1、数字信号处理实验语音信号滤波实验一 长序列卷积实现与DSP定点运算模拟一、实验名称长序列分段卷积与DSP定点运算模拟二、实验要求1.学习长序列分段卷积实现的两种方法 (1)重叠相加法 (2)重叠保留法2.改写语音滤波C程序 (1)说明程序中错误的原因 (2)说明选择短数据类型的原因 (3)分析重叠保留法过程3.模拟DSP定点化运算 (1)设计思路 (2)分析运算过程三、实验内容1.长序列卷积的两种方法FIR离散时间系统，单位脉冲响应为h(n)，n = 0，1，2，因为系统为因果，所以n0时，h(n)值为0。长序列X(n)分段，将分出的小段x(n)分别于h(n)做卷积，得到相应段的y(n)。y(
2、n) = x(n) * h(n)，设x(n)长为5，h(n)长为3。(1)重叠相加法第一段(04)卷积：y(0) = h(0)x(0) y(1) = h(0)x(1) + h(1)x(0) y(2) = h(0)x(2) + h(1)x(1) + h(2)x(0)y(3) = h(0)x(3) + h(1)x(2) + h(2)x(1) y(4) = h(0)x(4) + h(1)x(3) + h(2)x(2)从n = 5开始，缺少后一段元素的卷积将丢失元素项。y(5) = 缺项 + h(1)x(4) + h(2)x(3) y(6) = 缺项 + 缺项 + h(2)x(4)y(5)缺失项为h(
3、0)x(5)，y(6)的缺失项为h(0)x(6)与h(1)x(5)。第二段(59)卷积:y(5) = h(0)x(5) + 缺项 + 缺项 y(6) = h(0)x(6) + h(1)x(5) + 缺项y(5)缺失项为h(1)x(4) 与 h(2)x(3)，y(6)的缺失项为h(2)x(4)。因此，第二段与第一段的重叠部分y(5)与y(6)相加得到正确的值，是为重叠相加法。(2)重叠保留法若已知滤波器n = M，则在X(n)序列前端补M - 1个零。第一段(-24)卷积：y(-2) = h(0)x(-2) y(-1) = h(0)x(-1) + h(1)x(-2) y(0) = h(0)x(0
4、) + h(1)x(-1) + h(2)x(-2) y(1) = h(0)x(1) + h(1)x(0) + h(2)x(-1) y(2) = h(0)x(2) + h(1)x(1) + h(2)x(0)y(3) = h(0)x(3) + h(1)x(2) + h(2)x(1) y(4) = h(0)x(4) + h(1)x(3) + h(2)x(2)y(5) = 缺项 + h(1)x(4) + h(2)x(3) y(6) = 缺项 + 缺项 + h(2)x(4)第二段(39)卷积：保留上一段中的x(3)与x(4)到该段作为卷积项。y(3) = h(0)x(3) + 缺项 + 缺项 y(4)
5、= h(0)x(4) + h(1)x(3) + 缺项y(5) = h(0)x(5) + h(1)x(4) + h(2)x(3) y(6) = h(0)x(6) + h(1)x(5) + h(2)x(4)y(7) = h(0)x(7) + h(1)x(6) + h(2)x(5) y(8) = h(0)x(8) + h(1)x(7) + h(2)x(6)y(9) = h(0)x(9) + h(1)x(8) + h(2)x(7) y(10) = 缺项 + h(1)x(9) + h(2)x(8)y(11) = 缺项 + 缺项 + h(2)x(9)其中标红的部分为保留项。恰好保证了连续性，卷积结果由之前
6、的7项增加到9项，每段卷积前需接入上段段尾M 1个数据。2.改写语音滤波C程序(1)程序错误a.打开文件函数错误应该设置文件名路径，并设置为r+b读写可修改模式。b.采样错误原程序中读取语音文件一帧数据的处理函数为getw()，存储该帧数据的数组类型为int，读取每点为32bit，不符合实验要求的每点16bit。使用fread(indata,2,LENGTH,fp1)，选取2字节数据，为16bit。c.wav文件处理时需要跳过头文件的44字节使用fseek(fp1,44,SEEK_SET)，跳过文件开头字节。(2)选择short型数据short型数据的长度为16bit，可保证读取一点的16bi
7、t数据存入具有合适数据类型的数组。即每次读取180点，每点16bit，存入数组indataLENGTH，而indata为short型。(3)重叠保留法过程已知h(n)为19点滤波器，即n = 19。x(n)分段序列n = 180。采用重叠舍去法，每一次卷积需要180 + 19 -1 = 198个点的数组空间。数组017位为补足位，第一段卷积时补零，后段卷积时，补上前一段末尾18个数据。输出赋值时从数组的第M位开始，前M - 1位舍去。程序中卷积计算数组为x1LENGTH + FILTER_LEN - 1，LENGTH为180，FILTER_LEN为19。初始补零位为x10 x117，数据读入从
8、x118开始，读180点，如下图所示：时域卷积过程如下，使用i+n-1代替i，不去计算舍去的前18项，从第19项开始计算：后段卷积前选取前一段18个点的数据作为补充点，如图：3.模拟DSP定点化运算由于滤波器系数为小数，在DSP中做浮点运算占用资源且耗时长，因此设计C定点程序提高运算效率。滤波器原系数如下图：对滤波器系数进行整数化操作，每个系数乘以2的15次方，即32768。如下图：在滤波过程中将结果右移15位，效果等同于除以2的15次方，如下图所示：DSP中整数操作和移位操作比浮点乘除法操作速度快很多。提高了效率。四、实验结果完整程序如下图所示：/*语音信号800HZ 19点FIR低通滤波C
9、语言浮点程序*Author: cao xin*Date: 15-04-09*/#include#include#define LENGTH 180#define FILTER_LEN 19#define SUCCESS 0/*语音帧长为180点=22.5ms8kHz采样*/void filter(int xin, int xout, int n, float h); /*滤波子程序说明*/*19点滤波器系数*/static float hFILTER_LEN = 0.01218354, -0.009012882, -0.02881839, -0.04743239, -0.04584568, -
10、0.008692503, 0.06446265, 0.1544655, 0.2289794, 0.257883, 0.2289794, 0.1544655, 0.06446265, -0.008692503, -0.04584568, -0.04743239, -0.02881839, -0.009012882, 0.01218354;static short x1LENGTH + FILTER_LEN - 1;static long long int h_tempFILTER_LEN;void filter(short xin, short xout, int n, long long in
11、t h_temp) int i,j; float sum = 0.0; long long int sum_temp; /*取180点的数据,x1起始点为x118,读入数据为indata*/ for(i = 0; i LENGTH; i+) x1n+i-1 = xini; /*滤波过程,时域卷积*/ for(i = 0; i LENGTH; i+) sum_temp = 0; for(j = 0; j 15; /除以2的15次方 xouti = (short)sum; /*截取尾部18个数据*/ for(i = 0; i (n-1); i+) x1n-i-2 = xinLENGTH-1-i;
12、/*主程序*/int main() int i; int fp_start = 44, fp_end; FILE *fp1, *fp2; char fname_in20 = d:bluesky1.wav; char fname_out20 = d:bluesky1_out.wav; int frame = 0; short indataLENGTH, outdataLENGTH; /*浮点转定点*/ for(i = 0 ; i 4000) printf(DATA OVERFLOWn); break; fcloseall(); getchar(); return 0;程序运行结果如下图：对音频文件的处理结果：输入文件为：bluesky1.wav输出文件为：bluesky1_out.wav使用cooledit观察频谱如下图所示：滤波处理前：滤波处理后：滤波处理前：滤波处理后：
