数字化语音存储与回放系统
数字化语音存储与回放系统
摘要: 文章介绍了一种数字化语音存储与回放系统的设计方法，该系统以单片机89C52为中心,采用两片AT628128存储芯片(128KB)构成256KB 的外部存储器来存放采集的语音数据，前端语音信号采集部分采用ADC0809实现模数转换，后端语音信号回放部分采用ADC9764实现数模转换，通过键盘等接口电路实现人机交互，单片机工作在中断查询模式，能够快速响应按键要求，以控制系统的语音信号采集开始、存储和回放等。同时，外围电路辅以带通滤波器和放大器等电路对信号进行滤波放大，实现了语音信号的高保真度存储与回放。 关键词: 单片机;语音存储;语音回放
Design of Digital Voice Storage and Replaying System
Abstract: The article introduced one kind of digital voice storage and replaying system design method, this system take monolithic integrated circuit 89C52 as center processor, uses two piece of AT628128 memory chip (128KB) to constitute the 256KB exterior memory to store the voice data, front-end of the system uses the ADC0809 to realize a/d conversion , rear-end of the system uses the ADC9764 to realize digital-analog conversion, using keyboard connected with electric circuit to realize man-machine interaction, the monolithic integrated circuit work at
interruption-inquiry pattern so that it can response to the pressed key in a short time, it controls system voice signal gathering start, store and replay. At the same time, the periphery electric circuit auxiliary by band-pass filter and amplifier to the filter and enlarge the signal, which realizes the digital voice signal high fidelity storage and replaying.
Key words: SCM; voice storage; voice replay
前 言
目前,许多应用系统中都需要语音存储和回放处理。按照经典的信号与系统理论，语音信号为模拟信号；而计算机系统建立在二进制基础上，使用的是数字信号。那么，利用计算机处理语音信号就必须先将其数字化，并将其储存、实现回放。此次毕业设计的重点在于研究语音信号数字化的理论与方法，以为例，具体阐述从采集语音信号到储存，再到回放的整个
数字化语音存储与回放系统
流程；实现语音信号的数字化储存与回放。若用专用的语音芯片来处理,有时会缺乏灵活性,难以满足不同场合的需要。本文介绍的语音存储与回放系统中,没有使用专用的语音处理芯片,不需扩展接口电路,只利用一般的单片机测控系统中都有的硬件电路(如A /D、D /A、存储器等) ,就能完成语音信号的数字化处理,即能完成语音的存储与回放,实现单片机测控系统的语音提示报警及语音提示操作等。
第一章 系统总体方案设计
语音是一种非常有用的信息载体，人们一直在寻找可靠的记录处理语音信号的方法。音乐盒是通过上发条的滚轮上不同位臵的突起来带动簧片发出事先设计好的乐音，这是通过机械的方法实现了语音信号的记录（有计划地在滚轮上设臵突起）、回放（簧片发出乐音）。留声机、磁带等是靠磁头处的电位变化记录或回放语音信号的。而随着计算机技术的发展与普及，利用计算机处理语音信号已经被广泛应用。
人耳能听到的声音频率范围为20Hz～20kHz,而一般语音频率最高为3. 4kHz。数字化语音存储与回放系统的基本思想是将模拟语音信号通过模数转换器(A /D)转换成数字信号,再通过单片机控制存储在存储器中;回放时,由单片机控制将数据从存储器中读出,然后通过数模转换器(D /A)转换成模拟信号,经放大在扬声器(或耳机)上输出语音。本系统以单片机89C52 为控制器。由于89C52最大只能寻址64KB 的范围,故而系统另配了两片AT628128存储芯片(128KB)构成256KB 的外部存储器来存放采集的语音数据。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300Hz～3. 4kHz,所以选取采样频率为8kHz,理论上即可不失真地回放输入的语音信号。具体的系统总体框图参见图1。
