【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 脈沖幅度 (PAM)調(diào)制信號(hào)。時(shí)間和幅度都不連續(xù)的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。 第 7 頁(yè) 共 32 頁(yè) 從模擬磁帶錄音機(jī)和數(shù)字磁帶錄音機(jī)的比較來看，模擬錄音存在很多缺點(diǎn) : （ 1） 在錄音、編輯和放音過程中混入的各種噪音不能被分離出來，形成對(duì)信號(hào)的損傷。 （ 2） 錄音媒體的信噪比可成為記錄信號(hào)信噪比的一部分。 （ 3） 錄音磁頭、放音磁頭等呈現(xiàn)的非線性會(huì)使記錄的信號(hào)也呈現(xiàn)非線性。 （ 4） 驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的不穩(wěn)定會(huì)造成抖晃。 數(shù)錄音是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行記錄的。對(duì)于需要多次轉(zhuǎn)接、復(fù)制的模擬錄音，每轉(zhuǎn)接 、復(fù)制一次，信號(hào)的質(zhì)量下降程度就要累加一次，而數(shù)字錄音就沒有這一問題。數(shù)字錄音具有下列優(yōu)占。 （ 1） 數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn) (取樣頻率、量化比特?cái)?shù) )確定以后，性能的界限也就確定了，性能是穩(wěn)定的。 （ 2） 錄音是以“ 0”或“ 1”數(shù)字進(jìn)行的，放音時(shí)，只需判斷出“ 0”或“ 1”，即判斷脈沖“有”“無”即可，因而記錄媒體的信噪比與放音信噪比無直接的關(guān)系。 （ 3） 許多器件不需要具有線性。 （ 4） 驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，由于時(shí)鐘脈沖信號(hào)和存儲(chǔ)器的作用，不會(huì)造成晃。 防混疊低 通濾波器 取樣 / 保持 A/D 變 換器 交織 糾錯(cuò)碼處理 模擬聲頻信號(hào) 數(shù)字音頻信號(hào) 記錄 圖 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(cuò)碼處理 反交織 重放 數(shù)字聲頻信號(hào) 模擬聲頻信號(hào) 圖 數(shù)字放音系統(tǒng)圖 放音 錄音 第 8 頁(yè) 共 32 頁(yè) 語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，需經(jīng)過取樣、量化和編碼三個(gè)步驟。 取樣 [1][3] （ 1） 取樣定理 模擬聲頻信號(hào)可用幅度對(duì)時(shí)間的關(guān)系來表示，將模擬信號(hào)的幅度以一定的時(shí)間間隔取得樣值，稱為取樣 (或采樣、抽樣 )。取樣的時(shí)間間隔稱為取樣周期，每秒內(nèi)取樣的次數(shù)稱為取樣頻率。根據(jù)取樣定理，當(dāng)取樣頻率 fs為被取樣信號(hào)最高頻率 fh的兩倍時(shí)，則被取樣信號(hào)可以被恢復(fù)，即 fs≥ 2fh （ 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(hào)的最高頻率 。 2）防混疊低通濾波器的截止特性。數(shù)字音頻的質(zhì)量與采樣頻率和量化精度有關(guān)，數(shù)字音頻可分為以下幾個(gè)質(zhì)量等級(jí) [7]: 表 數(shù)字音頻質(zhì)量等級(jí) 信號(hào)類型 頻率范圍 (Hz) 采樣頻率 (KHz 量化精度 (位 ) 電話語(yǔ)音 200~3400 8 8 寬帶音頻 50~7000 16 16 調(diào)頻廣播 20~15K 16 高質(zhì)量音頻 20~20K 16 由于本系統(tǒng)錄音的對(duì)象是人說話時(shí)的語(yǔ)音，人的語(yǔ)音頻率大概在 300Hz至 間，根據(jù)取樣定理，采 樣頻率應(yīng)該高于 Hz，從表 ，普通語(yǔ)音選取的是8 KHz，但為了提高聲音的保真度，減少濾波實(shí)現(xiàn)的難度，同時(shí)與微機(jī)的錄音頻率最大程度地接近，所以系統(tǒng)選取采樣頻率為 。 