图，输出的波形图是一个低频的正弦波形图。从这两张图比较可知，经过FIR数字滤波器过滤后，输入波形中的高频信号大部分被滤出，而低频信号则顺利通过，所以FIR数字滤波器在信号输入的过程中可以过滤部分高频信号。

图4 FIR数字滤波器的输入与输出波形

4 结语

警用强声系统就是采用TMS320VC5509A数字信号处理芯片作为核心处理器，运用C语言在该系统上进行FIR低通数字滤波器设计，实现并通过滤波仿真。警用强声系统对信号的实时处理性能的要求很高，在DSP中实现FIR数字滤波可以使单通道语音信号达到处理的效果。

参考文献：

[1]刘万松.基于DSP的FIR数字滤波器的设计[D]：[硕士学位论文].贵阳：贵州大学，2007.

[2]Dick Blandford，John Par.数字信号处理及MATLAB仿真[M].陈后金，李居民，译.北京:机械工业出版社,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]彭启琮.DSP集成开发环境：CCS及DSP/BIOS的原理与应用[M].北京:电子工业出版社，2004:213-218.