【文章內(nèi)容簡介】 ，量化，和編碼三個過程。 抽樣 模擬信號通常來說指的是在時間上的連續(xù)信號，通過對這種信號在一定的離散時間點上抽取樣值稱為抽樣，如圖 21 所示。圖中 m（ t）是一個模擬信號。在等時間間隔 T 上，對它抽取樣值。理論上來說，抽樣過程可以看做是用周期性的單位沖擊脈沖（ impulse）和此待抽樣的模擬信號做乘處理。最后，抽樣所得到的結(jié)果 可以看出就是 一系列的周期性沖擊脈沖，其在圖中所代表的面積與該模擬信號的取值成正比。沖擊脈沖在圖 21中用一些箭頭表示。實際情況下，通常是采用周期性窄脈沖來替代沖擊脈沖與被抽樣的 模擬信號相乘。 數(shù)字化語音存貯與回放集成系統(tǒng)設計 江蘇大學電氣信息工程學院本科畢業(yè)設計 6 圖 21 抽樣信號波形 從圖中也能看的出，經(jīng)過抽樣之后得到的是一系列的離散沖擊脈沖，這顯然與抽樣前的連續(xù)性模擬信號的形狀有區(qū)別。但是，同樣在圖中也能看出一個情況，那就是在對一個帶寬有限的連續(xù)模擬信號進行抽樣時，如果采取的抽樣速率足夠大的話， 最終 這些抽樣值幾乎就 能夠 完全恢復出原先模擬信號波形情況。 所以 ，可以不要求一定要傳輸原始的模擬信號，可以只是傳輸這些由抽樣所得到的離散的抽樣值，就可以在 接收端恢復出此模擬信號。對此抽樣速率條件進行闡述的定理就是我們所熟知的抽樣定理。抽樣定理可以說是給模擬信號 實現(xiàn) 數(shù)字化 提供 了理論基礎。由上文提到內(nèi)容可知，在對信號進行抽樣時，最低抽樣頻率必須高于信號最高頻率的 2 倍，此最低抽樣頻率 就是 奈奎斯特抽樣速率。如果抽樣速率要是低于奈奎斯特抽樣速率的話，在對信號進行抽樣的時候相鄰周期的頻譜間 就會出現(xiàn) 頻率混疊 現(xiàn)象 ，從而就無法正確地將原信號頻譜完美分離出來。 量化 從數(shù)字化信號處理這一領域來說，量化 就是指把 連續(xù)信號的連續(xù)取值近似 成 有限多個離散值的過程。將模擬信號做 完抽樣處理后就變成了在時間上離散的信號，但是此時的信號 還 是一個模擬信號。如果要使這個抽樣信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號就必須對此信號進行量化處理。所謂量化，便是將經(jīng)過抽樣處理后得到的瞬時值對其幅度進行離散處理，也就是說使用一組規(guī)定的電平，將之前得到的瞬時抽樣值用 與之最相近的 幅值電平值 近似 出來。具體量化處理如圖 22 所示 : 3T 2T T 0 T 2T 3T 2T 3T t 模擬信號 抽樣信號 m(t) t 數(shù)字化語音存貯與回放集成系統(tǒng)設計 江蘇大學電氣信息工程學院本科畢業(yè)設計 7 圖 22 量化信號波形 最終經(jīng) 過量化處理的結(jié)果就是使抽樣信號轉(zhuǎn)化成量化信號，由上圖中可以看出此量化信號的取值是離散的。因此量化 處理之 后的信號已經(jīng) 能夠 說是數(shù)字信號了，其可以看作 為多進制 形式 的數(shù)字脈沖信號。 編碼 將量化后的信號樣值幅度 轉(zhuǎn)化成相 應的計算機能夠識別的二進制數(shù)字信號碼組的過程稱之為編碼。因為上文提到過，量化處理之后的信號， 已是 離散的數(shù)字信號，而編碼的前提是此信號是數(shù)字信號，所以下一步就可以將此數(shù)字信號編碼，最常用的編碼是用二進制的符號，例如“ 0”和“ 1”，表示此離散數(shù)值。下圖 23就是信號編碼的具體圖示： 圖 23 編碼信號波形 編碼方式選擇 一般 情況下，我們 把 模擬信號 經(jīng)過 抽樣、量化，直到轉(zhuǎn)變成二進制 碼組 的過程，稱為脈沖編碼調(diào)制（ PCM），而 PCM 體制需要用 64kb/s 的速率傳輸 1路數(shù)字電話信號，而傳輸1路模擬電話信號僅占用 3kHz 帶寬。相比之下，傳輸 PCM 信號占用更大帶寬。所以為了降低數(shù)字電話信號的傳輸比特率，可以采用預測編碼方法來改進此方案。而 在此編碼方案中得到廣泛應用的一種基本預測方法就是差分脈沖編碼調(diào)制（ DPCM）。