一、 方案設(shè)計(jì)與論證.doc

數(shù) 據(jù) 傳 輸摘 要本系統(tǒng)對(duì)語音信號(hào)采用時(shí)域處理方法：數(shù)據(jù)采集直存直取、欠抽樣采樣、自相似增量調(diào)制法等三種方法，分別完成了對(duì)語音信號(hào)32.7秒、65.5秒、147.4秒的存儲(chǔ)與回放；前置自動(dòng)增益控制（AGC）將語音信號(hào)控制在A/D轉(zhuǎn)換器可處理的范圍內(nèi)以保證話音采樣不失真；帶通濾波器合理的通帶范圍有效地濾除了帶外噪聲，減小了混疊失真；通過后級(jí)補(bǔ)償電路對(duì)輸出的語音信號(hào)進(jìn)行了校正，回放語音清晰；并具有自動(dòng)錄音、手動(dòng)錄音、錄/放音時(shí)間顯示以及掉電后保護(hù)語音信號(hào)等功能。一、 方案設(shè)計(jì)與論證本題目是設(shè)計(jì)制作一個(gè)數(shù)字化語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)。要求前置放大器的增益為46dB，增益可調(diào)；帶通濾波器，帶寬為300Hz3.4kHz；ADC采樣頻率fs=8kHz，字長(zhǎng)=8位；語音存儲(chǔ)時(shí)間10秒；DAC變換頻率fc=8kHz，字長(zhǎng)=8位；且要求回放語音質(zhì)量好（話音清晰、失真小、雜音少）。方案考慮如下。（一） 語音編碼方案論證 語音是一維時(shí)間信號(hào)，由于是表示語言聲音的信號(hào)，所以不是恒定的，信號(hào)的性質(zhì)隨時(shí)間變化很大。為了充分利用有限的存儲(chǔ)空間，并不失真地傳送語音信號(hào)必須對(duì)采集后的語音信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步壓縮，即語音壓縮。所謂語音壓縮，是為了聲音信號(hào)更大信息量的傳送與記憶而壓縮數(shù)據(jù)，并有效地回放聲音的過程。語音壓縮可由將語音信號(hào)采集，并利用適當(dāng)?shù)牧孔踊问降膲嚎s符號(hào)化或預(yù)測(cè)符號(hào)化等進(jìn)行?，F(xiàn)代常用的語音信號(hào)表示方法如用生成模的參數(shù)表示聲音時(shí)，參數(shù)的數(shù)據(jù)率為5K比特/秒左右，與波形符號(hào)化相比，參數(shù)表現(xiàn)的數(shù)據(jù)率顯著變低，若使用聲音生成模，則以利用聲音信號(hào)分析而得的模的參數(shù)為基礎(chǔ)，可進(jìn)行聲音的再合成。在聽覺上得到的與原聲音沒有多少不同的合成聲音。參數(shù)的數(shù)據(jù)率為信號(hào)波形數(shù)據(jù)率的以下， 所以可進(jìn)行高效的聲音數(shù)據(jù)壓縮。單從聲音的存儲(chǔ)與壓縮率來考慮，生成模參數(shù)表示法明顯優(yōu)于信號(hào)波形表示法。但要將之應(yīng)用于單片機(jī)，顯然信號(hào)波形表示法相對(duì)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的可行性。故方案的設(shè)計(jì)均從聲音信號(hào)以波形存儲(chǔ)來考慮?；谶@種思路的算法，除了傳統(tǒng)的一些脈沖編碼調(diào)制外，目前已使用的有VQ技術(shù)及一些變換編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但是算法復(fù)雜，目前的單片機(jī)速度低，難以實(shí)現(xiàn)。結(jié)合實(shí)際情況，提出了以下幾種可實(shí)現(xiàn)的方案。1、 短時(shí)平均跨零計(jì)數(shù)法該方案通過確定信號(hào)跨零數(shù)，語音信號(hào)編碼為數(shù)字信號(hào)。該方案主要應(yīng)用于語音識(shí)別中，具有較小的回放失真，音質(zhì)較好。但對(duì)于現(xiàn)用單片機(jī)，處理數(shù)據(jù)能力低，故該方法不易實(shí)現(xiàn)。2、 實(shí)時(shí)幅值采樣法采樣過程如下圖所示：（1） 直存直取法該方案將話音信號(hào)的抽樣值直接存取，以保證在回放時(shí)能真實(shí)的重現(xiàn)抽樣值。由于這種方法重現(xiàn)的是采樣的真實(shí)值，所以只存在一般量化噪聲，與A/D轉(zhuǎn)換精度有關(guān)。故此方法回放質(zhì)量最好，但占用存儲(chǔ)空間也最大，編碼速率為62.5kBit/s，每采集1秒鐘的話音信號(hào)需占用7.8125K字節(jié)。由于我們擴(kuò)展了256K字節(jié)的RAM，故采用這種方法作為不壓縮的存儲(chǔ)，音質(zhì)好，錄音可達(dá)32.768秒。該方法示意圖如圖1：圖1注：該方法中的量化臺(tái)階為10H，圖中70H、80H、70H、60H、50H、40H、50H、 70H、 90H、C0H、D0H、D0H為所要存儲(chǔ)的值，解碼后所輸出的值為：70H、 80H、70H、60H、50H、40H、50H、70H 90H、C0H、D0H、D0H（2） 欠抽樣采樣法雖然語音信號(hào)頻譜在高頻處迅速下降，但語音信號(hào)并非固有的頻帶受限。