【正文】 論文被查閱和借閱。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 ３ 數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)，以微處理芯片為核心，具有語(yǔ)音可控、 回 放靈活、無(wú)磨損、可靠簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。該系統(tǒng)目前有多種方案可以實(shí)現(xiàn)，其中采集成語(yǔ)音芯片是一種較簡(jiǎn)單通用的方案，但該方案智能性較差，如音量不能放大、錄音時(shí)間固定等。 目前，廣為流傳的語(yǔ)音存儲(chǔ)手段為磁帶記錄， 其體積大、使用不便 ,在電子與信息處理的使用中受到許多限制。我們?cè)谶@里將語(yǔ)音信號(hào)的存儲(chǔ)建立在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，同時(shí)為了降低噪聲提高語(yǔ)音質(zhì)量和音量的穩(wěn)定性采用了帶通濾波器和自動(dòng)增益控制電路 [2]。該系統(tǒng)采用單片機(jī)對(duì)錄音、放音、快進(jìn)、暫停等功能實(shí)現(xiàn)控制，用 DSP技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信息進(jìn)行處理，用 Flash ROM 技術(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，提高了語(yǔ)音的回放質(zhì)量和延長(zhǎng)了存儲(chǔ)時(shí)間，與盒式磁帶錄音機(jī)相比避免了機(jī)械傳動(dòng)噪音，音質(zhì)好，功耗低，具有時(shí)鐘功能，而且人機(jī)界面友好，又用中斷方式控制錄音、放音的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放的數(shù)字化 [3]。語(yǔ)音的采集是指語(yǔ)音聲波信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)和高頻放大器轉(zhuǎn)換成有一定幅度的模擬量電信號(hào) ,然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的全過(guò)程。 從語(yǔ)音的存儲(chǔ)與壓縮率來(lái)考慮，模型參數(shù)表示法明顯優(yōu)于信號(hào)波形表示法 [4]。基于這種思路的算法，除了傳統(tǒng)的一些脈沖編碼調(diào)制外，目前已使用的有 VQ 技術(shù)及一些變換編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 但是算法復(fù)雜，目前的單片機(jī)速度底，難以實(shí)現(xiàn)。 （ 1）短時(shí)平均跨零記數(shù)法 該方案通過(guò)確定信號(hào)跨零數(shù)，將語(yǔ)音信號(hào)編碼為數(shù)字信號(hào)，常用于語(yǔ)音識(shí)別中。 （ 2）實(shí)時(shí)副值采樣法 采樣過(guò)程如圖 所示。其中第三種實(shí)現(xiàn)方法最具特色，該方法可使數(shù)據(jù)壓 1： ，既有 M? 調(diào)制的優(yōu) 點(diǎn)，又同時(shí)兼有 PCM 編碼誤差較小的優(yōu)點(diǎn)，編碼誤差不向后擴(kuò)散。在放音時(shí) ,只要依原先的采樣直經(jīng) D/ A 接口處理 ,便可使原音重現(xiàn)。s 的八位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。該芯片是高速 12 位逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的 A/D 轉(zhuǎn)換 [5]。 （ 3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選擇 當(dāng)采樣頻率? s=8KHZ，字長(zhǎng)為 8 位時(shí)，一秒鐘的語(yǔ)音需要 8K字節(jié)的存儲(chǔ)空間，則存儲(chǔ)器至少需要有 80k8? 容量。 抽樣 量化 存儲(chǔ) ５ 系統(tǒng)采用 MCS51系列單片機(jī)，擴(kuò)展 256kB 的外部 RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（采用分頁(yè)存儲(chǔ)技術(shù)），采用 DPCM 方式壓縮數(shù)據(jù)，另外采用了兩只立體聲話筒作輸入，經(jīng)差分放大，用性能良好的五階契比雪夫帶通濾波器，及 ? ? ? ?ss ffff /s in// ?? 校正電 路的使用 [6]。 放大器及 A/D、 D/A 芯片的選擇 為減少系統(tǒng)噪音電平，增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，防止阻塞失真等，本放大器中設(shè)置自動(dòng)增益控制電路。數(shù)字式精度高，控制范 圍大但比模擬試復(fù)雜，因此本方案采用傳統(tǒng)的模擬試 AGC 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 A/D,D/A 及存儲(chǔ)芯片的選擇：由于題目要求語(yǔ)音信號(hào)的最高頻率為 4kHz，根據(jù)Nyquist 定理，采樣頻率取 sf =8kHz（周期 ST =125 s? ） ,即可無(wú)失真的恢復(fù)原語(yǔ)音。根據(jù)同樣的分析，變換頻率選取 8kHz，采用DAC0832。 該方案以單片機(jī) 8031 為核心器件，以 128kBRAM 陣列為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 M? 和 DPCM 是兩種語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)，可分別將語(yǔ)音速率由 ６ 64kb/s 壓縮到 8kb/s 和 32kb/s。 