【正文】 ...........................................................................................10圖 31 硬件系統(tǒng)框圖...........................................................................................................14圖 32 硬件總電路圖...........................................................................................................15圖 33 AT89C52 引腳圖.....................................................................................................18圖 35 ISD2560 引腳圖......................................................................................................18圖 41 軟件流程圖...............................................................................................................20圖 42 錄音軟件程序框圖...................................................................................................21圖 43 放音軟件程序框圖...................................................................................................23圖 44 語音信號(hào)引入與打開圖...........................................................................................26圖 45 語音信號(hào)定點(diǎn)分析圖...............................................................................................27圖 51 濾波和頻譜分析圖...................................................................................................29插表清單表 21 數(shù)字音頻質(zhì)量等級(jí)表...............................................................................................11表 31 單片機(jī)引腳功能表...................................................................................................17引 言隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，公安、鐵路、民航、金融等部門對(duì)語音記錄的需求不斷增長。數(shù)字語音錄放系統(tǒng)是將現(xiàn)場的語音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)，然后存儲(chǔ)在一定的存儲(chǔ)介質(zhì)上的一種錄音方式，它也是數(shù)字語音處理技術(shù)中常用的一種方式。實(shí)現(xiàn)數(shù)字語音錄放系統(tǒng)可以采用PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)和嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩種方式。而嵌入式系統(tǒng)的體積小，供電方便，造價(jià)低，穩(wěn)定性也高，所以得到了廣泛的應(yīng)用。本文用單片機(jī) AT89C52 和錄放時(shí)間達(dá) 60S 的數(shù)碼語音芯片 ISD2560 設(shè)計(jì)了一套智能語音錄放系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了語音的錄取、濾波和頻譜分析、回放，通過軟件的修改還可以實(shí)現(xiàn)整段錄取，循環(huán)播放，而且不必使用專門的 ISD 語音開發(fā)設(shè)備。相對(duì)于模擬設(shè)備來說，數(shù)字設(shè)備易于集成、小型化、成本更低，同時(shí)更為穩(wěn)定，且操作更為直接、方便，使得數(shù)字語音錄放系統(tǒng)目前在各種領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。 然而目前一般的數(shù)字語音錄放系統(tǒng)中，對(duì)語音只是進(jìn)行簡單的采集、存儲(chǔ)和播放；雖然可以較大程度上保證語音的保真度，但過多的語音數(shù)據(jù)會(huì)造成對(duì)大量存儲(chǔ)設(shè)備的需求。 近年來，語音信號(hào)處理技術(shù)研究的突飛猛進(jìn)，為數(shù)字語音錄放系統(tǒng)提供了新的發(fā)展空間。舉例來說，原始語音一般都是采用 8KHz 抽樣，16bits 的線性 PCM 編碼進(jìn)行采集，在一般的系統(tǒng)中就直接將采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；而如果采用參數(shù)編碼對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，存儲(chǔ)量則可以大大減少，當(dāng)需要恢復(fù)語音時(shí)，可利用編碼后的參數(shù)進(jìn)行合成，可以得到質(zhì)量令人滿意的結(jié)果。在空氣中，聲源的振動(dòng)會(huì)使周圍的空氣質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生一定的疏密變化，并以一定的速度傳播出去形成聲波。包圍地球表面的大氣層，隨高度的不同而存在不同的大氣壓強(qiáng)。人耳剛好能聽到的聲壓約為210 5Pa，在房間中大聲說話，~。單位時(shí)間內(nèi)穿過垂直聲波傳播方向單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)，單位是瓦/平方米(W/m2)。人耳能感覺到的聲振動(dòng)約在20Hz20kHz之間，稱為可聽聲。噪聲也用它的聲壓級(jí)dB數(shù)來表示它的大小，稱為噪聲級(jí)。由于第一個(gè)聲音存在而使第二個(gè)聲音提高的現(xiàn)象稱為掩蔽效應(yīng)。 數(shù)字音頻技術(shù)的概念模擬量是指在時(shí)間上和幅度上都是連續(xù)的量，聲波就是聲壓幅度隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量，它由傳聲器轉(zhuǎn)換成聲頻信號(hào)后，也是時(shí)間和電壓幅度都連續(xù)變化的模擬信號(hào)。幅度連續(xù)而時(shí)間不連續(xù)的信號(hào)是脈沖幅度(PAM)調(diào)制信號(hào)。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。（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。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。數(shù)字錄音具有下列優(yōu)占。（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。（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。 取樣（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)。根據(jù)取樣定理，當(dāng)取樣頻率f s為被取樣信號(hào)最高頻率f h的兩倍時(shí)，則被取樣信號(hào)可以被恢復(fù)，即f s≥2fh。2）防混疊低通濾波器的截止特性。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。為了將聲頻信號(hào)嚴(yán)格限制在f 以下，應(yīng)先讓原信號(hào)h通過一個(gè)高頻截止頻率為f 的低通濾波器后再進(jìn)行取樣。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。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。在數(shù)字語音技術(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)。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)。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。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。信號(hào)幅度小時(shí)，信噪比低，噪聲較明顯。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。2量化噪聲 222022MNVd????? （）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 ()??可見，量化比特?cái)?shù)M越大，信噪比越好。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。量化噪聲隨量化比特?cái)?shù)增大而相應(yīng)減小，但不能減為零。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。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。 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。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的聲音。 語音的錄入與打開 在MATLAB中，[y,fs,bits]=wavread(39。,[N1 N2])。[N1 N2]表示讀取從N1 點(diǎn)到N2點(diǎn)的值。用來采集聲音； t表示錄音時(shí)間，fs 采樣頻率，ch 聲道。 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。如果 x長度是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)執(zhí)行N點(diǎn)的FFT，若x為向量且長度小于N，則函數(shù)將x補(bǔ)零至長度N ；若向量x的長度大于N，則函數(shù)截短x使之長度為N；若x 為矩陣，按相同方法對(duì)x進(jìn)行處理。在信號(hào)的過濾、檢測和參數(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)。 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） ，就能完成語音信號(hào)的數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)語音的存儲(chǔ)與回放，及單片機(jī)測控系統(tǒng)的語音提示報(bào)警及語音提示操作。直接采用單片機(jī) AT89C52 與專用的語音處理芯片 ISD2560 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)語音存儲(chǔ)與回放，實(shí)現(xiàn)語音的分段錄取、組合回放。所以，選擇此方案。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：單片機(jī)控制部分、語音播報(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)語音報(bào)站，顯示采用 OCMJ2X8 液晶顯示模塊，簡單易行且控制方便。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。P3 口是 7 個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的雙向口。ISD2560 與單片機(jī) AT89C52 的接口電路以及外圍電路如圖 51 所示。~ 用以控制錄放音狀態(tài)。由 TL7705 構(gòu)成可靠復(fù)位及電源監(jiān)視電路。 主要性能參數(shù)：8k字節(jié)可重擦寫Flash 閃速存儲(chǔ)器全靜態(tài)操作：0Hz —24MHz 2568字 節(jié) 內(nèi) 部 RAM3個(gè) 16位 定 時(shí) /計(jì) 數(shù) 器可 編 程 串 行 UART 通 道同時(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。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。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。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。這是一種永久記憶型語音錄放電路，錄音時(shí)間為 60s，可重復(fù)錄放 10 萬次。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)語音、音樂、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 控制電平與 TTL 電平兼容，接口簡單，使用方便。圖 35 所示是其引腳排列。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。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。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