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数字化语音存储与回放系统

摘要 (1)

1 绪言 (2)

1.1课题背景 (2)

1.2课题研究的目的和意义 (2)

1.3国内外概况 (3)

2方案比较与论证 (3)

2.1方案一 (3)

2.1.1器件操作方式的选择 (3)

2.1.2 A/D、D/A及存储芯片的选择 (4)

2.2方案二 (5)

2.2.1控制方式 (5)

2.2.2放大器及A/D、D/A芯片的选择 (5)

2.3方案三 (5)

3系统总体结构 (6)

4 电路设计 (7)

4.1拾音器 (7)

4.2放大器的设计 (8)

4.3有源带通滤波器设计 (10)

4.4可调稳压电源的设计 (12)

4.5 51/52系列单片机 (13)

4.6 D/A、A/D转换器 (24)

4.6.1 D/A转换器DAC0832介绍 (24)

4.6.2 A/D转换器ADC0809介绍 (28)

4.6.3 存储器的选取 (30)

4.6.4 ZLG7289介绍 (31)

4.6.5 串口通信电路介绍 (32)

4.6.6 ISP下载电路 (33)

5 软件设计 (33)

6 总结与展望 (36)

7 致谢 (36)

附录 (36)

摘要

传统的磁带语音录放系统因其体积大、使用不便,在电子与信息处理的使用中受到许多限制。本文提出的体积小巧，功耗低的数字化语音存储与回放系统将完全可以替代它。数字化语音存储与回放系统的基本原理是对语音的录音与放音的数字化控制。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。

本系统能够对语音信号分别进行数据的采集直存直取,欠抽样采样和自相似增量调制等三种方法,完成了对语音信号的存储与回放。前置放大、滤波以及电平移位电路将语音信号控制在A/D转换器采样控制范围内以保证话音信号采样不失真。带通滤波器合理的通带范围有效的滤除了带外噪声，减小了混叠失真。后置带通滤波器用于滤除D/A转换产生的高频噪声以保证回放时音质清晰，无明显失真。

本系统设计共分为七大模块：声音采集模块、带通滤波模块、A/D转换模块、数据存储模块、D/A转换模块、按键选择模块、放大器模块。声音采集模块用于外部语音信号，带通滤波模块作用是将声音转换后的电信号进行滤波（本系统含有两个带通滤波模块，前一个对输入电信号进行滤波，后一个对D/A转换后的电信号进行滤波），数据存储模块用于存储数字化处理后声音信号的数据，D/A转换模块将数字信号转换为模拟信号输出，音频放大模块则是将采集的信号最终进行回放以检验系统整体性能，按键选择模块则是对录、放音、数据分段存取等功能进行选择。

1绪言

本结题报告主要是用于阐述数字化语音存储与回放系统的研究背景、现状及发展方向，并且指出了传统的语音存储与回放系统的缺陷和面临的问题，以及数字化语音存储与回放系统的优点和发展前景。

1.1课题背景

数字化语音存储与回放系统，以微处理芯片为核心，具有语音可控、回

放灵活、无磨损、可靠简单等特点。因而在各类公共设施、智能仪表、家用电子产品等领域有着广泛的应用。语音存储与回放系统的实现具有多种方式，一种是利用单片集成的语音存储与回放芯片，如美国ISD公司的ISD1420等；另一种是以微控制器为核心，辅以A/D转换，D/A转换以及大容量的存储器。而单片集成

的语音存储与回放芯片，一般智能性较差，不容易解决音量的问题，同时存放录制的时间有限，不能灵活的变化。因此，在多数需要语音的存储与回放的场合，采用了基于微控制器的语音存储与回放系统。

1.2课题研究的目的和意义

目前，广为流传的语音存储手段为磁带记录（现已逐渐转为数字化存储），其体积大、使用不便,在电子与信息处理的使用中受到许多限制。所以数字化存储方式是未来发展的趋势。我们在这里将语音信号的存储建立在数字化的基础上，同时为了降低噪声提高语音质量和音量的稳定性采用了带通滤波器和自动增益控制电路。

1.3国内外概况

自从爱迪生1877年发明留声机以来，音响技术已有百余年的发展历史，在这期间，记录存储各种声音的载体，传输与播放语音技术的发展可谓日新月异。该系统采用单片机对录音、放音、快进、暂停等功能实现控制，用DSP技术对语音信息进行处理，用SRAM存储器进行存储，提高了语音的回放质量和延长了存储时间，与盒式磁带录音机相比避免了机械传动噪音，音质好，功耗低，具有时钟功能，而且人机界面友好，又用中断方式控制录音、放音的过程，实现了语音存储与回放的数字化。