雖然 DPCM 應用廣泛，但是其本身也存在著一些問題，為了改善 DPCM 體制的性能，可以將自適應技術(shù)引入m(t) 抽樣信號 量化信號 t 011 100 011 110 110 101 101 編碼信號 t 數(shù)字化語音存貯與回放集成系統(tǒng)設計 江蘇大學電氣信息工程學院本科畢業(yè)設計 8 到量化和預測過程中去，這樣就得到了自適應差分脈沖編碼調(diào)制（ ADPCM）體制。此方式的優(yōu)點就是能夠大大地提高信號量噪比以及動態(tài)范圍。適用于話音編碼的 ADPCM 體制，已經(jīng)由 ITUT制定出建議，并已得到廣泛應用。 數(shù)字化語音存貯與回放集成系統(tǒng)設計 江蘇大學電氣信息工程學院本科畢業(yè)設計 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 硬件系統(tǒng)框架概述 數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)可以拆分成三大部分，分別是語音輸入信道，信號處理部分（即單片機控制部分）和輸出信道。在輸入信道可以表示為圖 31流程；語音處理部分可以表示為圖 32；而輸出信道可以表示為圖 33流程。 圖 31 輸入信道 圖 32 信號處理部分 圖 33 輸出信道 系統(tǒng)整體設計可以分為上述三部分，信號輸入后經(jīng)過增益放大器對信號進行放大，方便進行采樣，然后對信號進行濾波，之后對模擬信號進行 AD 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，方便單片機對數(shù)字信號進行處理，然后將處理好的信號存入存儲器中， 方便 后續(xù)處理。在后續(xù)部分調(diào)用存 儲數(shù)據(jù)，將數(shù)字信號進行 DA 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)過濾波電路濾除雜音，之后對信號放大，方便信號輸出。 整體框架可以表述出如下圖所示： 語音信號 增益放大器 濾波電路 A/D轉(zhuǎn)換 數(shù)字語音信號 A/D轉(zhuǎn)換器件 數(shù)字語音信號 單片機 D/A轉(zhuǎn)換器件 模擬語音信號 數(shù)字語音信號 D/A轉(zhuǎn)換器件 濾波電路 功率放大電路 喇叭 聲音信號 數(shù)字化語音存貯與回放集成系統(tǒng)設計 江蘇大學電氣信息工程學院本科畢業(yè)設計 10 圖 34 系統(tǒng)總框圖 拾音器 拾音器，又稱監(jiān)聽頭，是用來采集現(xiàn)場環(huán)境聲音再傳送到后端設備的一個器件，它是由麥克風和音頻放大電路構(gòu)成。它的本質(zhì)其實就是一個聲音傳感器，其能夠?qū)?外部 輸入的聲音信號轉(zhuǎn) 變?yōu)?電信號。作為系統(tǒng)的初始信號輸入器件，拾音器應多采用高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器： 3558， LM358， NE5532 等，從而實 現(xiàn)信號放大及降噪作用。 放大器的設計 放大器是一種能夠?qū)⑤斎胗嵦柕碾妷夯蚬β蔬M行放大的器件，其主要由電子管或晶體管、電源變壓器以及其他電器元件構(gòu)成。目前放大器的應用領域非常廣泛，主要是應用在通訊、廣播、雷達、電視、自動控制等一系列的裝備設備中。 增益放大器 聲音經(jīng)過拾音器采集之后，能把原先的語音信號轉(zhuǎn)換成電信號，通常情況下，拾音器輸出信號電壓大致范圍是 20～ 25mV，由于信號要經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信拾音器 帶通濾波器 增益放大器 鍵盤 存儲器 電源電路 D/A 轉(zhuǎn)換電路 喇叭 輸出放大器 AD轉(zhuǎn)換 AT89C52單 片 機 帶通濾波器 數(shù)字化語音存貯與回放集成系統(tǒng)設計 江蘇大學電氣信息工程學院本科畢業(yè)設計 11 號的步驟，但是， AD采樣的輸入信號電壓的范圍是 0～ 5V，無法滿足采樣電壓，所 以必須將經(jīng)過拾音器輸出后的電壓進行放大。