基于IIR的语音信号滤波器的设计

李奇英?彭森

摘 要：由于FIR数字滤波器设计较为复杂，成本较高，本文设计了一种IIR数字低通滤波器。IIR数字滤波器是借助于模拟滤波器的设计方法进行的，为了避免设计过程中由脉冲响应不变法带来的频谱混叠想象，本文通过采用双线性变换法进行设计。

关键词：MATLAB；频谱分析；IIR数字低通滤波器

1. 引言

语音信号的数字滤波就是利用快速傅里叶变换FFT对语音信号进行频谱分析，利用分析得到的指标设计数字滤波器，将不需要的部分通过设计好的数字滤波器滤除掉，以达到优化语音的目的。数字信号处理（简称DSP）是一门涉及多门学科并广泛应用于很多科学和工程领域的新兴学科。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行分析、采集、合成、变换、滤波、估算、压缩、识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。数字信号处理是以众多学科为理论基础，它所涉及的范围极其广泛。如数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、数字分析等都是数字信号处理的基础工具。它与网络理论、信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等密切相关。本文设计的是IIR数字低通滤波器，IIR数字滤波器幅频特性精度很高，不是线性相位的。在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，其设计工作量比较小，对计算工具的要求不高。由于对语音信号的延时效果没有限制。

2. 设计的方案

图1为本设计的总体方案图。本设计通过DSP处理器控制TLC320AD50采集音频信号，在CCS软件中分析音频信號的频谱图，使用Matlab设计相应的IIR数字滤波器（低通、带通或带阻等滤波器中的一种）并得到滤波器H（z）的系数，然后根据这些系数，编写DSP程序（C语言或汇编）对已采集信号进行处理，最后在CCS软件中得到处理后音频信号的频谱图，比较滤波前后信号的频谱图。其中语音信号的采集与回放是采用TLC320AD50芯片对语音信号进行A/D以及D/A转换，从而实现对语音信号的数字处理和语音回放；DSP芯片主要是将转化成数字信号的语音信号用DSP算法对其进行处理，并将处理后的信号送到输出端。

3. 系统仿真

IIR数字滤波器的设计可以利用模拟滤波器原型，借鉴成熟的滤波器的设计结果进行双线性变换，将模拟滤波器变换成满足预定指标的数字滤波器，即根据模拟设计理论设计出满足要求的传递函数H（s），然后将H（s）变换成数字滤波器的传递函数H（z）。

图2 为滤波前后频谱对比图。比较滤波前后语音信号的波形图、频谱图，可以得出结论：滤波前后语音信号几乎未变，回放信号的声音和原始信号的声音也几乎一致，这也说明本设计的滤波器是合理的，它能对所采集的语音信号进行高效滤波。

4. 结论

在用定点DSP器件设计数字滤波器时，一个重要的问题就是由于硬件字长精度有限，运算会出现溢出。IIR滤波器可以用较少的阶数获得很高的选择特性，所用的存储单元少、运算次数少，具经济、高效的特点。在相位要求不敏感的场合，如语音通信等，很适合用IIR滤波器。

参考文献

[1] 邹彦. DSP原理及应用[M].北京：电子工业出版社， 2005.

[2] 戴明桢.TMS320C54xDSP结构、原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社， 2001.

[3] 胡圣尧. DSP原理及应用[M].南京：东南大学出版社， 2008.

[4] 清源科技.TMS320C54xDSP应用程序设计教程[M]. 北京：机械工业出版社， 2004.

[5] 清源科技.TMS320C54x硬件开发教程[M]. 北京：机械工业出版社， 2003.

作者简介

李奇英（1993-），邵阳学院电子科学与技术专业学生。

通讯作者

彭森（1983-），邵阳学院信息工程系教师。