【正文】 .............. 1 Abstract............................................................ 2 1 緒言 ............................................................. ２ 課題背景 ................................................... ３ 課題研究的目的和意義 ....................................... ３ 國(guó)內(nèi)外概況 ................................................. ３ 2方案比較與論證 ................................................... ３ 方案一 ..................................................... ３ 語(yǔ)音編碼方案： ........................................ ３ A/D、 D/A 及存儲(chǔ)芯片的選擇 ............................. ４ 方案二 ..................................................... ５ 控制方式 .............................................. ５ 放大器及 A/D、 D/A 芯片的選擇 ........................... ５ 方案三 ..................................................... ５ 3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) ..................................................... ６ 4 電路設(shè)計(jì) ......................................................... ７ 拾音器 ..................................................... ７ 放大器的設(shè)計(jì) ............................................... ７ 有源帶通濾波器設(shè)計(jì) ......................................... ９ 可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) ....................................... １０ MCS— 51系列單片機(jī) ....................................... １１ D/A、 A/D 轉(zhuǎn)換器 .......................................... ２１ D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832 的介紹 ............................ ２１ A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574 介紹 ................................ ２２ 單片機(jī) AT89C51 和 AD574 的接口原理 ................... ２３ 存儲(chǔ)器的選取 ........................................ ２５ 5 軟件設(shè)計(jì) ....................................................... ２６ 6 總結(jié)與展望 ..................................................... ２８ 7 致 謝 .......................................................... ２９ 8 參考文獻(xiàn) ....................................................... ３０ 附錄 ............................................................. ３２ 緒言 本文闡述了數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的研究背景、現(xiàn)狀及發(fā)展方向，明確指出了傳統(tǒng)的語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的缺陷和面臨的問(wèn)題，以及數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展前景。 ３ 數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)，以微處理芯片為核心，具有語(yǔ)音可控、 回 放靈活、無(wú)磨損、可靠簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。因而在各類(lèi)公共設(shè)施、智能儀表、家用電子產(chǎn)品等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用 [1]。該系統(tǒng)目前有多種方案可以實(shí)現(xiàn)，其中采集成語(yǔ)音芯片是一種較簡(jiǎn)單通用的方案，但該方案智能性較差，如音量不能放大、錄音時(shí)間固定等。本系統(tǒng)采用另 外一種方案，以 AT89C51 單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一套可靈活實(shí)現(xiàn)錄、放音，音量自動(dòng)控制的新的語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)。 目前，廣為流傳的語(yǔ)音存儲(chǔ)手段為磁帶記錄， 其體積大、使用不便 ,在電子與信息處理的使用中受到許多限制。 所以數(shù)字化存儲(chǔ)方式是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。我們?cè)谶@里將語(yǔ)音信號(hào)的存儲(chǔ)建立在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，同時(shí)為了降低噪聲提高語(yǔ)音質(zhì)量和音量的穩(wěn)定性采用了帶通濾波器和自動(dòng)增益控制電路 [2]。 