语音存储器

电子技术课程设计数字化语音存储与回放系统（1999年第四届全国大学生电子设计竞赛题目）一、任务设计并制作一个数字化语音存储与回放系统，其示意图如下：二、要求1．基本要求（1）放大器1的增益为46dB，放大器2的增益为40dB，增益均可调；（2）带通滤波器：通带为300Hz～3.4kHz；（3）ADC：采样频率fs＝8kHz，字长＝8位；（4）语音存储时间≥10秒；（5）DAC：变换频率fc＝8kHz，字长＝8位；（6）回放语音质量良好。2．发挥部分在保证语音质量的前提下：（1）减少系统噪声电平，增加自动音量控制功能；（2）语音存储时间增加至20秒以上；（3）提高存储器的利用率（在原有存储容量不变的前提下，提高语音存储时间）。概述目前市场上专用语音芯片的种类较多，使用时电路简洁，调试方便，但有时总感其缺乏灵活性，难以满足不同场合的需要，为此设计了一个微处理器控制的语音数字化存储与回放系统。系统采用高速LinCMOS8位模数转换器TLC0820AC完成语音信息的采集，用两片静态RAM628128作片外数据存储器，用以存放语音信息，DAC0832完成语音的回放。该系统对语音信号的采样频率为8/4KHz，能对语音进行压缩，回放音质较好。其原理框图如图1。电子技术课程设计语音数字化存储与回放系统原理框图从话筒获得的语音信号经放大滤波后，送入A/D转换进行模数转换。转换后的数字化语音信号，通过单片机的控制写入片外数据存储器，完成语音数字化存储。回放时，单片机从数据存储器中将数据读出，送入并行D/A转换器，进行数模转换，转换后的模拟信号经滤波、功率放大后，实现语音回放。原理框图硬件电路部分(一)前向通道单元电路设计(1)话筒放大电路设计为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大，采用两级高输入阻抗的同相放大器，电路如图2。每级放大器的放大倍数按式2-1和式2-2计算。3111RRAPV5221RRAPV2-12-2电子技术课程设计(2)带通滤波器电路本电路采用二阶无限增益高、低通滤波器构成300Hz-3.4KHz带通滤波器，其电路如图3。参数计算：由二阶无限增益高、低通滤波器设计公式：CRRc5621341RRAV213221CCRRC13RRAV（2-3）（2-4)（2-5）（2-6）电子技术课程设计(2)带通滤波器电路(续)由二阶无限增益高通滤波器设计公式（2-3）、（2-4），截止频率选300Hz，品质因数Q取0.707；对低通滤波器可根据式（2-5）、（2-6）进行计算，其中截止频率选取3.4KHz，品质因数Q取0.707,具体设计、计算方法参见文献1。经理论计算，再使用ElectronicsWorkbench电路分析仿真软件，在电脑上仿真低通及高通滤波器,最后确定带通滤波器元器件参数如图3。其幅频特性和相频特性如图4。电子技术课程设计(3)A/D转换电路若采样频率取8KHZ，所选A/D转换器转换时间必须小于125us。我们选用高速linCMOS8位模数转换器TLC0820AC。TLC0820AC可在整个温度范围内以1.18us完成8位A/D转换。器件能以高达100mv/us的斜升速率转换连续模拟信号而无需外部采样器件。该器件有两种工作方式：读及写读方式。可以通过MODE端选择。当MODE端处于低电平时，转换器被设为读方式。本系统将其设计为读方式，单片机只需定时对A/D转换后的数据进行读取，采样频率完全由单片机控制，这样有利于采样频率的调节。由于TLC0820AC为单极性A/D转换器，所以在其输入前加了一级电平偏移电路，见图3。TLC0820AC与单片机的接口电路见图6。电子技术课程设计(二)主控电路主控电路如图6所示，该电路核心芯片是AT89C51，主要完成A/D和D/A转换的控制、数据的存储与读写、语音信息的处理以及键扫描。两片628128是SRAM，用于存储语音信息。可根据录音时间的长短即语音的信息量选择SRAM的容量。该系统中选择两片628128共256K个字节，若采用8KHZ的采样频率，可以录取32s的信息。录音时间可按式2-9计算（不考滤压缩情况）。其中T为录音时间，DRAM为SRAM的容量（单位为Bit），fs为采样频率。sRAMfDT(2-9)电子技术课程设计(三)后向通道单元电路设计：D/A转换电路：数模转换采用8位D/A转换器DAC0832。DAC0832与微处器完全兼容，其价廉、接口简单、易于控制，与单片机接口电路如图6，由于DAC0832为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出，需要外加转换电路，所以选用两片uA741组成具有双极性输出的I/V转换电路。带通滤波器及功率放大电路带通滤波器设计方法与前向通道中的带通滤波器相同。功率放大设计采用TDA2822。电子技术课程设计(四)软件设计单片机AT89C51通过片选方式读A/D转换数据、写数据存储器以及将数据送入D/A转换器。