以上三種方案均有其可取和不足之處，考慮到其易行性、簡(jiǎn)便性等多種因素決定采取第一種方案。 整個(gè)系統(tǒng)框架圖如圖 所示： 圖 整 體框圖 系統(tǒng)組成如圖所示 ,由輸入通道、 AT89C51 單片機(jī)和輸出通道三部分組成。拾音器輸出的毫伏信號(hào)實(shí)測(cè)其范圍約為 20~25mV，此電信號(hào)太小不能夠進(jìn)行采樣，后級(jí) A/D 轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為 0~5V，語(yǔ)音信號(hào)的范圍與采樣范圍的比較得出放大器的放大倍數(shù)應(yīng)為 200 倍左右，此處將信號(hào)通過(guò)一增益為 46dB 的放大器，將其放大到伏特量級(jí)，輸出級(jí)放大電路亦采用這種電路，兩級(jí)放大電路都采用增益可調(diào)的典型電路。此處將其通過(guò)一增益為 46dB 的放大器，因此，將帶通濾波器設(shè)計(jì)為典型的 300Hz~,輸出級(jí)帶通濾波器亦為 300Hz~,這樣既可濾掉低頻分量又可濾掉 D/A轉(zhuǎn)換帶來(lái)A/D 轉(zhuǎn)換電路 帶通濾 波器 D/A 轉(zhuǎn)換電路 帶通濾波器 輸出放大器 耳機(jī) 電源電路 89C51 單 片 機(jī) 鍵盤設(shè)定 存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)顯示 增益放大器 拾音器 ７ 的高頻分量，很好的濾除掉噪聲。經(jīng)量化后，微處理器將數(shù)據(jù)存到處理器，需要時(shí)再將其回放，存入與放出由開(kāi)關(guān)通過(guò)微處理器來(lái)控制實(shí)現(xiàn)。為了使 A/D 的輸入信號(hào)穩(wěn)定在其動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，在輸入級(jí)加上了自動(dòng)增益控制電路，同時(shí)也使音量穩(wěn)定。它在通訊、噪聲控制、環(huán)境檢測(cè)、音質(zhì)評(píng)價(jià)、文化娛樂(lè)、超聲檢測(cè)、水下探測(cè)和生物醫(yī)學(xué)工程及醫(yī)學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用 [10]。 單純的磁性拾音器工作的電學(xué)原理 為 當(dāng) 聲音 在銅絲繞制的線圈內(nèi)震動(dòng)切割被該線圈所纏繞的磁 芯產(chǎn)生的磁感線時(shí)，線圈內(nèi)感應(yīng)出電信號(hào)并流出。 拾音器包括拾音頭（換能裝置、唱針）和音臂等附件。電磁式拾音頭，用電磁感應(yīng)原理，將機(jī)械振動(dòng)變換成電信號(hào)的幅度響應(yīng)拾音頭。唱針耦合在線圈上的稱 動(dòng)圈 式，耦合在磁鋼上的稱動(dòng)磁式。在本設(shè)計(jì)中決定采用動(dòng)圈式拾音器 （１） 增益放 大器 拾音器輸出的毫伏信號(hào)實(shí)測(cè)其范圍約為 20~25Mv 此電信號(hào)太小不能夠進(jìn)行采樣，后級(jí) A/D轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為 0~5V，語(yǔ)音信號(hào)的范圍與采樣范圍的比較得出放大器的放大倍數(shù)應(yīng)為 200 倍左右，此處將信號(hào)通過(guò)一增益為 46dB 的放大器，將其放大到伏特量級(jí)，輸出級(jí)放大電路亦采用這種電路，兩級(jí)放大電路都采用增益可調(diào)的典型電路 [12]。但考慮到實(shí)際中經(jīng)?；赜玫嚼韧夥?，故在本系統(tǒng)中增加外放功能，前端放大器采用通用型音頻功率放大器 LM386 來(lái)完成 [13]。該電路增益為 50～ 200，連續(xù)可調(diào)，最大不失真功率為325mW。工程上常用它來(lái)作信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等。以往這種濾波電路主要采用無(wú)源元件 R、 L 和 C 組成， 60 年代以來(lái)，集成運(yùn)放獲得了迅速發(fā)展，由它和 R、 C 組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn) [14]。但是，集成運(yùn)放的帶寬有限，所以目前有源濾波電路的工作頻率難以作的很高，這是它的不足之處。按照通帶和阻帶的相互位置不同，濾波器可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。當(dāng)相位響應(yīng) ???? 作線性變化，即時(shí)延響應(yīng) ????為常數(shù)時(shí)，輸出信號(hào)才可能避免失真。 延時(shí)向量 ???? ： ? ? ? ?? ?sdd ????? ?? 聲音信號(hào)經(jīng)動(dòng)圈拾音器轉(zhuǎn)有源濾波器換成電壓信號(hào)，通過(guò)前級(jí)放大，在對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，有必要經(jīng)過(guò)帶通濾波器除帶外雜波，選定該濾波器的通帶范圍為 300Hz~： １． 保證 300～ 3400Hz 的語(yǔ)音信號(hào)不失真的通過(guò)濾波器； ２． 濾除帶外的低頻信號(hào)，以減少帶外功頻等分量的干擾，大大減少噪聲影響，該下限頻率可下延到 270Hz 左右； ３． 便于濾除帶外的高次諧波，以減 少因 8kHz 采樣率而引起的混疊失真，濾波電路 ??t1? ??t0? １０ 根據(jù)實(shí)際情況，該上限頻率可在 2700Hz 左右，帶通濾波器按品質(zhì)因數(shù)Q 的大小為窄帶濾波器（Ｑ＞ 10）和帶通濾波器（Ｑ＜ 10 兩種，本題中，上限頻率 fh=3400Hz,通帶濾波器中心頻率 f0 與品質(zhì)因數(shù)Ｑ分別為 f0= 1FhF = 3003400 ? =1010Hz Q= 100 ??? fFh FBWF 顯然， Q＜ 10，故該帶通濾波器為寬帶帶通濾波器．