【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 重疊，經(jīng)量化后，顆粒性噪聲即被白噪聲化，使聽感變好。理論上將與量化階梯高度v相等的均勻分布的高頻抖動(dòng)在量化前先與信號(hào)相重疊，量化后再將高頻抖動(dòng)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。另外 ，還可由過(guò)取樣減低量化噪聲，利用非均勻量化的輸入輸出特性也可減低量化噪聲。 濾波和頻譜分析 采樣定理 在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣頻率最大值大于信號(hào)中最高頻率，即：=,則采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息。 采樣頻率 采樣頻率是指計(jì)算機(jī)每秒鐘采集多少個(gè)聲音樣本，采樣頻率越高，即采樣的間隔時(shí)間越短，則在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)得到的聲音樣本數(shù)據(jù)就越多，對(duì)聲音波形的表示也20=sind???越精確。只有采樣頻率高于聲音信號(hào)最高頻率的兩倍時(shí)，才能把數(shù)字信號(hào)表示的聲音還原成為原來(lái)的聲音。 采樣頻率。 語(yǔ)音的錄入與打開 在MATLAB中，[y,fs,bits]=wavread(39。Blip39。,[N1 N2])。用于讀取語(yǔ)音，采樣值放在向量y中，fs表示采樣頻率(Hz)，bits 表示采樣位數(shù)。[N1 N2]表示讀取從N1 點(diǎn)到N2點(diǎn)的值。 X=wavrecord(t,fs,ch)。用來(lái)采集聲音； t表示錄音時(shí)間，fs 采樣頻率，ch 聲道。 時(shí)域信號(hào)的FFT分析 FFT即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。 在MATLAB的信號(hào)處理工具箱中函數(shù)FFT和IFFT用于快速傅立葉變換和逆變換。函數(shù)FFT用于序列快速傅立葉變換，其調(diào)用格式為y=fft(x)，其中，x是序列，y是序列的FFT，x可以為一向量或矩陣，若 x為一向量， y是x的FFT 且和x相同長(zhǎng)度；若x為一矩陣，則y是對(duì)矩陣的每一列向量進(jìn)行FFT。如果 x長(zhǎng)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。函數(shù)FFT的另一種調(diào)用格式為 y=fft(x,N)，式中，x，y意義同前，N為正整數(shù)。函數(shù)執(zhí)行N點(diǎn)的FFT，若x為向量且長(zhǎng)度小于N，則函數(shù)將x補(bǔ)零至長(zhǎng)度N ；若向量x的長(zhǎng)度大于N，則函數(shù)截短x使之長(zhǎng)度為N；若x 為矩陣，按相同方法對(duì)x進(jìn)行處理。 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理 數(shù)字濾波是數(shù)字信號(hào)分析中最重要的組成部分之一，與模擬濾波相比，它具有精度和穩(wěn)定性高、系統(tǒng)函數(shù)容易改變、靈活性強(qiáng)、便于大規(guī)模集成和可實(shí)現(xiàn)多維濾波等優(yōu)點(diǎn)。在信號(hào)的過(guò)濾、檢測(cè)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)。 數(shù)字濾波器的作用是利用離散時(shí)間系統(tǒng)的特性對(duì)輸入信號(hào)波形(或頻譜) 進(jìn)行加工處理，或者說(shuō)利用數(shù)字方法按預(yù)定的要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換。 第 3 章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 總體方案論證利用單片機(jī)及其外圍硬件電路（如 A/D、D/A、存儲(chǔ)器等） ，就能完成語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的存儲(chǔ)與回放，及單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的語(yǔ)音提示報(bào)警及語(yǔ)音提示操作。但是語(yǔ)音信號(hào)容易受到外界干擾而失真，并且信號(hào)的壓縮存儲(chǔ)比較復(fù)雜，硬件電路不宜調(diào)試。直接采用單片機(jī) AT89C52 與專用的語(yǔ)音處理芯片 ISD2560 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的分段錄取、組合回放。語(yǔ)音信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，存儲(chǔ)方便，調(diào)試簡(jiǎn)單，還可以作為語(yǔ)音服務(wù)的子系統(tǒng)。所以，選擇此方案。