自從愛(ài)迪生 1877年 發(fā)明留聲機(jī)以來(lái)，音響技術(shù)已有百余年的發(fā)展歷史，這期間，記錄存儲(chǔ)各種 聲音的載體，傳輸與播放語(yǔ)音技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異。該系統(tǒng)采用單片機(jī)對(duì)錄音、放音、快進(jìn)、暫停等功能實(shí)現(xiàn)控制，用 DSP技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信息進(jìn)行處理，用 Flash ROM 技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，提高了語(yǔ)音的回放質(zhì)量和延長(zhǎng)了存儲(chǔ)時(shí)間，與盒式磁帶錄音機(jī)相比避免了機(jī)械傳動(dòng)噪音，音質(zhì)好，功耗低，具有時(shí)鐘功能，而且人機(jī)界面友好，又用中斷方式控制錄音、放音的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放的數(shù)字化 [3]。 2 方案比較與論證 語(yǔ)音編碼方案： 人耳能聽(tīng)到的聲音是一種頻率范圍為 20 Hz～ 20200 Hz ,而一般語(yǔ)音頻率最高為 3400 Hz。語(yǔ)音的采集是指語(yǔ)音聲波信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)和高頻放大器轉(zhuǎn)換成有一定幅度的模擬量電信號(hào) ,然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的全過(guò)程。根據(jù)“奈奎斯特采樣定理” , 采樣頻率必須大于模擬信號(hào)最高頻率的兩倍， 由于語(yǔ)音信號(hào)頻率為 300～ ４ 3 400 Hz ,所以把語(yǔ)音采集的采樣頻率定為 8 kHz。 從語(yǔ)音的存儲(chǔ)與壓縮率來(lái)考慮，模型參數(shù)表示法明顯優(yōu)于信號(hào)波形表示法 [4]。但要將之運(yùn)用于單片機(jī)，顯然信號(hào)波形表示法相對(duì)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。基于這種思路的算法，除了傳統(tǒng)的一些脈沖編碼調(diào)制外，目前已使用的有 VQ 技術(shù)及一些變換編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 但是算法復(fù)雜，目前的單片機(jī)速度底，難以實(shí)現(xiàn)。結(jié)合實(shí)際情況，提出以下幾種可實(shí)現(xiàn)的方案。 （ 1）短時(shí)平均跨零記數(shù)法 該方案通過(guò)確定信號(hào)跨零數(shù)，將語(yǔ)音信號(hào)編碼為數(shù)字信號(hào)，常用于語(yǔ)音識(shí)別中。但對(duì)于單片機(jī)，由于處理數(shù)據(jù)能力底，該方法不易實(shí)現(xiàn)。 （ 2）實(shí)時(shí)副值采樣法 采樣過(guò)程如圖 所示。 圖 采樣過(guò)程 具體實(shí)現(xiàn)包括直存取法、欠抽樣采樣法、自相似增量調(diào)制法等三種基本方法。其中第三種實(shí)現(xiàn)方法最具特色，該方法可使數(shù)據(jù)壓 1： ，既有 M? 調(diào)制的優(yōu) 點(diǎn)，又同時(shí)兼有 PCM 編碼誤差較小的優(yōu)點(diǎn)，編碼誤差不向后擴(kuò)散。 A/D、 D/A 及存儲(chǔ)芯片的選擇 單片機(jī)語(yǔ)音生成過(guò)程 ,可以看成是語(yǔ)音采集過(guò)程的逆過(guò)程 ,但又不是原封不動(dòng)地恢復(fù)原來(lái)的語(yǔ)音 ,而是對(duì)原來(lái)語(yǔ)音的可控制、可重組的實(shí)時(shí)恢復(fù)。在放音時(shí) ,只要依原先的采樣直經(jīng) D/ A 接口處理 ,便可使原音重現(xiàn)。 （ 1） A/D 轉(zhuǎn)換芯片的選擇 根據(jù)題目要求采樣頻率 fs=8KHZ，字長(zhǎng) =8位，可選擇轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò) 125181。s 的八位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。目前常用的 A/D 轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的方法有 多種，鑒于轉(zhuǎn)換速度的要求，我們采用 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 AD574。該芯片是高速 12 位逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的 A/D 轉(zhuǎn)換 [5]。 （ 2） D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇 D/A 轉(zhuǎn)換芯片的作用是將存儲(chǔ)的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬語(yǔ)音信號(hào)，由于一般的模擬轉(zhuǎn)換器都能達(dá)到 1μ s 的轉(zhuǎn)換速率，足夠滿(mǎn)足題目的要求，故我們?cè)诖诉x用了通用 D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832。 （ 3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選擇 當(dāng)采樣頻率? s=8KHZ，字長(zhǎng)為 8 位時(shí)，一秒鐘的語(yǔ)音需要 8K字節(jié)的存儲(chǔ)空間，則存儲(chǔ)器至少需要有 80k8? 容量。在這里我們選用閃速存儲(chǔ)器 AT29C040 作為存儲(chǔ)器，一片該芯片可存儲(chǔ) 60 秒鐘的語(yǔ)言。 抽樣 量化 存儲(chǔ) ５ 系統(tǒng)采用 MCS51系列單片機(jī)，擴(kuò)展 256kB 的外部 RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（采用分頁(yè)存儲(chǔ)技術(shù)），采用 DPCM 方式壓縮數(shù)據(jù)，另外采用了兩只立體聲話(huà)筒作輸入，經(jīng)差分放大，用性能良好的五階契比雪夫帶通濾波器，及 ? ? ? ?ss ffff /s in// ?? 