【文章內(nèi)容簡介】 脈沖幅度 (PAM)調(diào)制信號。時間和幅度都不連續(xù)的信號是數(shù)字信號。 第 7 頁 共 32 頁 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 : （ 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，形成對信號的損傷。 （ 2） 錄音媒體的信噪比可成為記錄信號信噪比的一部分。 （ 3） 錄音磁頭、放音磁頭等呈現(xiàn)的非線性會使記錄的信號也呈現(xiàn)非線性。 （ 4） 驅(qū)動、轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)的不穩(wěn)定會造成抖晃。 數(shù)錄音是將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號后進(jìn)行記錄的。對于需要多次轉(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、量化比特數(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，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、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。 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 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 數(shù)字放音系統(tǒng)圖 放音 錄音 第 8 頁 共 32 頁 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。 取樣 [1][3] （ 1） 取樣定理 模擬聲頻信號可用幅度對時間的關(guān)系來表示，將模擬信號的幅度以一定的時間間隔取得樣值，稱為取樣 (或采樣、抽樣 )。取樣的時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為被取樣信號最高頻率 fh的兩倍時，則被取樣信號可以被恢復(fù)，即 fs≥ 2fh （ 2）取樣頻率 取樣頻率的選取應(yīng)考 慮以下兩點 : 1） 聲頻信號的最高頻率 。 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質(zhì)量等級 [7]: 表 數(shù)字音頻質(zhì)量等級 信號類型 頻率范圍 (Hz) 采樣頻率 (KHz 量化精度 (位 ) 電話語音 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)錄音的對象是人說話時的語音，人的語音頻率大概在 300Hz至 間，根據(jù)取樣定理，采 樣頻率應(yīng)該高于 Hz，從表 ，普通語音選取的是8 KHz，但為了提高聲音的保真度，減少濾波實現(xiàn)的難度，同時與微機(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，原信號的頻譜分布要有改變。如果取樣頻率小于信號最高頻率的兩倍，或信號的實際最高頻率超過了 fh ，則會產(chǎn)生頻譜混疊現(xiàn)象，以后就無法將原信號復(fù)原，并且出現(xiàn)混疊噪聲。為了將聲頻信號嚴(yán)格限制在 fh 以下，應(yīng)先讓原信號通過一個高頻截止頻率為 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間而設(shè)的。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。 第 9 頁 共 32 頁 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)。實驗證明，當(dāng)取樣脈沖寬度為取樣周期的 1/4時，孔徑效應(yīng)所產(chǎn)生的高頻損失約為 ,人耳對它不能察覺到，不會成為問題。 量化 [1][3] （ 1） 量化的概念 將模擬信號的取樣值，經(jīng)“四舍五入”的方法轉(zhuǎn)換成一種數(shù)字信號的過程稱為量化。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現(xiàn)。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)行舍入運算的過程中會產(chǎn)生舍入誤差。 由取樣定理知道，如果取樣頻率能 滿足這個定理，就會完全恢復(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，每個取樣點都會產(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)，或量化級數(shù)，是指量化所能取值的數(shù)目。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。對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，因此信號幅度大時，信噪比高 。信號幅度小時，信噪比低，噪聲較明顯。 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。信號幅度大的部分，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)，對信號幅度大時增大的噪聲會感覺不出來。由表 可以看出，對于普通語音，量化精度選取 8位就可以滿足數(shù)字化語音質(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 N M?? () 可見，量化比特數(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 共 32 頁 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 。但當(dāng)信號很小時，則量化噪聲對系統(tǒng)的音質(zhì)影響就將十分明顯。量化噪聲的減低對于量化噪聲可采用在信號中加給高頻抖動信號的方法，量化后，再減去高頻抖動信號，而使量化噪聲白噪聲化。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。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。可以將一種稱為高頻脈動的、與量化階梯高度相等的小振 幅白噪聲與信號重疊，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 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”兩個數(shù)字，逢二進(jìn)一，用二進(jìn)制數(shù)表示某一數(shù)值時，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。將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)碼，然后再轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號的方法稱為脈沖編碼調(diào)制 (PCM)，冠以脈沖是因為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號以脈沖形式出現(xiàn)。 數(shù)字信號的檢錯、糾錯及模擬信號的恢復(fù) 數(shù)字信號的檢錯和糾錯 [1] 數(shù)字信號在傳輸或記錄過程會產(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)字信號時，由于各種原因所造成的連續(xù)的突發(fā)性誤碼影響重放，采取在記錄時改變數(shù)字信號的順序，重放 時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。常用的檢錯和糾錯方法有 :奇偶校驗碼、交叉交織碼、循環(huán)冗余校驗碼和鄰接碼。 第 11 頁 共 32 頁 模擬信號的恢復(fù) 數(shù)字信號經(jīng)反交織、糾錯碼處理和 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。 （ 1）窗口電路 D/A 變換器的輸出信號需饋送到一個窗口電路，窗口電路是由一個模擬開關(guān)和兩個緩沖放大器組成。因為 D/A變換器的輸出信號必須經(jīng)過一定時間后才能達(dá)到穩(wěn)定值 ，利用來自模擬開關(guān)的控制信號，可在波形穩(wěn)定后讀出電壓值，輸出 PAM信號。 （ 2）解調(diào)低通濾波器 當(dāng)窗口電路輸出的 PAM信號，如果設(shè)計得使下一個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€脈沖響應(yīng)的合成波，重現(xiàn)出原信號的波形。 第 12 頁 共 32 頁 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 在前一章介紹的數(shù)字錄音原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際的情況和需要，從系統(tǒng)的任務(wù)和要求入手，開始對系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計。 系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計 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)來實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換，因此不需要再另外設(shè)計專門的 AD與 DA變換電路，其中單片機(jī)中的 DA變換己實現(xiàn)窗口電路的功能，所以本系統(tǒng)也無需再設(shè)計窗口電路。在語音信號從駐極體麥克風(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 。同樣在放音的時候，信號經(jīng)過 DA變換后，也要經(jīng)過濾波和放大處理，最后通過揚聲器將語音播放出來。 為了保證錄音時間滿足要求，本系統(tǒng)連接了一片 Flash Memory來存儲語音文件和其它的相關(guān)參數(shù)。 Flash Memory又稱閃爍存儲器、快閃存儲器，是一種高密度低成本的大容量新型半導(dǎo)體存儲器，由于 Flash Memory斷電后數(shù)據(jù)不會丟失，同時它的容量較大，32M的空間在 ，錄音可達(dá)到 40多分鐘的時間。因此， Flash Memory是實現(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。考慮到應(yīng)對本數(shù)字錄音系統(tǒng)進(jìn)行控制，以實現(xiàn)錄放音等操作，所以本系統(tǒng)設(shè)計了 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 共 32 頁 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 號放大電路和輸出信號電路組成，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，聲音信號放大后通過 AD管腳進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)過 AD轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)被存儲在Flash Memory 中，放音時單片機(jī)將存儲在 Flash Memory中的語音數(shù)字信號 (可以是錄音數(shù)字文件數(shù)據(jù)，也可以是固定的語音文件數(shù)據(jù) )。經(jīng)過 DA轉(zhuǎn)換后再經(jīng) DA管腳輸出，經(jīng)輸出電路通過揚聲器將聲音播放出來。 錄音的命令格式是 :RECORD[文件名 ]， [日期 ]， [時間 ]， [格式 ]。錄音結(jié)