2方案比较与论证

2.1方案一

2.1.1器件操作方式的选择

由于要实现语音的存储与回放，而且要由相关的按键操控以及人机接口，所以与单片机连接的外围器件很多，对器件的组织和读写操作是实现简单操作的关键。经典51内核的单片机对外裸露总线(通常意义的“三总线”——数据总线、控制总线、地址总线)，其内部硬件会产生总线控制时序，因此充分利用单片机的片内资源将会使系统软件的设计变得简单。如果采用纯软件的方法模拟器件操作时序来对器件操作，那么系统的软件设计将会很复杂并且实时性不高，而且单片机的片内资源没有得到充分的利用。鉴于51单片机对外裸露总线的特点，设计系统时宜采用总线控制的方式。

2.1.2 A/D 、D/A 及存储芯片的选择

要实现语音信号的采集，就需要A/D 转换芯片；而语音得生成过程则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,便可使原信号重现。

（1）A/D 转换芯片的选择根据题目要求采样频率fs=8KHz ，字长为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，我们采用目前较为通用的A/D 转换芯片ADC0809。该芯片是中低速8位逐次比较型A/D 转换器，典型转换时间为100us ，最大外接时钟振荡频率fm=1280KHz ；具有外围扩展元件元件少、功耗低、精度高等特点。

（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，一秒钟的语音信号需要占用8K 字节的存储空间，要存储10s 的语音信号则存储器至少需要有80KB 的容量。在这里我们利用8片UT62256构成存储器阵列，借助单片机的P1、P2端口参与地址选择，采用译码器分页存储模式，可将系统的数据存储空间扩展至128kB ，以128kB 空间存储原始语音信号和DPCM 码，语音回放时间可达16s 和32s ，达到题目要求。

2.2方案二

系统采用MCS-51系列单片机，扩展128kB 的外部SRAM 数据存储区，同样采用DPCM 方式对采集的数据进行编码压缩，另外采用了两只立体声话筒作输入，有效抑制背景噪声。经差分放大，用性能良好、低漂移运放构成的有源带通滤波器进行滤波，以及()()s s f f f f /sin //ππ校正电路进行信号补偿。

2.2.1控制方式

控制器采用单片机实现，单片机人机界面好，并且具有一定的可编程能力对于语音信号（最高频率约为3.4kHz ，8kHz 采样频率），12MHz 晶振频率的51单片机以足以胜任（每个采样周期125us ，相当于125/2=62个机器周期，平均执行31条指令）。

2.2.2放大器及A/D 、D/A 芯片的选择

为减少系统噪音电平，增加系统动态范围，防止阻塞失真等，本放大器中设置自动增益控制电路。其有模拟和数字两种实现方式。数字式精度高，控制范围大但比模拟试复杂，因此本方案采用传统的模拟试AGC 来实现。采用TDA2030A 作为功率放大可驱动喇叭发声，并具有一定的功率余量[7]。

A/D,D/A 及存储芯片的选择：由于题目要求语音信号的最高频率为4kHz ，根据奈圭斯特采样定理，采样频率取s f =8kHz （周期S T =125s μ）,即可无失真的恢复原语音。在无特殊要求下，字长选取八位即可，但考虑到系统的可扩展性所以采用了转换时间为此4.5s μ的AD7819。根据同样的分析，变换频率选取8kHz ，采用DAC0832。存储器采用128KB 的SRAM ——IS62C1024实现。

2.3方案三

该方案以单片机STC89C52为核心器件，以128kB SRAM 阵列为数据存储器。STC89C52的典型时钟为12MHz 指令周期为1us 可以在要求的125us 采样间隔执行系统工作还可同时对A/D 转换器输出的数字语音信号进行增量调制()M ?或差分脉码调制（DPCM ），M ?和DPCM 是两种语音压缩编码技术，可分别将语音速率由64kb/s 压缩到8kb/s 和32kb/s 。另外，为加长录音与回放时间，我们利用ATMEL 的闪速存储芯片AT45DB161（2MB ）存储数据；该芯片具有容量大、读写速度快、占用I/O 端口资源少、操作简单等优点，单片可存储录音256s ，如果再将采样的数据进行DPCM 压缩，则存储时间可达512s ，大大超出题目要求。

以上三种方案均有其可取和不足之处，考虑到其易行性、简便性等多种因素决定采取第一种方案。

3系统总体结构

数字化语音存储与回放系统的基本设计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 ）转换成数字信号并存放于存储介质中，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3.1所示：

