数字化语音存储与回放系统设计(附带程序)15285.doc
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1、完整版数字化语音存储与回放系统设计(附带程序)15285 作者: 日期:2 个人收集整理 勿做商业用途本科生毕业论文(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日目 录摘要2Abstract2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。4 AT89C51介绍82.5 D/A A/D转换器102.5。1 D/A转换器DAC0832的介绍102。5。2 A/D转换器DA574的介绍112.6存储器
2、的选择122.7键盘的设定133 模块接口原理133。1 AT89C51和AD574的接口原理1332 DAC0832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
3、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Design of Digit-Voice Recorder and Playback System Electronics and Information Science and TechnologyAdvisor: Peng Guanghan Candidate: Li JinguoAbstract: The digitvoice recorder and playback system that this
4、paper introduces can be substituted for traditional tape record system. Its basic prineple is the digital control for the recowde and playback of voice。 For increase,to increase pronunciation store time and raise utilization ratio of the memory,it adopts nondistorted to compress algorithm before sto
5、ring to pronunciation signal and to decompress in the playback.At the same time, system the system introduces the direct store & access of data collection,and AGC on acoustic signal respectively to store and playback completely。个人收集整理,勿做商业用途本文为互联网收集,请勿用作商业用途Keywords: Digital store,Playback, Digitalf
6、ilter,Sample, A/D Convert,Correct ing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
7、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20 Hz20000 Hz ,而一般语音频率最高为3400 Hz.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3003 400 Hz ,所以把语音采集的采样频率
8、定为8 kHz。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.抽样量化存储图1。1 采样过程具体实现包括直存取法、欠抽样采样法、自相似增量调制法
9、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125s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。
10、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1s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80k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
11、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: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2025mV,此电信号太小不能够进行采样,
12、后级A/D转换输入信号的动态范围为05V,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300Hz3.4kHz,输出级带通滤波器也为300Hz3.4kHz,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6.8k
13、HZ,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.个人收集整理,勿做商业用途文档为个人收集整理,来源于网络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、电容式以及半导体等.唱针耦合在线圈上的称动圈式,耦合在磁钢上的称动磁式。此外,也有将唱针耦合在衔铁上的称为动铁
14、式,也称可变磁阻式。在本设计中采用动圈式拾音器2.2 放大器的设计增益放大器拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为2025Mv,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05V,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,所以为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大,本系统采用两极高输入阻抗的同向放大器,将其放大到伏特量级,电路图如图2.2所示图2.2 增益放大器输出放大器经带通滤波器输出的声音回放信号,其幅度为05V,足以用耳机来收听,可不接任何放大器.但考虑到实际中经常回用到扬声器外放,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LM38
15、6来完成13。电路如图2.3所示:图2.3 输出放大器 该电路增益为50200,连续可调,最大不失真功率为325mW。输出端接C4、R9串联电路,以校正扬声器的频率特性,防止高频自激脚7接220uF去偶电容,以消除低频自激为便于该功放在高增益情况下工作,这里将不使用输入端脚2对地短路有源带通滤波器滤波器是一种能使有用频率信号通过同时抑制(或衰减)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。这种滤波电路主要由无源元件R、L和C组成的有源滤波电路。此外,由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高而输出阻抗很底,所以构成的有源滤波电路具有一定的电压放大和缓冲作用。声音信号
16、经动圈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300Hz3.4KHz,其作用是:(1)保证3003400Hz的语音信号不失真的通过滤波器;(2)滤除通带外的低频信号,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;(3)便于滤除通带外的高次谐波,以减少因8kHz采样率而引起的混叠失真,根据实际情况,该上限频率可在2700Hz左右,带通滤波器按品质因数Q的大小为窄带滤波器(10)和带通滤波器(10)两种,本题中,上限频率fh=3400Hz,通带滤波器中心频率f0与品质因数分别为f
17、0=1010Hz Q=显然,Q10,故该带通滤波器为宽带带通滤波器。宽带带通滤波器由高通和低通滤波器级联构成,鉴于Butterworth滤波器带内平坦的响应特性,我们选用二阶Butterworth带通滤波器,电路如图2.4所示:图2.4 带通滤波器实验证明,该滤波器能有效的滤除低频分量,大大减少噪声干扰,与之同时也绿除了多余的高频分量,消除了高频失真,性能足以满足要求。2.3 可调稳压电源的设计这里介绍的稳压电源,采用三端可调稳压集成电路LM317,外围电路十分简单,便于制作。该稳压电源,电压可调范围1.5-25V,最大负载电流1。5A。电路如图2.5所示:图2.5 可调直流稳压电源220V交
18、流电经变压器TR1降压,得到24V交流电,再经VD1-VD4组成的全桥整流,由C1滤波后得到33V左右的直流电压。该电压经集成电路LM317后得稳压输出,调节电位器RV1,即可连续调节输出电压。图中C2用以消除寄生振荡,C3的作用是抑制纹波,C4是用以改善稳压电源的的暂态响应,VD6、VD7在输出端电容漏电或调整端短路时起保护作用。VD5为本电源的工作指示灯,电阻R1是限流电阻。输出端接微型电压表PV,可以直观的指示输出电压值。各元件具体参数如图所标.2。4 T89C51介绍 AT89C51 A AT89C51是一种带4K字节片内程序存储器,且是高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。它有40
19、个引脚,4个8位并行输入/输出(I/O)端口:P0、P1、P2、P3,其中,P1是完整的8位准双向I/O口,两个外中断,2个16位可编程定时/计数器,两个全双向串行通信口,一个模拟比较放大器.管脚如图2。6所示。 (1)引脚介绍P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,用于外部程序数据存储器,可以被定义为数据/地址的第八位。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,可用作输出。P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口, P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址
20、的高八位。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,当P3口写入1后,它们被内部上拉为高电平,用作输入.当外部下拉为低电平,P3口将输出电流,作为输出。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。PSEN:外部程序存储器的选通信号。EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间选通外部程序存储器不管有无内部程序存储器.XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出
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