本設(shè)計(jì)以公交報(bào)站為例，基于語(yǔ)音回放系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的公交報(bào)站功能。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(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制部分、語(yǔ)音播報(bào)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(yǔ)音報(bào)站，顯示采用 OCMJ2X8 液晶顯示模塊，簡(jiǎn)單易行且控制方便。系統(tǒng)采用的微控制器是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（CPU ）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 AT89C52 單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。該單片機(jī)的 P1 口是一個(gè)雙向 I/O 口，其中 ~ 口內(nèi)部提供了上拉電阻，、 需外部上拉。 、 同時(shí)也是片內(nèi)精密比較器的正輸入端（AIN0）和負(fù)輸入端（AIN1）。P3 口是 7 個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的雙向口。數(shù)碼語(yǔ)音芯片選用的是 ISD2500 系列單片語(yǔ)音錄放集成電路 ISD2560，它具有抗斷電、音質(zhì)好，使用方便，無(wú)須專用的開發(fā)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。ISD2560 與單片機(jī) AT89C52 的接口電路以及外圍電路如圖 51 所示。單片機(jī)的 P1 口、 和 分別與 ISD2560 的地址線相連，用以設(shè)置語(yǔ)音段的起始地址。~ 用以控制錄放音狀態(tài)。 連接一按鍵，供錄音時(shí)使用。由 TL7705 構(gòu)成可靠復(fù)位及電源監(jiān)視電路。硬件總電路圖如 32 所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制ISD2560鍵盤輸入 顯示部分A0/M0 1A1/M1 2A2/M2 3A3/M3 4A4/M4 5A5/M5 6A6/M6 7A7 8A8 9A9 10P/R 27EOM 25PD 24CE 23SP+14 SP15MIC REF18MIC IN17XCLK26 ANA IN20ANA OUT21 AGC19U2ISD2560C9C810/16vRSTrecordKeyR610KR710KR510KQ 5Q 6VCC8 SENSE7A22 A11C13GND4U3TL 7750CP12MHzC130PC230P+5LED1 LED+2Vss3 VDD4DB05 DB16DB27 DB38DB49 DB510DB611 DB712REQ13 BUSY14RESET15 MIC16OCMJ2*8RT117 RT218U4EA/VP31 X119X218RESET9RD/ WR/INT0/ INT1/T0/ T1/P10/T1 P11/T2P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P 30TXD/ 11RXD/ 10U1AT89C52SPEAKERC31u C6C4 uC5R31KR210kR4470kR110K+5MK1MICC747u12345678161514131211109R9+5R105K+5PlayKey圖 32 硬件總電路圖 器件選擇 單片機(jī) AT89C52 AT89C52 是美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)MCS51 指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。 主要性能參數(shù)：與MCS—51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 8k字節(jié)可重擦寫Flash 閃速存儲(chǔ)器1000 次擦寫周期全靜態(tài)操作：0Hz —24MHz 三 級(jí) 加 密 程 序 存 儲(chǔ) 器2568字 節(jié) 內(nèi) 部 RAM32個(gè) 可 編 程 I/O口 線3個(gè) 16位 定 時(shí) /計(jì) 數(shù) 器8個(gè) 中 斷 源可 編 程 串 行 UART 通 道低 功 耗 空 閑 和 掉 電 模 式 圖33 AT89C52引腳分布功 能 特 性 概 述 ：AT89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O 口線,3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，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?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。引腳功能說(shuō)明：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。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。