3) 混疊的防止 經(jīng)過取樣后，原信號(hào)的頻譜分布要有改變。如果取樣頻率小于信號(hào)最高頻率的兩倍，或信號(hào)的實(shí)際最高頻率超過了 fh ，則會(huì)產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，以后就無法將原信號(hào)復(fù)原，并且出現(xiàn)混疊噪聲。為了將聲頻信號(hào)嚴(yán)格限制在 fh 以下，應(yīng)先讓原信號(hào)通過一個(gè)高頻截止頻率為 fh 的低通濾波器后再進(jìn)行取樣。 4) 取樣保持電路 取樣保持電路是在 A/D變換器之前，為使取樣保持一定時(shí)間而設(shè)的。由于 A/D變換器的轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間才能完成，而輸入的模擬信號(hào)是不斷變化的，因此取樣值必須保持一定時(shí)間。 第 9 頁(yè) 共 32 頁(yè) 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(hào)可以完全恢復(fù)原模擬信號(hào)是有條件的，即取樣脈沖的寬度 (即脈沖所占時(shí)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(huì)使恢復(fù)的模擬 信號(hào)的高頻特性產(chǎn)生失真，這種效應(yīng)稱為孔徑效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)取樣脈沖寬度為取樣周期的 1/4時(shí)，孔徑效應(yīng)所產(chǎn)生的高頻損失約為 ,人耳對(duì)它不能察覺到，不會(huì)成為問題。 量化 [1][3] （ 1） 量化的概念 將模擬信號(hào)的取樣值，經(jīng)“四舍五入”的方法轉(zhuǎn)換成一種數(shù)字信號(hào)的過程稱為量化。在數(shù)字語(yǔ)音技術(shù)中，我們采用二進(jìn)制表示一個(gè)數(shù)，即用“ 1”“ 0”來表示一個(gè)數(shù)，逢 2進(jìn) 1，用電路的接通和斷開即可實(shí)現(xiàn)。采用二進(jìn)制時(shí)的有效位數(shù)稱為比特?cái)?shù)或位數(shù)，在進(jìn)行舍入運(yùn)算的過程中會(huì)產(chǎn)生舍入誤差。 由取樣定理知道，如果取樣頻率能 滿足這個(gè)定理，就會(huì)完全恢復(fù)原波形，但要真正完全恢復(fù)原波形，則需要無窮多位數(shù)。在通常的數(shù)字系統(tǒng)中，每個(gè)取樣點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生舍入誤差，并且存在與這種舍入誤差相應(yīng)的失真和噪聲，稱為量化噪聲或量化失真。量化階 梯數(shù)，或量化級(jí)數(shù)，是指量化所能取值的數(shù)目。以二進(jìn)制量化時(shí)，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(gè)，量化誤差己很小。對(duì)于量化階梯相等的量化方法稱為線性量化或均勻量化，不相等則稱為非線性量化或不均勻量化。均勻量化的量化噪聲也是恒值，因此信號(hào)幅度大時(shí)，信噪比高 。信號(hào)幅度小時(shí)，信噪比低，噪聲較明顯。 非均勻量化在信號(hào)幅度小的時(shí)候，量化階梯高度也小，信噪比可以較好。信號(hào)幅度大的部分，量化階梯高度也大，雖然量化噪聲大，但由于人耳的掩蔽效應(yīng)，對(duì)信號(hào)幅度大時(shí)增大的噪聲會(huì)感覺不出來。由表 可以看出，對(duì)于普通語(yǔ)音，量化精度選取 8位就可以滿足數(shù)字化語(yǔ)音質(zhì)量的要求，因此本系統(tǒng)的量化位數(shù)就選取 8位。 2量化噪聲 （ ） 當(dāng)聲噪信號(hào)為正弦波時(shí)，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 N M?? () 可見，量化比特?cái)?shù) M越大，信噪比越好。量化噪聲是均勻分布在 0fs/2的頻帶中，2 2 22 20122 1 2 1 2MN V d V ?? ?? ? ?? ? 2 2011S= sin22d? ??? ?? 第 10 頁(yè) 共 32 頁(yè) 另外量化噪聲的振幅為常數(shù) ，它等于△，不隨信號(hào)大小而改變，因而當(dāng)信號(hào)很大時(shí)，系統(tǒng)的信噪比很高 。