录音时AT89C51通过定时器T0控制采样频率，定时将A/D转换数据存入数据存储器628128中。放音时，单片机AT89C51通过定时器T0控制，定时地将数据从数据存储器中取出送往D/A转换器进行数模转换。讨论3.1音质和信噪比的改善本系统完成了语音拾取、数字化存储及回放功能。对300Hz~3.4KHz范围内音频信号进行存储和回放，低频段效果较好，高频段稍次。如果提高采样频率，高频段音质可得到改善。带通滤波器矩形系数稍差。如果采用高阶（如四阶或六阶）带通滤波器，噪音会减少，信噪比能得以改善。电子技术课程设计采样频率的选取由采样定理:即:采样频率应为被测信号最高频率的2倍,本文中由于带通滤波器的上限频率为3.4KHz,所以采样频率选取8KHz，若上限频率减少则可以适当改变采样频率。max2fifs电子技术课程设计应用探讨可以根据需要，如：在不改变硬件的条件下要延长录音时间，则可以用软件对语音信息进行语音压缩,或减少采样频率使其为4KHz。也可以为满足某些实际需要对语音信息进行分段录取，然后再以不同的组合方式进行回放。电子技术课程设计补充：专用语音芯片ISD2560是ISD系列单片语音录放集成电路的一种，它是一种永久记忆型录放语音电路，录音时间为60s，能重复录放达10万次。它采用直接电平存储技术，省去了A/D、D/A转换器。ISD2560集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、虑波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和480K字节的EEPROM等等。内部EEPROM存储单元，均匀分为600行，具有600个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的地址分辨率为100ms。ISD2560控制电平与TTL电平兼容，接口简单，使用方便。管脚排列如图1（b）所示。引脚功能说明A0-A9为地址线，共有1024种组合状态。最前面的600个状态作内部存储器的寻址用，最后256个状态作为操作模式（具体使用参见文献2），本系统采用对地址直进行操作的方式。微处理器接口端：P/R录放音控制端，此端为高电平时为放音状态，为低电平时为录音状态；/CE端用于录放音时的启停控制，通常与P/R端配合使用。/EOM端为每段信息结束信号输出端，/EOM为负向信号，时间为12.5ms,/EOM上升沿标志信息结束。MICIN是话筒前置放大器输入端，MICREF为话筒补偿端，与麦克风连接电路如图2；AGC自动增益控制端；ANAIN与ANAOUT是模拟信号的输入端和输出端，它们之间连接耦合电容，通常取值为0.22uF-1uF。ISD2560与单片机GMS97C2051的接口电路以及外围电路如图2所示。单片机的P1口、P3.4和P3.5与ISD2560的地址线相连用以设置语音段的起始地址。P3.0-P3.3用以控制录放音状态。P3.7扩展一录音键，供录音是使用。内部地址单元寻址ISD2560虽然提供了地址输入线，但它的内部信息段的地址确无法读出。通常使用不需要知道地址的操作模式，但这不能满足实际的不同需要，一般使用对地址进行直接操作。而要读出ISD2560内部信息地址需专用的ISD开发设备，其价格较昂贵。本系统采用单片机来控制，不需读出信息地址，而直接设置信息段起始地址。其实现方式有多种，一种方式为：由于ISD2560的地址分辨率为100ms，所以可用单片机内部定时器定时100ms，然后再利用一计数器对单片机定时次数进行计数，则计数器的计数值为语音段所占用的地址单元。该方式能充分利用ISD2560内部的EEPROM，在字段较多时可利用该方法，该方法的具体使用请参见文献4。语音字段如果较少，则可用下面的方式：根据每一字段的内容多少，直接分配地址单元。一般按每一秒说3个字计算，60s可说180个字，再根据ISD2560的地址分辨率为100ms，即可计算出语音段所需的地址单元数。本系统即采用该方式。的控制录音时，按下录音键，单片机通过口线设置语音段的起始地址，再使PD端、P/R端和/CE端为低电平启动录音，结束时，松开按键，单片机又让/CE端回到高电平，即完成一段语音的录制，同样的方法可录取第二段、第三段等等。值得注意的是，录音时间不能超过预先设定的每段语音的时间。放音时，根据需播放的语音内容，找到相应的语音段起始地址，并通过口线送出。再将P/R端设为高电平，PD端设为低电平，并让/CE端产生一负脉冲启动放音，这时单片机只需等待ISD2560的信息结束信号，即EOM的产生。EOM信号为一负脉冲，在负脉冲的上升沿该段语音才播放结束，所以单片机必须要检测到EOM的上升沿才能播放第二段，否则播放的语音就不连续，而且会产生啪啪声，这一点在编制软件时一定要注意。录放音程序框图如图4、图5所示。