完整版数字化语音存储与回放系统设计(附带程序)

本科生毕业论文(设计)题目：数字化语音存储与回放系统的设计学生姓名：李进国学号：200611020120专业班级：电信06101班指导教师：彭光含完成时间：2010年5月10日数字化语音信号存储与回放系统设计1目录摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31系统的方案论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32系统硬件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42.1拾音器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52.2放大器设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．62.3可调稳压电源的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．82.4AT89C51介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．82.5D/AA/D转换器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102.5.1D/A转换器DAC0832的介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102.5.2A/D转换器DA574的介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．112.6存储器的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．122.7键盘的设定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．133模块接口原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．133.1AT89C51和AD574的接口原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．133．2DAC0832与单片机的接口原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．153.3存储芯片与单片机的接口原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．164系统接口总图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．163.5系统的校正．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．174软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．195结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19答谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20附录：总程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21数字化语音信号存储与回放系统设计2数字化语音存储与回放系统的设计专业：电子信息科学与技术姓名：李进国指导老师：彭光含摘要:本文介绍的数字化语音存储与回放系统将完全可以替代传统的磁带语音录放系统。其基本原理是对语音的录音与放音的数字化控制。为了增加语音存储时间，提高存储器的利用率，采用了非失真压缩算法对语音信号进行压缩后再存储，而在回放时再进行解压缩，同时,该系统对语音信号分别采用了数据采集直存直取,欠抽样采样和自相似增量调制等三种方法,完成了对语音信号存储与回放。关键词：数字化存储，回放，数字滤波，采样，模/数转换，校正DesignofDigit-VoiceRecorderandPlaybackSystemElectronicsandInformationScienceandTechnologyAdvisor:PengGuanghanCandidate:LiJinguoAbstract:Thedigit-voicerecorderandplaybacksystemthatthispaperintroducescanbesubstitutedfortraditionaltaperecordsystem.Itsbasicprinepleisthedigitalcontrolfortherecowdeandplaybackofvoice.Forincrease，toincreasepronunciationstoretimeandraiseutilizationratioofthememory,itadoptsnon-distortedtocompressalgorithmbeforestoringtopronunciationsignalandtodecompressintheplayback.Atthesametime,systemthesystemintroducesthedirectstore&accessofdatacollection,andAGConacousticsignalrespectivelytostoreandplaybackcompletely.Keywords:Digitalstore，Playback,Digitalfilter，Sample，A/DConvert，Correcting引言语音信号处理属于信息科学的一个重要分支，大规模集成技术的高度发展和计算机数字化语音信号存储与回放系统设计3技术的飞速前进，推动了这一技术的发展。