【正文】 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo)教師職稱： 2021 年 6 月 摘要 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 I 數(shù)字化語音存貯與回放集成系統(tǒng)設(shè)計 摘要： 本次課題 設(shè)計了比起傳統(tǒng)的磁帶語音錄放系統(tǒng)更優(yōu)化的數(shù)字化語音存貯與回放系統(tǒng)，此系統(tǒng)更加的方便實用。其基本原理即是實現(xiàn)對語音信號的錄制與回放的數(shù)字化控制，從而擺脫了傳統(tǒng)方式的一系列制約。而且為了提高語音信號的錄制與回放質(zhì)量，在設(shè)計中加入了數(shù)字濾波電路來抑制雜音和干擾。在針對語音信號的存儲，本文采 用了 AD574 來 實現(xiàn)對模擬信號的數(shù)字化處理，而在對信號回放時則采用 DAC0832 對數(shù)字語音信號進(jìn)行數(shù) 模轉(zhuǎn)換以還原聲音信號。 AGC 單元能夠使放大器的增益隨著信號的強(qiáng)弱而自動進(jìn)行調(diào)整，從而使得輸出相對穩(wěn)定。完成后的語音存儲與回放系統(tǒng)具有錄放方式靈活便利、磨損度微小、可靠性強(qiáng)等 優(yōu) 點。該設(shè)計包含語音采集電路，放大濾波電路，單片機(jī)外圍接口電路，數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等，當(dāng)然除了硬件設(shè)計，還應(yīng)用到了軟件設(shè)計部分，從而也會用到一些相關(guān)處理程序， C 語言的相關(guān)應(yīng)用等，這樣我們就可以重新溫習(xí)那些重要的相關(guān)知識。為了滿足人們的物質(zhì)文化需求，提供便利的語音錄放功能，數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的發(fā)展不容忽視。 對于語音的存儲與回放一直以來都是人們一直研究的內(nèi)容，而且也在不斷的發(fā)展和進(jìn)步中。從留聲機(jī)到唱片到磁帶到 CD， VCD，再到現(xiàn)在的 MP3播放器及其他高級播放設(shè)備，期間一直不斷探索創(chuàng)新。 課題研究背景 隨 著物質(zhì)發(fā)展及消費水平是不斷提高，現(xiàn)在的人已經(jīng)離不開音樂，并且對聽覺的要求也越來越高，語音信號作為最常用的信息載體之一 ,它的處理與存儲 ,也變得越來越重要。并且 傳統(tǒng)的磁帶語音錄放系統(tǒng)因為其體積較大、使用起來不方便，而且錄音的效果不理想，容易消磁失真，而數(shù)字化語音錄放系統(tǒng)以其體積小，使用便利，攜帶 方便，存儲速度快，檢索方便等優(yōu)點，將會逐漸成為主流語音錄放系統(tǒng)，并且會應(yīng)用到許多的領(lǐng)域和場合。 人們生活水平的不斷提高，就要求語音錄放系統(tǒng)的不斷發(fā)展升級，而且在生活中方方面面都應(yīng)用到語音錄制回放系統(tǒng)，例如，錄音筆，音樂播放器等。比如，生活中各個行業(yè)的智能語音系統(tǒng)，像銀行的語音播報系統(tǒng)，移動聯(lián)通電信行業(yè)的智能語音客服系統(tǒng)，以及軌道交通智能語音通報系統(tǒng)以及一些景點博物館等的智能語音解說系統(tǒng)等等的一些應(yīng)用。 國內(nèi)外語音研究現(xiàn)狀 自從 1877 年愛迪生發(fā)明留聲機(jī)以來，語音技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有一百多年的歷史了，從80 年代以來，日本，美國等國家就對數(shù)字化語音信號進(jìn)行了相關(guān)的研究，并且也逐漸開發(fā)出一系列的數(shù)字化語音集成芯片，并不斷研發(fā)出新型產(chǎn)品。 最近幾年來基于單片機(jī)式的語音集成電路發(fā)展 十分迅速， ISD 公司也推出了語音容量越來越大的芯片。隨著單片機(jī)芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，使得數(shù)字化語音信號集成電路也不斷地發(fā)展與技術(shù)革新，這就表示我們可以將很多復(fù)雜的電路集成到小型的單片式芯片上，使得大規(guī)模語音系統(tǒng)小型化得以實現(xiàn)。 設(shè)計的要求及指標(biāo) 1 放大 器 1的增益是 46dB，放大器 2 的增益是 40dB，增益都是可以調(diào)節(jié)的； 2 帶通濾波器：通帶頻率為 ； 3 ADC：采樣頻率 fs=8kHz，字長＝ 8 位 。 5 DAC：變換頻率 fc=8kHz，字長＝ 8 位 。 系統(tǒng)論證方案 語音編碼方案 一般來說，人耳能聽到的聲音頻率范圍基本上為 20Hz～ 20kHz ，而且 語音信號的頻率最高可以達(dá)到 3400Hz。根據(jù)“奈奎斯特采樣定理”的內(nèi)容表示 ,欲使采樣信號無失真 ,采樣的頻率 一定要 大于模擬信號最 大 頻率的兩倍?，F(xiàn)如今單片機(jī)的快速發(fā)展及更新?lián)Q代，使得基于單片機(jī)來實現(xiàn)的語音編碼多種多樣，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)以及一 些變換編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但是這些算法可能相對來說有點復(fù)雜，而且目前的單片機(jī)運行速度低，比較不容易實現(xiàn)。但是對于單片機(jī)來說，因為其處理數(shù)據(jù)能力較低，所以此種方案比較難以實現(xiàn)。 A/D、 D/A 及存儲芯片的選擇 （ 1） A/D 轉(zhuǎn)換芯片的選擇：由于目前常用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片種類繁多，但是根據(jù)本課題中轉(zhuǎn)換速度的要求，我們所選用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片為 AD574。 （ 2） D/A 轉(zhuǎn)換芯片的選擇： D/A轉(zhuǎn)換芯片是把數(shù)字語音信號轉(zhuǎn)換為模擬語音信號的器件，因為基本上普通的模擬換器件都能達(dá)到 1μ s的轉(zhuǎn)換速率，能 夠滿足本次的設(shè)計 目標(biāo) ，因此我們選用了通用 D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832。因此本次選用 RAM62256 作為數(shù)據(jù)存儲器，通常情況下，一塊 62256 芯片可以存儲60秒鐘左右的語言。 具體設(shè)計過程就是：利用拾音器對語音信號進(jìn)行采集，把語音信號轉(zhuǎn) 變 成電信號。之后經(jīng)過帶通濾波器濾波處理，處理后的信號利用 A/D 轉(zhuǎn)換器 把 模擬信號轉(zhuǎn) 變 為數(shù)字信號，接著要對此數(shù)字信號 通過 壓縮編碼后送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)存儲到存儲器中。本 文的工作內(nèi)容主要是硬件的設(shè)計。 