数字化语音存储与回放系统
图1-1 系统总体方案设计
整个系统分为数字和模拟两大部分。模拟电路主要由电压放大、功率放大及滤波器组成。数字电路以单片机89C52 为核心, 扩展256KB 的RAM存储器,外加A /D、D /A及键盘等外围电路构成。
单片机芯片简介
由于本系统采集语音信号频率较低，且逻辑比较简单，从性价比的角度选用单片机比较适合，如选用FPGA、CPLD等可编程逻辑器件，虽然也能完成控制功能，但是系统设计成本将会直线上升，综合考量系统需求，采用市面上应用广泛、设计成熟的AT89C52作为控制芯片，它是一种低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配臵通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。其主要工作特性是：
片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次； 片内数据存储器内含256字节的RAM； 具有32根可编程I/O口线； 具有3个可编程定时器；
中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构； 串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口； 具有一个数据指针DPTR；
低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式； 具有可编程的3级程序锁定位；
工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V； 最高工作频率为24MHz。
数字化语音存储与回放系统
第二章 语音信号的数字化
2.1语音信号的前端处理
由于经拾音器输入的语音信号比较微弱,而模数转换器ADC0809的工作电压在0～ + 5V范围内,故而在采集语音信号前,先要对其进行增益放大。本系统采用LM353作为运算放大器1,将语音信号放大至- 2. 5V～ + 2. 5V,再通过+ 2. 5V电平位移,使信号电压在0～ + 5V范围内,满足A /D转换的要求。考虑整流、滤波后的纹波对扬声器输出的影响,本系统采用运算放大器2 (LM386)作功率放大器。由于运算放大器对电源电压具有很强的抑制能力,不仅可大大减小扬声器输出端的纹波电压,同时驱动扬声器放出声音。另外,为了能实现手动音量调节,放大器2的输入端加上一个50kΩ的电位器,以便调整音量。
为了滤除不必要的干扰及杂波,系统前向通道和后向通道中各设计了一个通带为300Hz～3. 4kHz的带通滤波器。由于人的语音频段在10kHz以下,对于滤波的均衡度要求不高,所以本系统通过LM353制作一阶滤波器进行滤波。此一阶带通滤波器由一个低通滤波器和一个高通滤波器串联而成,其中低通滤波器能滤除3. 4kHz以上的频率信号,减少了因8kHz的采样率引起的混叠失真;高通滤波器能滤除300Hz以下的频率信号,减少了低频信号尤其是工频的影响,大大提高了系统的信噪比。 2.2采样理论
信息从物理特征上分为：模拟信号与数字信号。话筒输出的话音信号属于模拟信号；而计算机数据属于数字信号。若输入是模拟信号（例如语音信号），则在数字系统（例如计算机系统）的编码部分需要对输入信号进行数字化，或称为“模/数”变换，将模拟信号变为数字信号，以便在数字系统中继续加以处理。数字化过程包括三个步骤：采样，量化和编码。 2.2.1 采样
模拟信号首先被采样。通常抽样是按照等时间间隔进行的，虽然在理论上并不是必须如此的。模拟信号被抽样后，成为抽样信号，它在时间上是离散的，但是在其数值仍然是连续的，所以是离散模拟信号。根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须超过信号最高频率的2倍才能无失真的恢复出原模拟信号，假设对一个音频信号（20Hz～20kHz）进行采样，那么用40KHz的时钟就可以了，比如PC的声卡采样频率就是44.1kHz。
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图2-1 抽样信号
2.2.2 量化
数据采集系统的主要功能之一是把模拟信号转换成数字信号，这个过程就是量化。量化，就是用一基本量对和基本量具有同一量纲的模拟量进行比较的过程，其输入是连续的模拟信号，输出是一系列离散的数字信号。
在量化过程中所使用的基本量称为量化电平(Quantized Level)，它是满量程电压(VFSR)与2N的比值，其中N为数字信号的二进制位数，也是ADC的分辨率。量化电平一般用Q来表示，即Q=VFSR/2N
从上式可以看出，Q由VFSR和2N所决定，是能够量化的最小单位，也是经过ADC后输出的数字信号的分辨率。
mq(t)抽样信号量化信号-3T-2T-T0T2T3Tt
图2-2 量化信号
2.2.3 编码
量化得到的数字信号的幅度对应于采样点的模拟信号的幅度，但每一个数字信号必须进行编码以变成计算机可识别的二进制数。采用的编码方式不同，得到的二进制数显然不同。常用的编码方式有单极性二进制编码和BCD编码等。实际上，现有的ADC芯片输出的数字信号一般是己经过编码以后的二进制数，用户不必再考虑编码的问题。