帶寬帶通濾波器由高通和低通濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成 ，鑒于 Butterworth 濾波器帶內(nèi)平坦的響應(yīng)特性，我們選用二階 Butterworth 帶通濾波器，電路如圖 所示．實(shí)驗(yàn)證明，該濾波器能有效的濾除低頻分量，大大減少噪聲干擾，與之同時(shí)也綠除了多余的高頻分量，消除了高頻失真，性能足以滿足要求 [15]。該穩(wěn)壓電源，電壓可調(diào)范圍 ~25V,最大負(fù)載電流 [16]。該電壓經(jīng)集成電路 LM317 后得穩(wěn)壓輸出 ,調(diào)節(jié)電位器 RP,即可連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓。 VD5 為本電源的工作指示燈，電阻 R1 是限流電阻。各元件具體參數(shù)如圖所標(biāo)。它是在一塊芯片上集成中央微處理器（ Central Processing Unit, CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ Random Access Memory, RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ Read Only Memory, ROM）、定時(shí) /計(jì)數(shù)器及 I/O（ Input/Output）接口電路等部件，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。 正是由于單片機(jī)具有上述顯著的特點(diǎn)，使單片機(jī)的應(yīng)用范圍日 益擴(kuò)大。使用單片機(jī)具有體積小、可靠性高、性能價(jià)格比高和容易產(chǎn)品化的優(yōu)點(diǎn)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 １２ 圖 89C51 引腳圖 89C51 有 40 個(gè)引腳， 4 個(gè) 8 位并行輸入 /輸出（ I/O）端口： P0、 P P P3，其中， P1 是完整的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，兩個(gè)外中斷， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器，兩個(gè)全雙向串行通信口，一個(gè)模擬比較放大器。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 P1 口： P1 口是 一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地 址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。P2口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。當(dāng) P3 口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P3口也可作為 89C51 的一些特殊功能口，如下表 所示： 表 P3 口管腳的特殊功能 引腳 第 二 功 能 RXD (串行輸入口 ) TXD (串行輸出口 ) INTO (外部中斷 0 請(qǐng)求輸入端 ) INT1 (外部中斷 1 請(qǐng)求輸入端 ) T0 (定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0 記數(shù)脈沖輸入端 ) T1 (定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 記數(shù)脈沖輸入端 ) WR (片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端 ) RD (片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器讀選通信號(hào)輸出端 ) RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。 １４ EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出?？捎袝r(shí)鐘輸出 \位處理能力 4. 89C51 單片機(jī)的主要組成部分 (1) CPU CPU 是單片機(jī)的核心部分 ,他的作用是讀入和分析每條指令 ,根據(jù)每條指令的功能要求 ,控制各個(gè)部件執(zhí)行相應(yīng)的操作。 運(yùn)算器 運(yùn)算器主要包括算術(shù)、邏輯運(yùn)算部件 ALU、累加器 ACC、寄存器 B、暫存器 YMP YMP程序狀態(tài)寄存器 PSW、布爾處理器及十進(jìn)制調(diào)整電路等。 控制器 控制器包括時(shí)鐘發(fā)生器 、定時(shí)控制邏輯、指令寄存器指令譯碼器、程序計(jì)數(shù)器 PC、程序地址寄存器、數(shù)據(jù)指針寄存器 DPTR 和堆棧指針 SP 等。它的功能是從程序存儲(chǔ)器中提取指令，送到指令寄存器，再進(jìn)入指令譯碼器進(jìn)行譯碼，并通過(guò)定時(shí)和控制電路，在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需要的全部?jī)?nèi)部控制信息及 CPU 外部所需要的控制信號(hào)，如 ALE、 PSEN、 RD、 WR 等，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的各 １５ 種操作。程序存儲(chǔ)器的尋址范圍可以有 64KB 與此相應(yīng) , 程序存儲(chǔ)器的編址自 0000H 開(kāi)始 ,最大可至FFFFH。對(duì)于片內(nèi)有程序存儲(chǔ)器的芯片， CPU 的控制器專門提供一個(gè)控制信號(hào) EA 來(lái)區(qū)分，當(dāng) EA 為無(wú)高電平時(shí)，復(fù)位后單片機(jī)先執(zhí)