在数字音频技术和多媒体技术迅速发展的今天，传统的磁带语音录放系统因体积大、使用不便、放音不清晰而受到了巨大挑战。采用单片机对语音进行录放解决体积大的问题。单片机语音录放系统是以数字电路为基础，利用数字语音电路来实现语音信号的数据化、存储、还原等任务，数据化原理语音电路是一种集语音合成技术、大规模集成电路技术以及微控制器技术为一体的一种新型技术。其中关键技术在于：为了增加语音存储时间，提高存储器的利用率，采用了非失真压缩算法对语音信号进行压缩后再存储，而在回放时再进行解压缩。同时，对输入语音信号进行数字滤波以抑制杂音和干扰,从而确保了语音回放的可靠质量。语音集成电路与微处理器相结合，具有体积小、扩展方便等特点，具有广泛的发展前景。1系统方案论证语音编码方案：人耳能听到的声音是一种频率范围为20Hz～20000Hz,而一般语音频率最高为3400Hz。语音的采集是指语音声波信号经麦克风和高频放大器转换成有一定幅度的模拟量电信号,然后再转换成数字量的全过程。根据“奈奎斯特采样定理”,采样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍，由于语音信号频率为300～3400Hz,所以把语音采集的采样频率定为8kHz。从语音的存储与压缩率来考虑，模型参数表示法明显优于信号波形表示法[4]。但要将之运用于单片机，显然信号波形表示法相对简单易实现。基于这种思路的算法，除了传统的一些脉冲编码调制外，目前已使用的有VQ技术及一些变换编码和神经网络技术，但是算法复杂，目前的单片机速度底，难以实现。结合实际情况，提出以下几种可实现的方案。（1）短时平均跨零记数法，该方案通过确定信号跨零数，将语音信号编码为数字信号，常用于语音识别中。但对于单片机，由于处理数据能力底，该方法不易实现。（2）实时副值采样法采样过程如图1.1所示。图1.1采样过程抽样量化存储数字化语音信号存储与回放系统设计4具体实现包括直存取法、欠抽样采样法、自相似增量调制法等三种基本方法。其中第三种实现方法最具特色，该方法可使数据压缩比例达到1：4.5，既有M调制的优点，又同时兼有PCM编码误差较小的优点，编码误差不向后扩散。A/D、D/A及存储芯片的选择：单片机语音生成过程,可以看成是语音采集过程的逆过程,但又不是原封不动地恢复原来的语音,而是对原来语音的可控制、可重组的实时恢复。在放音时,只要依原先的采样直经D/A接口处理,便可使原音重现。（1）A/D转换芯片的选择，根据题目要求采样频率fs=8KHZ，字长=8位，可选择转换时间不超过125µs的八位A/D转换芯片。目前常用的A/D转换实现的方法有多种，鉴于转换速度的要求，我们采用A/D转换芯片AD574。该芯片是高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换[5]。（2）D/A转换芯片的选择。D/A转换芯片的作用是将存储的数字语音信号转换为模拟语音信号，由于一般的模拟转换器都能达到1μs的转换速率，足够满足题目的要求，故我们在此选用了通用D/A转换器DAC0832。（3）数据存储器的选择。当采样频率fs=8KHZ，字长为8位时，一秒钟的语音需要8K字节的存储空间，则存储器至少需要有80k8容量。在这里我们选用闪速存储器AT29C040作为存储器，一片该芯片可存储60秒钟的语言。2系统硬件设计数字化语音存储与回放系统的基本思想是通过拾音器将声音信号转化成电信号，再经过放大器放大，然后通过带通滤波器滤波，模拟语音信号通过模数转换（A/D）转换成数字信号，再通过单片机控制将数据从存储器中读出，然后通过数模转换（D/A）转换成模拟信号，经放大再扬声器或耳机上输出。整个系统框架图如图2.1所示：数字化语音信号存储与回放系统设计5图2.1整体框图系统组成如图所示,由输入通道、AT89C51单片机和输出通道三部分组成。输入通道部分由拾音器、前置放大电路和带通滤波器组成；输出通道由带通滤波器、后级放大电路组成[9]。拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为20~25mV，此电信号太小不能够进行采样，后级A/D转换输入信号的动态范围为0~5V，语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右，此处将信号通过一增益为46dB的放大器，将其放大到伏特量级，输出级放大电路也采用这种电路，两级放大电路都采用增益可调的典型电路。考虑到语音信号的固有特点，将低于300Hz和高于3.4kHz的分量滤掉后语音质量仍然良好。此处将其通过一增益为46dB的放大器，因此，将带通滤波器设计为典型的300Hz~3.4kHz,输出级带通滤波器也为300Hz~3.4kHz,这样既可滤掉低频分量又可滤掉D/A转换带来的高频分量，很好的滤除掉噪声。根据奈奎斯特抽样定理知欲使采样信号无失真，抽样频率最低为6.8kHZ，考虑到留有一定的余地，这样就足够保证语音质量。经量化后，微处理器将数据存到处理器，需要时再将其回放，存入与放出由开关通过微处理器来控制实现。存储器的容量选择视所存语音信号的时间长短而定。为了使A/D的输入信号稳定在其动态范围内，在输入级加上了自动增益控制电路，同时也使音量稳定。2.1拾音器拾音器是一种声传感器，声传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。拾音器包括拾音头和音臂等附件，其换能装置主要有压电式、电磁式、电容式以