數(shù)字語音擾頻和解擾綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及DSP實(shí)現(xiàn)

徐望明

數(shù)字語音擾頻和解擾綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及DSP實(shí)現(xiàn)

徐望明

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

設(shè)計(jì)了“DSP原理與應(yīng)用”課程的一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)案例：運(yùn)用數(shù)字濾波和幅度調(diào)制（AM）原理，在DSP開發(fā)平臺上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)針對數(shù)字語音信號的擾頻器和解擾器。整個(gè)設(shè)計(jì)利用Matlab和CCS開發(fā)平臺完成，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證。通過該綜合性實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生綜合運(yùn)用信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和通信原理等課程的知識解決實(shí)際問題，得到信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試等綜合能力的訓(xùn)練。

綜合性實(shí)驗(yàn)；DSP原理與應(yīng)用；擾頻/解擾；數(shù)字濾波；幅度調(diào)制

綜合性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生具有一定基礎(chǔ)知識和基本操作技能基礎(chǔ)上，運(yùn)用某一門課程和相關(guān)課程的綜合知識，對學(xué)生進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合式實(shí)驗(yàn)，其訓(xùn)練內(nèi)容包含多個(gè)知識點(diǎn)或涉及多項(xiàng)技術(shù)，目的是綜合培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動手能力、數(shù)據(jù)處理能力、資料查閱能力和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析能力。“DSP原理與應(yīng)用”課程是電子信息類專業(yè)在高年級開設(shè)的一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課程。該課程突出信號處理基礎(chǔ)理論（算法）和具體應(yīng)用實(shí)例的工程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，DSP技術(shù)發(fā)展迅速，且DSP芯片具有處理速率高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用十分廣泛[1]。由于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)涉及的知識點(diǎn)常與多門專業(yè)課程知識相關(guān)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合設(shè)計(jì)相應(yīng)的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目供學(xué)生研究學(xué)習(xí)。這對提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力大有裨益。

日常生活中，基于DSP技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)非常多，其中一個(gè)典型的例子就是信號擾頻與解擾器。比如，在電話或?qū)χv機(jī)中配置擾頻/解擾器，就可防止私人電話被竊聽[2-3]；在付費(fèi)有線電視系統(tǒng)中應(yīng)用擾頻/解擾器，就可對用戶進(jìn)行收視質(zhì)量限制[4]，從而促使欠費(fèi)用戶繳費(fèi)或讓未付費(fèi)用戶無法正常觀看。

本文以此為應(yīng)用背景，結(jié)合我校“DSP原理與應(yīng)用”課程教學(xué)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，以數(shù)字語音信號擾頻與解擾為案例，設(shè)計(jì)相應(yīng)的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。主要綜合了信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和通信原理等相關(guān)專業(yè)課程的理論知識，并利用Matlab作為輔助設(shè)計(jì)工具，利用DSP集成開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio（CCS）具體實(shí)現(xiàn)對數(shù)字語音信號進(jìn)行加擾和解擾的處理效果。

1 語音信號擾頻和解擾的原理

語音信號擾頻和解擾的原理可以在模擬域進(jìn)行分析。

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)案例通過“頻譜倒置”方法實(shí)現(xiàn)語音擾頻的目的，即將輸入語音信號頻譜的高頻部分變?yōu)榈皖l部分，低頻部分變?yōu)楦哳l部分，并通過低通濾波器濾掉上邊帶信號，只傳輸下邊帶信號。下邊帶信號頻譜正是原始語音信號頻譜倒置的結(jié)果。解擾作為擾頻的逆過程，原理是一樣的，即擾頻后的語音信號再經(jīng)過一次同樣的頻譜搬移和濾波處理后，就可還原得到原來輸入的語音信號。

