【正文】 聲是均勻分布在 0fs/2的頻帶中，另外量化噪聲的振幅為常數(shù)，它等于△，不隨信號大小而改變，因而當(dāng)信號很大時，系統(tǒng)的信噪比很高。非均勻量化在信號幅度小的時候，量化階梯高度也小，信噪比可以較好。以二進(jìn)制量化時，位數(shù)越多，量化階梯數(shù)也就越多，16位的量化階梯數(shù)為65536個，量化誤差己很小。采用二進(jìn)制時的有效位數(shù)稱為比特數(shù)或位數(shù)，在進(jìn)行舍入運(yùn)算的過程中會產(chǎn)生舍入誤差。5) 取樣產(chǎn)生的孔徑效應(yīng)取樣定理所敘述的由取樣的PAM 信號可以完全恢復(fù)原模擬信號是有條件的，即取樣脈沖的寬度( 即脈沖所占時間)應(yīng)為無限小，但實(shí)際的取樣脈沖都有一定的寬度，這就會使恢復(fù)的模擬信號的高頻特性產(chǎn)生失真，這種效應(yīng)稱為孔徑效應(yīng)。如果取樣頻率小于信號最高頻率的兩倍，或信號的實(shí)際最高頻率超過了f ，則會產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，以后就無法將原h(huán)信號復(fù)原，并且出現(xiàn)混疊噪聲。（2）取樣頻率取樣頻率的選取應(yīng)考慮以下兩點(diǎn):1）聲頻信號的最高頻率。防混疊低通濾波器取樣/保持A/D 變換器交織 糾錯碼處理模擬聲頻信號數(shù)字音頻信號 記錄圖 21 數(shù)字錄音系統(tǒng)圖模擬恢復(fù)低通濾波器 窗口 電路D/A變換器糾錯碼處理 反交織 重放數(shù)字聲頻信號模擬聲頻信號圖 22 數(shù)字放音系統(tǒng)圖放音錄音 語音信號的數(shù)字化將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，需經(jīng)過取樣、量化和編碼三個步驟。（1） 數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)(取樣頻率、量化比特數(shù))確定以后，性能的界限也就確定了，性能是穩(wěn)定的。（4） 驅(qū)動、轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)的不穩(wěn)定會造成抖晃。時間和幅度都不連續(xù)的信號是數(shù)字信號。掩蔽效應(yīng)對數(shù)字音頻編碼起到重要作用。紊亂斷續(xù)或統(tǒng)計(jì)上隨機(jī)的聲音稱為噪聲，對于不需要的聲音也稱為噪聲。聲音在1秒間所傳播的距離稱為聲速c，單位是米/秒(m/s)，在室溫下，1個大氣壓的空氣中，聲速約為340m/，所發(fā)出的聲波也是做同樣的周期性振動，聲源或聲波每秒鐘內(nèi)的振動次數(shù)稱為聲音的頻率f，單位是赫茲Hz，人耳能聽到的聲音頻率范圍是2OHz20kHz。因此聲波是疏密波，也稱為縱波。對語音的采集、處理從以前簡單的波形編碼轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)行參數(shù)編碼、壓縮，從而大大減少了存儲數(shù)據(jù)。例如監(jiān)控環(huán)境中使用的語音采集系統(tǒng)；再如家庭或?qū)W校中使用的語音復(fù)讀機(jī)等，都可看作是數(shù)字語音錄放系統(tǒng)的典型應(yīng)用。第 1 章 緒論 導(dǎo)言目前基于單片微機(jī)的語音系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，如電腦語音鐘、語音型數(shù)字萬用表、手機(jī)話費(fèi)查詢系統(tǒng)、排隊(duì)機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)語音報警以及公共汽車報站器等等。采用數(shù)字錄音技術(shù)，有較高的效率和自動化程度，錄音時間也長，并可將信息長期保存于存儲介質(zhì)中，同時對語音信息進(jìn)行編輯整理非常方便，可快速查找。 系統(tǒng)硬件電路簡單，調(diào)試方便，性價比高，實(shí)用性強(qiáng)。本文采用單片機(jī) AT89C52 與語音芯片 ISD2560 組成的語音存儲系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了語音的錄取、回放，同時使用 Matlab 軟件進(jìn)行濾波和頻譜分析，可實(shí)現(xiàn)簡單的語音錄放功能，且輸出語音信號音質(zhì)較好。數(shù)字語音錄放系統(tǒng)是將現(xiàn)場的語音模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號，然后存儲在一定的存儲介質(zhì)上的一種錄音方式，它也是數(shù)字語音處理技術(shù)中常用的一種方式。而嵌入式系統(tǒng)的體積小，供電方便，造價低，穩(wěn)定性也高，所以得到了廣泛的應(yīng)用。相對于模擬設(shè)備來說，數(shù)字設(shè)備易于集成、小型化、成本更低，同時更為穩(wěn)定，且操作更為直接、方便，使得數(shù)字語音錄放系統(tǒng)目前在各種領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。 近年來，語音信號處理技術(shù)研究的突飛猛進(jìn)，為數(shù)字語音錄放系統(tǒng)提供了新的發(fā)展空間。