但當(dāng)信號(hào)很小時(shí)，則量化噪聲對(duì)系統(tǒng)的音質(zhì)影響就將十分明顯。量化噪聲的減低對(duì)于量化噪聲可采用在信號(hào)中加給高頻抖動(dòng)信號(hào)的方法，量化后，再減去高頻抖動(dòng)信號(hào)，而使量化噪聲白噪聲化。量化噪聲隨量化比特?cái)?shù)增大而相應(yīng)減小，但不能減為零。量化噪聲是不同于白噪聲 (即等帶寬能量相等的噪聲 )的一種高頻噪聲，它是由比較少的孤立頻譜重疊而成的噪聲。因此在聽感上與白噪聲不同，是一種較粗糙的、刺耳的、稱為顆粒性噪聲的聲音?？梢詫⒁环N稱為高頻脈動(dòng)的、與量化階梯高度相等的小振 幅白噪聲與信號(hào)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 v2/12的均勻分布的白噪聲。另外 ，還可由過取樣減低量化噪聲，利用非均勻量化的輸入輸出特性也可減低量化噪聲。 編碼 [1][3] 二進(jìn)制使用“ 0”或“ 1”兩個(gè)數(shù)字，逢二進(jìn)一，用二進(jìn)制數(shù)表示某一數(shù)值時(shí)，這一二進(jìn)制數(shù)稱為字，這種表示過程稱為二進(jìn)制編碼。常用的各種二進(jìn)制碼有自然二進(jìn)制碼、偏移二進(jìn)制碼、 2的補(bǔ)碼、偏 移反射二進(jìn)制碼和折疊二進(jìn)制碼。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼，然后再轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的方法稱為脈沖編碼調(diào)制 (PCM)，冠以脈沖是因?yàn)檗D(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)以脈沖形式出現(xiàn)。 數(shù)字信號(hào)的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)及模擬信號(hào)的恢復(fù) 數(shù)字信號(hào)的檢錯(cuò)和糾錯(cuò) [1] 數(shù)字信號(hào)在傳輸或記錄過程會(huì)產(chǎn)生誤碼，根據(jù)產(chǎn)生的狀態(tài)，誤碼可分為隨機(jī)性誤碼和突發(fā)性誤碼兩類。隨機(jī)性誤碼是指彼此孤立的誤碼，突發(fā)性誤碼是指彼此連續(xù)的集中誤碼。 為了避免重放已記錄的數(shù)字信號(hào)時(shí)，由于各種原因所造成的連續(xù)的突發(fā)性誤碼影響重放，采取在記錄時(shí)改變數(shù)字信號(hào)的順序，重放 時(shí)再按原來順序重排回來的措施稱為交織。經(jīng)過交織，可以將記錄媒質(zhì)上所產(chǎn)生的突發(fā)性誤碼，在信號(hào)恢復(fù)為原來順序后被分散開形成隨機(jī)性誤碼，以便于采取措施進(jìn)行糾錯(cuò)。常用的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)方法有 :奇偶校驗(yàn)碼、交叉交織碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼和鄰接碼。 第 11 頁(yè) 共 32 頁(yè) 模擬信號(hào)的恢復(fù) 數(shù)字信號(hào)經(jīng)反交織、糾錯(cuò)碼處理和 D/A變換后，還要經(jīng)窗口電路和低通濾波器才能恢復(fù)為模擬信號(hào)。 （ 1）窗口電路 D/A 變換器的輸出信號(hào)需饋送到一個(gè)窗口電路，窗口電路是由一個(gè)模擬開關(guān)和兩個(gè)緩沖放大器組成。因?yàn)?D/A變換器的輸出信號(hào)必須經(jīng)過一定時(shí)間后才能達(dá)到穩(wěn)定值 ，利用來自模擬開關(guān)的控制信號(hào)，可在波形穩(wěn)定后讀出電壓值，輸出 PAM信號(hào)。 （ 2）解調(diào)低通濾波器 當(dāng)窗口電路輸出的 PAM信號(hào)，如果設(shè)計(jì)得使下一個(gè)脈沖正好在上一則通過低通濾波器后的脈沖串可變?yōu)楦鱾€(gè)脈沖響應(yīng)的合成波，重現(xiàn)出原信號(hào)的波形。 