由于所研究的語音信號的頻率范圍為0.3~3 kHz，不難通過理論分析計(jì)算出載波的頻率選擇應(yīng)為3.3 kHz。為了實(shí)驗(yàn)仿真的方便，本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)案例中對語音信號擾頻與解擾的實(shí)現(xiàn)都是在數(shù)字域進(jìn)行的，即假設(shè)原始模擬的語音信號（設(shè)頻帶范圍為0.3~ 3 kHz）已經(jīng)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器成為數(shù)字信號。因此，只要經(jīng)過一個(gè)低通濾波器（截止頻率為3 kHz）將其頻率限制在通帶范圍之內(nèi)，同時(shí)利用一個(gè)正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦載波（3.3 kHz）與濾波后的信號相乘，便可實(shí)現(xiàn)語音信號的頻譜搬移。這時(shí)信號的頻譜被搬移到上邊帶3.6~6.3 kHz和下邊帶0.3~3 kHz，然后再通過一個(gè)截止頻率為3 kHz的低通濾波器濾去上邊帶信號，留下作為輸出的下邊帶信號，該下邊信號正是原始信號頻譜倒置的結(jié)果，即為數(shù)字?jǐn)_頻信號。

如前所述，語音解擾的原理和語音擾頻相同，等同于再一次的擾頻。基于以上工作原理，語音擾頻器/解擾器的工作原理如圖1所示。

圖1 語音擾頻器/解擾器工作原理圖

可見，本實(shí)驗(yàn)案例中，主要是利用信號濾波和AM調(diào)制的基本原理來實(shí)現(xiàn)語音擾頻與解擾的功能，涉及信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和通信原理等專業(yè)課程基礎(chǔ)知識。

2 數(shù)字語音擾頻器/解擾器的DSP實(shí)現(xiàn)

2.1 低通濾波器設(shè)計(jì)

數(shù)字濾波器[7]是DSP最廣為人知的應(yīng)用。濾波器特性可以由通帶波紋、阻帶波紋、通帶截止頻率及阻帶截止頻率等參數(shù)決定。在設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時(shí)，必須根據(jù)這些參數(shù)來確定濾波器系數(shù)，可借助Matlab軟件或?qū)ｉT的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)軟件來完成[8-9]。對于DSP來說，低通、高通、帶通、帶阻濾波器實(shí)現(xiàn)程序大致相同，區(qū)別只在于濾波系數(shù)不同。實(shí)驗(yàn)案例中，F(xiàn)IR和IIR濾波器都可以滿足要求，本文以FIR濾波器設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明。

Matlab軟件的數(shù)字信號處理工具箱提供了很多用于數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)和分析的內(nèi)部函數(shù)，可以通過編程方式來輔助設(shè)計(jì)；也提供了具有圖形用戶界面（GUI）的交互式數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)和分析工具，可以直觀方便地輔助設(shè)計(jì)，本文使用的是其中的FDATool。FDATool具有一個(gè)交互式的GUI，允許用戶指定以下濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)：

（1）濾波器類型可選擇，如低通、高通、帶通、帶阻、多頻帶、升余弦等；

（2）濾波器設(shè)計(jì)方法可指定，如設(shè)計(jì)FIR濾波器的等波紋法、最小平方法和加窗法等；

（3）濾波器階數(shù)可由用戶指定，也可以是由濾波器設(shè)計(jì)方法自動確定的最小階數(shù)；

（4）窗口技術(shù)要求僅可用于采用傅里葉方法的FIR濾波器設(shè)計(jì)，有16種窗口供選擇；

（6）幅度技術(shù)要求可以是通帶波紋和阻帶波紋，單位可以為線性單位或dB。

圖2 利用Matlab的FDATool設(shè)計(jì)的FIR低通濾波器界面

用C語言編寫濾波程序并不難，利用任何一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)這種乘加運(yùn)算。本實(shí)驗(yàn)案例中，給出濾波函數(shù)的聲明如下，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識編寫完整的函數(shù)體：

int filter(int input,int *buf, int *lpcoefs) ; //濾波，函數(shù)聲明，待實(shí)現(xiàn)

2.2 載波信號的產(chǎn)生

在數(shù)字信號處理中，經(jīng)常使用到正弦信號[10]。通常的方法是查表法，即將某個(gè)頻率的正弦值預(yù)先計(jì)算出來后制成一個(gè)表，DSP工作時(shí)僅作查表運(yùn)算即可，主要用于精度要求不是很高的場合。若精度要求高，表就很大，需要的存儲容量也要增大，此時(shí)可采用迭代法。我校開設(shè)的“DSP原理與應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)中有一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使用了迭代法產(chǎn)生正弦信號，可直接用于本實(shí)驗(yàn)案例。