主要設(shè)計流程如下所示： 圖 語音存儲與回放系統(tǒng) 設(shè)計流程 圖 拾音器 放大器 1 帶通濾波器 AD轉(zhuǎn)換 單片機(jī) AT89C51 存儲器 DA 轉(zhuǎn)換 帶通濾波器 放大器 2 耳機(jī) 數(shù)字化語音存貯與回放集成系統(tǒng)設(shè)計 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 5 第 2 章 語音信號與編碼 語音信號 語音信號就是指能攜帶語音波形信號的語言信息。將語音信號頻率分成幾個范圍， 0～ 20Hz 范圍內(nèi)為次聲波信號，此種頻率的語音信號人耳無法聽見；大于 20KHz 頻率的語音信號則稱為超聲波，同樣人耳無法聽見；頻率在 20Hz～ 20KHz 范圍內(nèi)為音頻信號，通常情況下人的正常說話頻率在300Hz～ 3400Hz，此頻率段信號為話音信號。所以，語音編碼技術(shù) 一直就是特別 重要 的一環(huán) 。語音編碼 通俗來講是對 模擬的語音信號進(jìn)行編碼，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然而將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號要經(jīng)過抽樣 ，量化，和編碼三個過程。圖中 m（ t）是一個模擬信號。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。沖擊脈沖在圖 21中用一些箭頭表示。 數(shù)字化語音存貯與回放集成系統(tǒng)設(shè)計 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)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。 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(fù)出此模擬信號。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(chǔ)。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(jìn)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。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。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(jìn)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。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(jìn)制 形式 的數(shù)字脈沖信號。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(jìn)制的符號，例如“ 0”和“ 1”，表示此離散數(shù)值。相比之下，傳輸 PCM 信號占用更大帶寬。而 在此編碼方案中得到廣泛應(yīng)用的一種基本預(yù)測方法就是差分脈沖編碼調(diào)制（ DPCM）。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。 數(shù)字化語音存貯與回放集成系統(tǒng)設(shè)計 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)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(jī)控制部分）和輸出信道。 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(shè)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(jìn)行放大，方便進(jìn)行采樣，然后對信號進(jìn)行濾波，之后對模擬信號進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，方便單片機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)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。 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(jī) 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(shè)計 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)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(shè)備的一個器件，它是由麥克風(fēng)和音頻放大電路構(gòu)成。作為系統(tǒng)的初始信號輸入器件，拾音器應(yīng)多采用高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)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。目前放大器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要是應(yīng)用在通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動控制等一系列的裝備設(shè)備中。使用運放將之前的微弱信號進(jìn)行放大 200 倍放大到伏特級別即可滿足需求。 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。本文中主要采用了 LM386 來實現(xiàn)輸出功率放大的功能。 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。通常情況下，這兩個引腳會外接一個 RC 網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)決定了此放大電路的增益。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。 濾波器的設(shè)計 濾波器，通俗地說就是對輸入信號波形進(jìn)行過濾的一種器件。通常在設(shè)計中，會使用濾波器來處理信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及抑制噪聲干擾等。在實際設(shè)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。本題設(shè)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(shè)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。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(shè)計中的帶通濾波器可以 確定是寬帶帶通濾波器。由于巴特沃茲濾波器濾波器本身具備通帶內(nèi)相對平坦的響應(yīng)特性，而且為了更好地濾除帶外頻率干擾，本次可選二階巴特沃茲帶通濾波器。