第 12 頁(yè) 共 32 頁(yè) 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 在前一章介紹的數(shù)字錄音原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際的情況和需要，從系統(tǒng)的任務(wù)和要求入手，開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì) 嵌入式數(shù)字錄音系統(tǒng)應(yīng)由下面各部分組成，如圖 。 本嵌 入式數(shù)字錄音系統(tǒng)采用包含有 AD與 DA電路的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，因此不需要再另外設(shè)計(jì)專門的 AD與 DA變換電路，其中單片機(jī)中的 DA變換己實(shí)現(xiàn)窗口電路的功能，所以本系統(tǒng)也無需再設(shè)計(jì)窗口電路。在語(yǔ)音信號(hào)從駐極體麥克風(fēng)進(jìn)入通用單片機(jī)之前，應(yīng)該進(jìn)行信號(hào)的放大和濾波處理，所以應(yīng)有相應(yīng)的輸入電路和器件 。同樣在放音的時(shí)候，信號(hào)經(jīng)過 DA變換后，也要經(jīng)過濾波和放大處理，最后通過揚(yáng)聲器將語(yǔ)音播放出來。 為了保證錄音時(shí)間滿足要求，本系統(tǒng)連接了一片 Flash Memory來存儲(chǔ)語(yǔ)音文件和其它的相關(guān)參數(shù)。 Flash Memory又稱閃爍存儲(chǔ)器、快閃存儲(chǔ)器，是一種高密度低成本的大容量新型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，由于 Flash Memory斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，同時(shí)它的容量較大，32M的空間在 ，錄音可達(dá)到 40多分鐘的時(shí)間。因此， Flash Memory是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)各種功能的保證，也是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一?？紤]到應(yīng)對(duì)本數(shù)字錄音系統(tǒng)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)錄放音等操作，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了 TTL232接口與 PC機(jī)相連， PC機(jī)發(fā)送相放大 濾波 采樣保持 A/ D 單片機(jī) 存儲(chǔ)器 D/A 窗口電路 濾波 放大 輸入 輸出 電壓調(diào)整 +3VDC 5VDC 輸入 +5VDC 圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 第 13 頁(yè) 共 32 頁(yè) 應(yīng)的指令控制單片機(jī)進(jìn)行不同的操作。 本系統(tǒng)主要由通用單片機(jī)、一片 Flash Memory,輸入信 號(hào)放大電路和輸出信號(hào)電路組成，通過 TTL232接口與 PC機(jī)相連，當(dāng) PC機(jī)發(fā)出相應(yīng)的指令，系統(tǒng)可執(zhí)行相應(yīng)的操作，這些操作包括 :錄音開始、錄音結(jié)束、放音開始、中斷放音、傳送文件、擦除塊、讀取系統(tǒng)參數(shù)、讀取列表區(qū)數(shù)據(jù) [6]。如下圖 ： 在錄音時(shí)，聲音信號(hào)放大后通過 AD管腳進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)過 AD轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在Flash Memory 中，放音時(shí)單片機(jī)將存儲(chǔ)在 Flash Memory中的語(yǔ)音數(shù)字信號(hào) (可以是錄音數(shù)字文件數(shù)據(jù)，也可以是固定的語(yǔ)音文件數(shù)據(jù) )。經(jīng)過 DA轉(zhuǎn)換后再經(jīng) DA管腳輸出，經(jīng)輸出電路通過揚(yáng)聲器將聲音播放出來。 錄音的命令格式是 :RECORD[文件名 ]， [日期 ]， [時(shí)間 ]， [格式 ]。錄音結(jié)