2.3 信號幅度調(diào)制（AM）的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)對語音信號的擾頻或解擾功能，使用幅度調(diào)制（AM）方法。幅度調(diào)制是用調(diào)制信號去控制高頻正弦載波的幅度，使其按調(diào)制信號的規(guī)律變化的過程。對于幅度調(diào)制信號，在波形上，它的幅度隨基帶信號規(guī)律而變化；在頻譜結(jié)構(gòu)上，它的頻譜完全是基帶信號頻譜在頻域內(nèi)的簡單搬移[5-6]。在用DSP編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，調(diào)制信號是輸入的數(shù)字語音信號，高頻正弦載波是利用查表法產(chǎn)生的正弦數(shù)據(jù)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)方案中信號的相關(guān)參數(shù)，將它們進(jìn)行簡單的乘法運(yùn)算，根據(jù)傅里葉分析的原理，就可實(shí)現(xiàn)頻譜搬移。再通過一個(gè)截止頻率為3 kHz的低通濾波器濾去調(diào)制后的上邊帶信號，留下的下邊帶信號正是原始信號頻譜倒置的結(jié)果，其輸出信號即為數(shù)字?jǐn)_頻或解擾信號。

這部分相應(yīng)的C語言程序也不難實(shí)現(xiàn)，函數(shù)聲明如下，實(shí)驗(yàn)時(shí)讓學(xué)生完成具體函數(shù)體的編寫：

int am_mod(int input, int *sine); // AM調(diào)制，函數(shù)聲明，待實(shí)現(xiàn)

2.4 語音擾頻器/解擾器的實(shí)現(xiàn)

一旦學(xué)生理解了以上基本模塊的原理及實(shí)現(xiàn)方法，再根據(jù)圖1所示的語音擾頻器/解擾器的工作原理圖，按照“濾波—調(diào)制—濾波”的順序組合以上函數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)擾頻或解擾功能。這也可以通過如下子函數(shù)進(jìn)行聲明，讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)一起實(shí)現(xiàn)：

int filtmodfilt(int input); //濾波-調(diào)制-濾波（擾頻或解擾子程序），函數(shù)聲明，待實(shí)現(xiàn)

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)案例中用C語言編寫的主程序（用于實(shí)現(xiàn)擾頻，解擾與此類似）如圖3所示。程序中，注釋為“待實(shí)現(xiàn)”的3個(gè)子函數(shù)以及輸入測試數(shù)據(jù)的初始化工作要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上補(bǔ)充完成。

圖3 實(shí)驗(yàn)主程序

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)可使用TI公司的TMS320C54系列或其他系列的SDK開發(fā)板或?qū)嶒?yàn)箱進(jìn)行，支持軟件仿真（Simulator）和硬件仿真（Emulator）。TI公司提供了功能強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境Code Compsor Studio（CCS），可以完成源程序的編寫、編譯、調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等工作。

為了便于測試和驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以將設(shè)定頻率的周期信號數(shù)據(jù)作為擾頻器的輸入，保存在數(shù)組input_signal[M]中，程序運(yùn)行時(shí)不斷讀入其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了便于觀察，處理結(jié)果相應(yīng)地保存在數(shù)組output_signal中。通過CCS提供的圖形顯示功能，可以查看程序運(yùn)行時(shí)輸入、輸出的頻譜圖和時(shí)域波形圖，觀察信號擾頻和解擾的效果。

以借助Matlab準(zhǔn)備好的0.8 kHz的余弦序列（采樣頻率16 kHz，取一個(gè)周期的20個(gè)采樣數(shù)據(jù)）作為輸入信號為例，即input_signal初始化為：

static int input_signal[20] = {1000, 951,809,587, 309,0,–309,–587,–809,–951,–1000,–951,–809,–587,–309, 0,309,587,809, 951}; //0.8kHz input signal with fs= 16 kHz

此時(shí)，語音擾頻器工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)效果如圖4所示，上排是輸入余弦序列的頻譜圖和時(shí)域波形圖，下排是受擾后輸出序列的頻譜圖和時(shí)域波形圖。