在空氣中，聲源的振動會使周圍的空氣質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生一定的疏密變化，并以一定的速度傳播出去形成聲波。人耳剛好能聽到的聲壓約為210 5Pa，在房間中大聲說話，~。人耳能感覺到的聲振動約在20Hz20kHz之間，稱為可聽聲。由于第一個聲音存在而使第二個聲音提高的現(xiàn)象稱為掩蔽效應(yīng)。幅度連續(xù)而時間不連續(xù)的信號是脈沖幅度(PAM)調(diào)制信號。（3） 錄音磁頭、放音磁頭等呈現(xiàn)的非線性會使記錄的信號也呈現(xiàn)非線性。數(shù)字錄音具有下列優(yōu)占。（4） 驅(qū)動、轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的不穩(wěn)定，由于時鐘脈沖信號和存儲器的作用，不會造成晃。根據(jù)取樣定理，當(dāng)取樣頻率f s為被取樣信號最高頻率f h的兩倍時，則被取樣信號可以被恢復(fù)，即f s≥2fh。3) 混疊的防止經(jīng)過取樣后，原信號的頻譜分布要有改變。由于 A/D變換器的轉(zhuǎn)換需要一定時間才能完成，而輸入的模擬信號是不斷變化的，因此取樣值必須保持一定時間。在數(shù)字語音技術(shù)中，我們采用二進(jìn)制表示一個數(shù)，即用“1”“0”來表示一個數(shù)，逢2進(jìn)1，用電路的接通和斷開即可實(shí)現(xiàn)。量化階 梯數(shù)，或量化級數(shù)，是指量化所能取值的數(shù)目。信號幅度小時，信噪比低，噪聲較明顯。2量化噪聲 222022MNVd????? （）當(dāng)聲噪信號為正弦波時，并且峰峰值為 1，則在單位負(fù)載上的功率S 為? ()于是，可以算出以dB表示的信噪比為 ()??可見，量化比特數(shù)M越大，信噪比越好。量化噪聲隨量化比特數(shù)增大而相應(yīng)減小，但不能減為零。理論上將與量化階梯高度v相等的均勻分布的高頻抖動在量化前先與信號相重疊，量化后再將高頻抖動除去，量化噪聲就成為寬度為V 、電功率v 2/12的均勻分布的白噪聲。只有采樣頻率高于聲音信號最高頻率的兩倍時，才能把數(shù)字信號表示的聲音還原成為原來的聲音。,[N1 N2])。用來采集聲音； t表示錄音時間，fs 采樣頻率，ch 聲道。如果 x長度是2的冪次方，函數(shù)fft執(zhí)行高速基－2FFT算法，否則 fft執(zhí)行一種混合基的離散傅立葉變換算法，計(jì)算速度較慢。在信號的過濾、檢測和參數(shù)的估計(jì)等方面，經(jīng)典數(shù)字濾波器是使用最廣泛的一種線性系統(tǒng)。直接采用單片機(jī) AT89C52 與專用的語音處理芯片 ISD2560 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)語音存儲與回放，實(shí)現(xiàn)語音的分段錄取、組合回放。系統(tǒng)框圖如 31 圖所示：圖 31 系統(tǒng)框圖圖 31 硬件系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要可分為四個部分：單片機(jī)控制部分、語音播報部分、液晶顯示部分和鍵盤輸入部分，采用 52 單片機(jī)作為主控制芯片，利用 ISD2560 實(shí)現(xiàn)語音報站，顯示采用 OCMJ2X8 液晶顯示模塊，簡單易行且控制方便。P3 口是 7 個帶有內(nèi)部上拉電阻的雙向口。~ 用以控制錄放音狀態(tài)。 主要性能參數(shù)：全靜態(tài)操作：0Hz —24MHz 3個 16位 定 時 /計(jì) 數(shù) 器同時，AT89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。P0 口：P0口是一組 8位漏極開路型雙向 I/O口， 也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。P3口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表31所示：表 31 單片機(jī)引腳功能表PSEN：程序儲存允許（PSEN ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。這是一種永久記憶型語音錄放電路，錄音時間為 60s，可重復(fù)錄放 10 萬次。ISD2560 控制電平與 TTL 電平兼容，接口簡單，使用方便。電源（VCCA,VCCD ）：為了最大限度的減小噪聲，芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線，并且分別引到外封裝上。節(jié)電控制（PD）：該端拉高可使芯片停止工作而進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。錄音時，由地址端提供起始地址，直到錄音持續(xù)到 CE 或 PD 變高，或內(nèi)存溢出；如果是前一種情況，芯片將自動在錄音結(jié)束處寫入 EOM 標(biāo)志。信息結(jié)尾標(biāo)志（EOM）：EOM標(biāo)志在錄音時由芯片自動插入到該信息段的結(jié)尾。話筒輸入（MIC）：該端連至片內(nèi)前置放大器。自動增益控制（AGC）：AGC 可動態(tài)調(diào)整前置增益以補(bǔ)償話筒輸入電平的寬幅變化，這樣在錄制變化很大的音量（從耳語到喧囂聲）時就能保持最小失真。揚(yáng)聲器輸出（SP＋、SP－）：可驅(qū)動 16Ω 以上的喇叭。