使用運放將之前的微弱信號進行放大 200 倍放大到伏特級別即可滿足需求。具體增益放大電路設計參照下圖 35。 圖 35 增益放大電路 放大器的放大倍數(shù)可以計算出： 364 /)(1 RRRAv ??? （ 31） 由實際電路各個參數(shù)可得： 2 0 33/)505 6 0(1 ????vA （ 32） 由于上述 電路中 R4 為可調(diào)電阻，故增益是可以根據(jù)實際需求調(diào)節(jié)的。 輸出放大器 在單片機處理過的數(shù)字信號經(jīng)過 DA轉(zhuǎn)換成模擬信號后，經(jīng)過濾波處理濾除雜音干擾，為了方便播放，會對此信號進行放大，以便于能夠清晰地得到較完美的信號。本文中主要采用了 LM386 來實現(xiàn)輸出功率放大的功能。其是一種音頻集成功放，具有很多突出的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在增益可調(diào)，自身功耗較低，外部接件少等特點。 LM386 具有很多明顯特性，它靜態(tài)功耗比較低，大約為 4mA，所以它可用于電池供電；而且它的工作電壓范圍比較寬，大致范圍為 412V；外圍元件少 ；它的電壓增益明顯可調(diào)，范圍大致為 20200；而且它的失真度比較低。 數(shù)字化語音存貯與回放集成系統(tǒng)設計 江蘇大學電氣信息工程學院本科畢業(yè)設計 12 圖 36 LM386引腳圖 在實際輸出功率放大電路中，具體輸出放大倍數(shù)要根據(jù) LM386 引腳 1和引腳 8具體外接的電路情況而定。通常情況下，這兩個引腳會外接一個 RC 網(wǎng)絡，此網(wǎng)絡決定了此放大電路的增益。 圖 37 輸出放大電路 如果，引腳 1 與引腳 8 斷路時，此放大電路增益為 40。通過調(diào)節(jié)上圖電路中的電阻R1阻值就可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益大小。通過調(diào)節(jié) RV1 電阻的觸頭，從而就能調(diào)節(jié)功率放大大小 ，從而可以調(diào)節(jié)聲音大小。 濾波器的設計 濾波器，通俗地說就是對輸入信號波形進行過濾的一種器件。它本質(zhì)上是一種允許有用的頻率信號通過，與此同時還能夠抑制 (或衰減 )對信號處理沒有用處的其他頻率信號的數(shù)字化語音存貯與回放集成系統(tǒng)設計 江蘇大學電氣信息工程學院本科畢業(yè)設計 13 電子裝置。通常在設計中，會使用濾波器來處理信號，進行數(shù)據(jù)傳輸以及抑制噪聲干擾等。由于本題中會對信號進行一系列的處理，在信號輸入過程以及處理過程中難以避免會產(chǎn)生一些噪聲及干擾，所以，必須在設計中引用濾波器，以抑制這些不必要的干擾。在實際設計中濾波器其實有很多種類，有低通，高通，以及帶通濾波器等。低通濾波器的作用 為允許低于限制頻率的通過，阻隔高于限定頻率的通過；高通濾波器則是相反；而帶通濾波器則是處于兩者之間，它只讓處于一個特定頻率段的信號通過。本題設計中就是采用了帶通濾波器來實現(xiàn)特定功能，此帶通濾波器可以將通帶頻率范圍設置為 ，它的具體作用是： （ 1） 保證了 范圍內(nèi)的信號完美不失真 地 通過濾波器； （ 2） 可以去除此通帶頻率范圍之外的低頻信號，從而降低帶外干擾，降低了噪聲對信號的影響； （ 3） 可以去除通帶頻率范圍之外的高頻信號，從而消減本題中采樣頻率為 8kHz 所帶來的混疊失真情況。帶通濾波器 按照品質(zhì)因數(shù) Q的大小不同而有兩種不同的情況，分別是寬帶帶通濾波器（ Q＜ 10）以及窄帶帶通濾波器（ Q＞ 10）。然后根據(jù)公式可以得出本題中的帶通濾波器的中心頻率 0f 以及品質(zhì)因數(shù) Q： HzFFf lh 101030034000 ???? (33) ???? lh FF fBWfQ (34) 因為上述計算結(jié)果可知 Q＜ 10，所以此設計中的帶通濾波器可以 確定是寬帶帶通濾波器。故本設計中