圖4 語音擾頻實(shí)驗(yàn)效果

對于輸入數(shù)據(jù)是頻率為0.8 kHz的余弦信號，經(jīng)過AM調(diào)制后，得到雙邊帶輸出信號,其中上邊帶信號頻率為4.1 kHz（即3.3 kHz+0.8 kHz），因其大于3 kHz而被后續(xù)的低通濾波器濾掉了，保留的下邊帶信號頻率為2.5 kHz（即3.3 kHz–0.8 kHz），與圖4中顯示的結(jié)果一致。

如果再將上述擾頻器的輸出信號作為新的輸入信號，重新運(yùn)行程序，即可實(shí)現(xiàn)對信號的解擾，得到原來輸入的余弦信號。語音解擾器工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)效果如圖5所示。

圖5 語音解擾實(shí)驗(yàn)效果

此時(shí)的輸入信號頻率為2.5 kHz，得到的輸出信號也是雙邊帶信號，其中上邊帶信號的頻率為6.8 kHz（即3.3 kHz+2.5 kHz），因其大于3 kHz而被后續(xù)的低通濾波器濾掉了，保留的下邊帶信號的頻率為0.8 kHz（即3.3 kHz–2.5 kHz），正好是進(jìn)行擾頻前的輸入余弦信號，成功實(shí)現(xiàn)解擾功能。

4 結(jié)語

利用我校DSP實(shí)驗(yàn)室的已有設(shè)備和條件，通過前期基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生掌握DSP芯片特點(diǎn)、功能和軟件開發(fā)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)，開發(fā)了數(shù)字語音擾頻和解擾綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)案例基于DSP硬件開發(fā)平臺，將Matlab輔助設(shè)計(jì)和CCS 軟件開發(fā)調(diào)試工具相結(jié)合，對培養(yǎng)學(xué)生的DSP綜合設(shè)計(jì)能力很有好處[11]。另外，該實(shí)驗(yàn)案例把語音擾頻與解擾的原理、方法與應(yīng)用三者有機(jī)結(jié)合并融匯在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，通過綜合性實(shí)驗(yàn)將數(shù)字信號處理及其相關(guān)專業(yè)課理論緊密聯(lián)系實(shí)際加以運(yùn)用，不僅有利于學(xué)生掌握方法與技能，而且能夠促使學(xué)生把知識轉(zhuǎn)化為能力，從而從根本上提高教學(xué)質(zhì)量和 效果。

學(xué)生可以在此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基礎(chǔ)上對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)一步拓展，例如：嘗試使用不同的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法，使用不同的載波產(chǎn)生方法，使用不同的信號調(diào)制方法，并進(jìn)行對比；也可開發(fā)通用的帶限信號擾頻和解擾實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；還可結(jié)合具體的DSP開發(fā)板或?qū)嶒?yàn)箱，利用麥克風(fēng)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路、揚(yáng)聲器等實(shí)現(xiàn)真實(shí)的模擬語音擾頻和解擾功能。此外，學(xué)生也可以根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)方法，自行研發(fā)其他綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，用于進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生理論應(yīng)用、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào)試等綜合能力[12]。

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Design of comprehensive experiment and DSP realization of digital voice scrambling and descrambling

XU Wangming

(School of Information Science and Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

A comprehensive experiment case of the “Principles and applications of DSP (Digital Signal Processing)” course is designed. A scrambler and a de-scrambler for digital speech signal are designed and realized on the platform of DSP development based on the principles of digital filtering and amplitude modulation (AM). The whole design is completed by using the development platform of Matlab and CCS, and the experimental verification is carried out. Through this comprehensive experiment, students can use the knowledge of signal and system, digital signal processing and communication principle to solve practical problems, and get the training of comprehensive ability of signal processing system design and experiment debugging.

comprehensive experiment; DSP; scrambling/descrambling; digital filtering; amplitude modulation

TP391；G642.423

A

1002-4956(2019)10-0163-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.039

2019-02-26

武漢科技大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)專項(xiàng)（2014Z034）

徐望明（1979—），男，湖北武漢，博士，高級工程師/高級實(shí)驗(yàn)師，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾盘柼幚?、模式識別。E-mail: xuwangming@wust.edu.cn