該方式能充分利用 ISD2560 內(nèi)部的 E2PROM，在字段較多時可利用該方法。 AT89C52 單片機(jī)對 ISD2560 控制的軟件設(shè)計(jì) 錄音軟件設(shè)計(jì) 錄音時，按下錄音鍵（recordkey ），單片機(jī)通過口線設(shè)置語音段的起始地址，再使 PD 端、P/R 端和端為低電平啟動錄音；結(jié)束時，松開按鍵，單片機(jī)又讓端回到高電平，即完成一段語音的錄制。ISD2560 地址初始化 CLR CLR CLR 。送字段 2 起始地址 CLR CLR LCALL RECORD 圖 42 錄音軟件程序框圖 JMP BACK NEXT2: CJNE R7,3,NEXT3 MOV P1,40H 。/CE 端為低，開始錄音 JNB ,$ SETB RET JMP START 放音軟件設(shè)計(jì)放音時，根據(jù)需播放的語音內(nèi)容，找到相應(yīng)的語音段起始地址，并通過口線送出。播放時，通過放音鍵實(shí)現(xiàn)分段播放。置放音狀態(tài)MOV P1,00H 。調(diào)查找播放地址子CJNE R0,5,OUTMOV R0,2FHOUT: RETFIND: MOV A,R0 。若 A=3 放第三段CLR CLR CALL SOUNDAJMP SHOW3JMP PBACKPNEX3: CJNE A,4,PNEX4MOV P1,60H 。等待語音段結(jié)束信號TURN2: JNB ,TURN2 ；等待 EOM 信號的上升沿 RET JMP START 濾波和頻譜分析 圖形用戶界面概念 圖形用戶界面或圖形用戶接口(Graphical User Interface，GUI)是指采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作環(huán)境用戶接口。 MATLAB為GUI設(shè)計(jì)一共準(zhǔn)備了4種模板，分別是Blank GUI(默認(rèn)) 、GUI with Uicontrols(帶控件對象的GUI模板) 、GUI with Axes and Menu(帶坐標(biāo)軸與菜單的GUI模板)與Modal Question Dialog(帶模式問話對話框的GUI模板)。 GUI設(shè)計(jì)窗口由菜單欄、工具欄、控件工具欄以及圖形對象設(shè)計(jì)區(qū)等部分組成。 語音信號的讀入與打開 下面的一段程序是語音信號在 MATLAB 中的最簡單表現(xiàn)，它實(shí)現(xiàn)了語音的讀入打開，以及繪出了語音信號的波形頻譜圖。 sound(x,fs,bits)。subplot(221)。)。原始信號頻譜39。title(39。plot(angX)。 程序運(yùn)行可以聽到聲音，得到的結(jié)果如圖 44 所示： 圖 44 語音信號的讀入與打開圖 語音信號的定點(diǎn)分析 已知一個語音信號，數(shù)據(jù)采樣頻率為 100Hz，試分別繪制 N＝128 點(diǎn) DFT 的幅頻圖和 N＝1024 點(diǎn) DFT 幅頻圖。 sound(x)。 magy=abs(y)。plot(f,magy)。ylabel(39。N=128(a)39。xlabel(39。幅值39。)。magy=abs(y)。plot(f,magy)。ylabel(39。N=1024(c)39。 xlabel(39。幅值39。)。39。wc=[,]。plot(x)。 subplot(322)。)。plot(y)。plot(Y)。 z=fftfilt(b,x)。title(39。plot(Z)。 得到結(jié)果如圖 51 所示： 圖 51 濾波和頻譜分析圖結(jié)論與展望 本系統(tǒng)以 AT89C52 單片機(jī)為核心部件，結(jié)合專用的語音處理芯片 ISD2560 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)語音存儲與回放，實(shí)現(xiàn)語音的錄取、濾波和頻譜分析、放音。單片機(jī)不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。隨著單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，將大大促進(jìn)各領(lǐng)域的技術(shù)更新，向自動化、小型化、智能化方向邁進(jìn)。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，無論從選題到定稿，從理論到實(shí)踐都使我學(xué)到了很多東西，它不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。生老師學(xué)識淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，待人平易近人，在生老師的悉心指導(dǎo)中，我不僅學(xué)到了扎實(shí)的專業(yè)知識，也在怎樣處人處事等方面收益很多；在此我謹(jǐn)向生老師表示衷心的感謝和深深的敬意。 again in a home or school use of speech repetition machine, can be seen as a typical application of digital voice recording system. However most digital voice recording system, simple collection, storage, and playback of voice on