校正電 路的使用 [6]。 控制方式 控制器采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)人機(jī)界面好，并且具有一定的可編程能力 對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)（最高頻率約為 ， 8kHz 采樣頻率）， 6MHz 晶振頻率的 8031以足以勝任（每個(gè)采樣周期 125 s? ，相當(dāng)于 125/2=62 個(gè)機(jī)器周期，平均執(zhí)行 31條指令）。 放大器及 A/D、 D/A 芯片的選擇 為減少系統(tǒng)噪音電平，增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，防止阻塞失真等，本放大器中設(shè)置自動(dòng)增益控制電路。其有模擬和數(shù)字兩種實(shí)現(xiàn)方式。數(shù)字式精度高，控制范 圍大但比模擬試復(fù)雜，因此本方案采用傳統(tǒng)的模擬試 AGC 來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用 TDA2030A作為功率放大可驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲，并具有一定的功率余量 [7]。 A/D,D/A 及存儲(chǔ)芯片的選擇：由于題目要求語(yǔ)音信號(hào)的最高頻率為 4kHz，根據(jù)Nyquist 定理，采樣頻率取 sf =8kHz（周期 ST =125 s? ） ,即可無(wú)失真的恢復(fù)原語(yǔ)音。在無(wú)特殊要求下，字長(zhǎng)選取八位即可，但考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性所以采用了轉(zhuǎn)換時(shí)間為 此 35 s? 的 AD574。根據(jù)同樣的分析，變換頻率選取 8kHz，采用DAC0832。存儲(chǔ)器采用 256Kb RAM 可用 628256 實(shí)現(xiàn)。 該方案以單片機(jī) 8031 為核心器件，以 128kBRAM 陣列為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 8031的典型時(shí)鐘為 6MHz 指令周期為 8~2 s? 可以在要求的 125 s? 采樣間隔執(zhí)行系統(tǒng)工作還可同時(shí)對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字語(yǔ)音信 號(hào)進(jìn)行增量調(diào)制 ? ?M? 或差分脈碼調(diào)制 ? ?DPCM [8]。 M? 和 DPCM 是兩種語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)，可分別將語(yǔ)音速率由 ６ 64kb/s 壓縮到 8kb/s 和 32kb/s。另外，為加長(zhǎng)錄音與回放時(shí)間，我們利用四片622526 組成 RAM 陣列，借助 8031 的 P1 口參與地址選擇，采用分頁(yè)存儲(chǔ)模式，可將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間擴(kuò)展至 128kB，以 128kB 空間存儲(chǔ) PCM 碼、 M? 和 DPCM碼，語(yǔ)音回放時(shí)間可達(dá) 16s、 32s和 128s，達(dá)到題目要求。 以上三種方案均有其可取和不足之處，考慮到其易行性、簡(jiǎn)便性等多種因素決定采取第一種方案。 3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)的基本思想是通過(guò)拾音器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器放大，然后通過(guò)帶通濾波器濾波，模擬語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換（ A/D）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)單片機(jī)控制將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出，然后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換（ D/A）轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)放大再揚(yáng)聲器或耳機(jī)上輸出。 整個(gè)系統(tǒng)框架圖如圖 所示： 圖 整 體框圖 系統(tǒng)組成如圖所示 ,由輸入通道、 AT89C51 單片機(jī)和輸出通道三部分組成。輸入通道部分由拾音器、前置放大電路和帶通濾波器組成；輸出通道由帶通濾波器、后級(jí)放大電路組成 [9]。拾音器輸出的毫伏信號(hào)實(shí)測(cè)其范圍約為 20~25mV，此電信號(hào)太小不能夠進(jìn)行采樣，后級(jí) A/D 轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為 0~5V，語(yǔ)音信號(hào)的范圍與采樣范圍的比較得出放大器的放大倍數(shù)應(yīng)為 200 倍左右，此處將信號(hào)通過(guò)一增益為 46dB 的放大器，將其放大到伏特量級(jí)，輸出級(jí)放大電路亦采用這種電路，兩級(jí)放大電路都采用增益可調(diào)的典型電路?？紤]到語(yǔ)音 信號(hào)的固有特點(diǎn)，將低于 300Hz 和高于 的分量濾掉后語(yǔ)音質(zhì)量仍然良好。此處將其通過(guò)一增益為 46dB 的放大器，因此，將帶通濾波器設(shè)計(jì)為典型的 300Hz~,輸出級(jí)帶通濾波器亦為 300Hz~,這樣既可濾掉低頻分量又可濾掉 D/A轉(zhuǎn)換帶來(lái)A/D 轉(zhuǎn)換電路 帶通濾 波器 D/A 轉(zhuǎn)換電路 帶通濾波器 輸出放大器 耳機(jī) 電源電路 89C51 單 片 機(jī) 鍵盤(pán)設(shè)定 存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)顯示 增益放大器 拾音器 ７ 的高頻分量，很好的濾除掉噪聲。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理知欲使采樣信號(hào)無(wú)失真，抽樣頻率最低為 ，考慮到留有一定的余地，這樣就足夠保證語(yǔ)音質(zhì)量。經(jīng)量化后，微處理器將數(shù)據(jù)存到處理器，