基于DSP的数字音频系统

基于DSP的数字音频系统

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摘要：随着数字化的发展，信号的处理更加追求用数字化的方式，数字信号相对于模拟信号有更多的优势，解决了模拟处理方法所不能解决的问题，本文综述DSP技术在数字音频领域的应用。简单介绍音频系统的组成，介绍FIR数字滤波器的设计方法.

关键词：dsp，FIR，MATLAB

1、模拟信号与数字信号

近几年，数字化几乎涉及到人类的方方面面——数字化信息系统、数字化交通系统、数字化图书馆、数字化家电等，数字化带来的优质服务为人们的生活带来极大地便利。

过去，人们通过模拟的方式来处理信号，但这种方法有很多缺陷：设计好后改动困难，缺少灵活性；由于用硬件的方式实现，精确地受仪器的限制；易受环境的影响，如湿度、天气等，往往在不同的环境下表现出不同的性能；不便于大规模集成。

为克服这些，出现了数字信号处理（DSP）的方法。数字信号处理系统有很多优点：精度高、灵活性高、可靠性强、便于大规模集成、时分复用、可获得高性能指标、可二维或多维处理等。这些突出特点，使得它在通信、语音、雷达、地震测报、声呐、遥感、生物医学、电视、仪器中得到越来越多的应用。

2、音频信号的数字化

2.1概述

传统的模拟录音技术是把各种声音、音乐转换成模拟电压信号，通过录音机等设备录音，把模拟电压信号转换为磁信号记录在磁性媒介上。重放时，可以通过放音设备等设备把磁信号重新变为模拟电压信号，通过功率放大器推动扬声器来重现声音。但模拟磁性录音性能受电磁性的影响较大，模拟电压信号在放大和传输过程中会受到各种噪声和干扰的影响等等，这些都会影响音质。

数字音频技术是指把模拟声音信号通过采样、量化和编码过程转换成数字信号，然后再进行记录、传输以及其他加工处理；在重放时再将这些记录的数字音频信号还原为模拟信号，获得连续的声音。模拟信号在时间和幅度上都是连续的，幅度的微小变化都会引起声音质量的变化。而数字音频技术是通过把模拟信号进行时间上的离散化和幅度上的量化处理以后，变为一连串数字信号加以存储或传输。理论上除了把模拟信号转变为数字信号的数字化过程和把数字信号重新还原为模拟信号的过程会引入一些误差以外，在对数字信号的存储和传输过程中不会引起音质的变化，这是越来越多采用数字音频技术的主要原因之一。计算机的飞速发展也促进了数字音频技术的广泛应用。

2.2 音频信号数字化的方法及原理

信号的数字化就是将连续变化的模拟信号转换成离散的数字信号，一般需要采样、量化

0,1,,(1)/2

()(1),1,,(/2)1

n N h n h N n n o N =⋯-⎧=--⎨

=⋯-⎩0,1,,(1)/2

()(1)0,1,,(/2)1

n N h n h N n n N =⋯-⎧=---⎨

=⋯-⎩和编码三个步骤，如图（1）所示

（1）音频信号的数字化

采样是指每隔一定的时间间隔，抽取信号的一个数十幅度值（样本值）。根据奈奎斯特采样定理，只要采样频率ƒs 大于或等于被采样信号的最高频率ƒm 的两倍，就可以通过理想的低通滤波器，无失真地恢复出原始信号，即在时间上离散的信号包含有离散前模拟信号的全部信息。

量化就是对采样值进行量化的过程。采样把模拟信号变成了时间上了离散的样值序列，但每个样值的幅度仍然是个连续的模拟量，因此必须对其进行离散化处理，将其转化为有限个离散值，才能最终用数码来表示其幅值。

编码是将采样、量化后的信号转换成数字编码脉冲。具体来说就是用n 比特的二进制码来表示已经量化了的样值，每个二进制数对应一个量化电平，然后把它们排列，得到由二进制脉冲串组成的数字信息流。显然，采样频率越高，量化比特数越大，数码率就越高，所需的传输带宽就越宽。

3、FIR 数字滤波器的设计技术

3.1 概述

数字滤波器是对数字信号进行滤波处理以得到期望的响应特性的离散时间系统，它实际上是一个系统或网络，它以一种期望的模式有选择地改变信号的波形、幅度-频率还有相位响应。一般的数字滤波器的目的是为了改善一个信号的质量，或者从信号提取信息，或者把为了有效利用通信信道而组合在一起的两个或者多个信号分离出来。

在数字音频信号处理中，有两种类型的数字滤波器：一种是FIR ，有限冲击响应数字滤波器，一种是IIR ，无限冲击响应数字滤波器。在基本形式上，每一种数字滤波器都可以用它的冲击响应序列来表示。这里主要介绍FIR 数字滤波器。

精确的线性相位响应是FIR 有限长度脉冲响应滤波器最重要的特征之一，根据不同的相位延迟和群延迟，线性相位FIR 滤波器可分为四种类型:其中两种是脉冲响应序列正对称，滤波器的阶数为偶数或者奇数，脉冲响应序列元素之间的关系式:

另外两种情况是脉冲响应序列反对称，滤波器的阶数为偶数或者奇数，脉冲响应序列元素之间的关系式：

3.2 FIR 数字滤波器性能规范参数

当设计FIR 滤波器时，要用一些参数指标来控制滤波器的性能，使得设计的FIR 数字滤波器满足所期望的性能规范。下面是设计FIR 数字滤波器时常用到的一些性能控制指标。

在多数情况下，上面这些性能控制指标完全定义了FIR 数字滤波器的性能规范。但通常在FIR 数字滤波器性能规范中，还用到了用峰值通带波纹和阻带衰减两个性能控制指标，其公式分别如下:

20log()

20log(1)

s s p p A A δδ=-=+

从上面的公式和滤波器的原理可知，阻带衰减越大越好，峰值通带波纹越小越好。但是往往理想的状态是无法达到的，因此一般给出波纹和最小带衰减性能控制指标。

3.3 FIR 数字滤波器的实现结构

实现结构是把一个滤波器的传递函数转换成一个合适的滤波器结构。FIR 滤波器的常用实现结构有直接型结构、频率抽样结构和快速卷积结构等，其中广泛应用的是直接型结构，这种形式的FIR 有时也称为多抽样延迟线或者横向滤波器。

这三种结构的各自的优点是:直接型结构实现简单;频率抽样结构可以更高效地计算，但是它实现起来比较复杂而且要求更大的存储空间;快速卷积结构利用了快速傅立叶变换的优势，能对信号的功率谱也做相应的要求。

下面是FIR 滤波器三种实现结构图:

（2）FIR 滤波器直接型实现结构图