图3.1 系统总体框图

系统总体组成如上图所示,由输入通道、STC89C52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、带通滤波器、电平移位电路组成；输出通道由带通滤波器、后级放大电路组成。拾音器输出的毫伏级信号实测其范围约为10~20mV ，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 可调的放大器，将其放大到伏特量级，以满足采样条件。输出级放大电路则采用了美国国家半导体公司的音频功率放大器LM386对转换后的信号进行播放。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,输出级带通滤波器亦为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 STC89C52单片机 ZLG7289

按键与

显示 LED 录放指示 4片UT62256存

储阵列 DAC0832模块

(I/V 变换)

带通滤波器(BPF)

音频功放

(LM386)

扬声器/耳机拾音器(话筒) 前置放大器带通滤波

器(BPF)

ADC0809

转换模块

率最低为6.8kHZ ，考虑到留有一定的裕量采用8KHz 的采样率，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，在输入级加入了电平移位电路，将负电平部分的信号全部上移为正信号。

4 电路设计

4.1拾音器

拾音器是一种声电传感器，即将外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。它在通讯、噪声控制、环境检测、音质评价、文化娱乐、超声检测、水下探测和生物医学工程及医学方面有广泛的应用。它的种类很多，按其特点和频率等，将它划分为超声传感器、声压传感器和声表面波传感器等。

目前应用广泛的一类是驻极体话筒（内部原理图如图4.1.1），其关键元件是驻极体振动膜，它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF 。因而它的输出阻抗值很高(Xc ＝fc

21)，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有三根。即源极S ，一般用蓝色塑线，漏极D ，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。

驻极体话筒与电路的接法有两种：源极输出与漏极输出。源极输出类似晶体三极管的射极输出。需用三根引出线。漏极D 接电源正极。源极S 与地之间接一电阻Rs 来提供源极电压，信号由源极经电容C 输出。编织线接地起屏蔽作用。源极输出的输出阻抗小于2k ，电路比较稳定，动态范围大。但输出信号比漏极输出小。漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。只需两根引出线。漏极D 与电源正极间接一漏极电阻RD ，信号由漏极D 经电容C 输出。源极S 与编织线

一起接地。漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。

图4.1 驻极体话筒内部原理图

4.2放大器的设计

（１）增益放大器拾音器输出的信号实测其范围约为10~20mv 左右，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，此处将信号通过一最大增益为46dB 的可调放大器，将其放大到伏特量级。放大电路如图4.2.1所示，放大倍数按下式计算：

39421R R A +=

图4.2.1 前置放大器

（２）输出放大器经带通滤波器输出的声音回放信号，其幅度为0～5V，足以用耳机来接收听，可不接任何放大器。但考虑到实际中经常回用到喇叭作外放，故在本系统中增加外放功能，前端放大器采用通用型音频功率放大器LM386来完成。电路如图4.2.2所示。该电路增益为50～200连续可调，最大不失真功率为320mW。输出端接C10、R11串联电路，以校正喇叭的频率特性，防止高频自激．脚7接22pF去偶电容，以消除低频自激。

图4.2.2 输出放大器

4.3有源带通滤波器设计

滤波器是一种能使有用频率信号通过同时抑制(或大为衰减)无用频率信号的电子装置。工程上常用它来作信号处理、数据传输和抑制干扰等。这里主要讨论模拟滤波器。以往这种滤波电路主要采用无源元件R 、L 和C 组成，60年代以来，集成运放获得了迅速发展，由它和R 、C 组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻、选择性好等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗又底，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但是，集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波电路的工作频率难以作的很高，这是它的不足之处。

对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻和衰减的信号频率范围定义为阻带，理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线形的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减（()0=ωj A ）。按照通带和阻带的相互位置不同，滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。

由于滤波器相关知识比较重要，经此课题对有源滤波器的认识和设计有了更进一步的认识，下面就将本人在这方面的一点认识详细道来。

图4.3.1 二阶有源LPF

上图为典型二阶有源LPF ，其传递函数表达式如下：

()2220n n n S Q S A s H ωωω+???

? ??+= Q 0和A 分别为放大倍数和品质因数

一般设计时常取：C C C R R R 2121====，则滤波器的参数为：RC 1n =ω 031A Q -=

由上式可知：为了保证滤波器稳定工作，要求0>Q ，则30

对于低通滤波器分析方法是一样的，这里就不再赘述。

声音信号经拾音器转有源滤波器换成电压信号，通过前级放大，在对其进行数据采集之前，有必要经过带通滤波器除带外杂波，选定该滤波器的通带范围为300Hz~3.4KHz.其作用是：

１．保证300～3400Hz 的语音信号不失真的通过滤波器；

２．滤除带外的低频信号，以减少带外功频等分量的干扰，大大减少噪声影

响，该下限频率可下延到270Hz 左右；