P1P3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向I/O 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RST：復(fù)位輸入。ALE/PROG：地址鎖存允許端PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN ）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 ISD2560 語(yǔ)音芯片ISD2560 的介紹ISD2560 語(yǔ)音芯片是美國(guó) Winbond 公司產(chǎn)品，是 ISD 系列單片語(yǔ)音錄放集成電路的一種。這是一種永久記憶型語(yǔ)音錄放電路，錄音時(shí)間為 60s，可重復(fù)錄放 10 萬(wàn)次。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)專利技術(shù)，省去了 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器。每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)單個(gè) EEPROM 單元中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。ISD2560 集成度較高，內(nèi)部包括前置放大器、內(nèi)部時(shí)鐘、定時(shí)器、采樣時(shí)鐘、濾波器、自動(dòng)增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和 480K 字節(jié)的 E2PROM 等，內(nèi)部原理框圖及引腳排列如圖 34 所示。ISD2560 控制電平與 TTL 電平兼容，接口簡(jiǎn)單，使用方便。圖 34 ISD2560 內(nèi)部原理圖 ISD2560 的引腳功能ISD2560 具有 28 腳 SOIC 和 28 腳 PDIP 兩種封裝形式。圖 35 所示是其引腳排列。各引腳的主要功能如下：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。地線（VSSA ，VSSD）：由于芯片內(nèi)部使用不同的模擬和數(shù)字地線，因此，這兩腳圖 35 ISD2560 引腳圖最好通過(guò)低阻抗通路連接到地。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)。片選（CE） ：該端變低且PD也為低電平時(shí)，允許進(jìn)行錄、放操作。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。錄放模式（P/R）：該端狀態(tài)一般在 CE 的下降沿鎖存。高電平選擇放音，低電平選擇錄音。錄音時(shí)，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(dòng)在錄音結(jié)束處寫入 EOM 標(biāo)志。放音時(shí)，由地址端提供起始地址，放音持續(xù)到 EOM 標(biāo)志。如果 CE 一直為低，或芯片工作在某些操作模式，放音則會(huì)忽略 EOM 而繼續(xù)進(jìn)行下去，直到發(fā)生溢出為止。信息結(jié)尾標(biāo)志（EOM）：EOM標(biāo)志在錄音時(shí)由芯片自動(dòng)插入到該信息段的結(jié)尾。溢出標(biāo)志（OVF）：芯片處于存儲(chǔ)空間末尾時(shí)，該端輸出低電平脈沖以表示溢出，之后該端狀態(tài)跟隨 CE 端的狀態(tài)，直到 PD 端變高。話筒輸入（MIC）：該端連至片內(nèi)前置放大器。話筒參考（MIC REF）：該端是前置放大器的反向輸入。自動(dòng)增益控制（AGC）：AGC 可動(dòng)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(yǔ)到喧囂聲）時(shí)就能保持最小失真。模擬輸出(ANA OUT)：前置放大器輸出。揚(yáng)聲器輸出（SP＋、SP－）：可驅(qū)動(dòng) 16Ω 以上的喇叭。ISD2560 雖然提供了地址輸入線，但它的內(nèi)部信息段的地址卻無(wú)法讀出。本系統(tǒng)采用單片機(jī)來(lái)控制，不需讀出信息地址，而直接設(shè)置信息段起始地址。其實(shí)現(xiàn)方式有兩種：一是由于 ISD2560 的地址分辨率為 100 ms，所以可用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器定時(shí) 100 ms，然后再利用一計(jì)數(shù)器對(duì)片機(jī)定時(shí)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為語(yǔ)音段所占用的地址單元。該方式能充分利用 ISD2560 內(nèi)部的 E2PROM，在字段較多時(shí)可利用該方法。二是語(yǔ)音字段如果較少，則可根據(jù)每一字段的內(nèi)容多少，直接分配地址單元。一般按每 1 s 說(shuō) 3 個(gè)字計(jì)算， 60 s 可說(shuō) 180 個(gè)字，再根據(jù)ISD2560 的地