對(duì)于濁音來說，超過4kHz頻率的頻譜比其峰值要低40dB以上。另一方面，對(duì)于清音，即使超過8kHz，頻譜也沒有顯著下降。因此為了精確的表示所有語聲，常常需要大于20kHz的抽樣率。然而，在大多數(shù)應(yīng)用中不需要這樣高的抽樣率。通常我們只要有3.5kHz以下的頻譜足以清晰地傳輸話音信號(hào)，即8kHz的采樣速率足矣，通常的“電話語音”就是用4kHz的奈奎斯特頻率實(shí)現(xiàn)的。因此可以8K的采樣速率對(duì)話音信號(hào)采樣，而存儲(chǔ)時(shí)采用奇存法，即只存奇數(shù)點(diǎn)而拋棄偶數(shù)點(diǎn)，回放時(shí)在兩相鄰奇數(shù)點(diǎn)之間的偶數(shù)點(diǎn)只需用兩數(shù)的平均值代替即可。這樣既保留語音信號(hào)的主要部分，使回放的音質(zhì)較為理想，又提高了存儲(chǔ)器的利用率，理論計(jì)算錄音時(shí)間可達(dá)65.536秒，數(shù)據(jù)壓縮率為1:2。但是，由于這種方法的采樣速率實(shí)際上只有4kHz，故在回放時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的失真。該方法示意圖如圖2所示圖2注：圖中70H、70H、50H、50H、90H、D0H、為所要存儲(chǔ)的值，解碼后所輸出的值為：70H、70H、70H、60H、50H、50H、50H、70H 90H、B0H、D0H（3） 自相似增量調(diào)制法 從典型的語音信號(hào)可以看到，語音信號(hào)的特征是隨時(shí)間而變化的，在大多數(shù)語音處理方案中，基本的假定為語音信號(hào)特性隨時(shí)間的變化是緩慢的。這個(gè)假定導(dǎo)出各種“短時(shí)”處理方法，在這里語音信號(hào)被分隔為一些短段再加以處理。這些短段就好像是來自一個(gè)具有固定特性的持續(xù)音片斷一樣。這些短段一般都按要求重復(fù)（常是周期性的）。這些有時(shí)稱為分析幀的短段彼此經(jīng)常有一些疊接，對(duì)每一幀的處理結(jié)果或是一個(gè)數(shù)或是一組數(shù)。所以，經(jīng)過處理以后產(chǎn)生一個(gè)新的依賴于時(shí)間的序列而用于描述語音信號(hào)。這種短時(shí)處理技術(shù)，可以表示成數(shù)學(xué)形式對(duì)語音信號(hào)（或者是經(jīng)線性濾波后濾出所要求的頻段）做變換T，該變換可以是線性的，也可以是非線性的，它可以依賴于某個(gè)可調(diào)參數(shù)或一組參數(shù)。然后把所得到的序列乘以窗序列，這個(gè)窗序列位于與抽樣標(biāo)志n相一致的時(shí)間上，最后對(duì)乘積的所有非零值求和。通常窗序列寬度是有限的，當(dāng)然不總是這樣。所以Qn值就是序列Tx(m)的部分加權(quán)平均值的序列。短時(shí)分析原理的一般表示如圖3所示。 圖3利用語音信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)性及波形自相似的特點(diǎn)，本系統(tǒng)提出自相似增量調(diào)制法，該方法是以8K的采樣速率，在采樣過程中，以每九個(gè)相鄰采樣點(diǎn)為一組，每組中對(duì)第一個(gè)采樣值保存其真實(shí)值，而其余的采樣值采用增量調(diào)制的方法生成一個(gè)字節(jié)保存，這樣，每一組共占用2個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)壓縮率為1:4.5。該方法既有M調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)兼有PCM編碼誤差較小的優(yōu)點(diǎn)，編碼誤差不向后擴(kuò)散。編碼示意圖如圖4：圖4注：圖中所示增量為=10H，所存數(shù)據(jù)為70H，87H（10000111B），C0H，.其中，70H和87H組成上述的一組，70H為一組中的第一點(diǎn)，是真實(shí)的采樣值，87H是增量調(diào)制后的編碼，它的每一位都表示了曲線的變化趨勢(shì)，增量調(diào)制用一位碼表示相鄰抽樣值的相對(duì)大小，而相鄰抽樣值的相對(duì)變化同樣能反映模擬信號(hào)的變化規(guī)律。只要時(shí)間間隔t和臺(tái)階都很小，則m（t）和m(t)將會(huì)相應(yīng)的接近。解碼后所輸出的值為：70H、80H、70H、60H、50H、40H、50H、60H、70H、C0H、D0H.由于使用了M調(diào)制使系統(tǒng)產(chǎn)生了過載量化噪聲，過載量化噪聲（有時(shí)簡(jiǎn)稱過載噪聲）發(fā)生在模擬信號(hào)斜率陡變時(shí)，由于臺(tái)階是固定的，而且每秒內(nèi)臺(tái)階數(shù)也是確定的，因此，階梯電壓波形就跟不上信號(hào)的變化，形成了很大失真的階梯電壓波形，這樣的失真稱為過載現(xiàn)象，也稱為過載噪聲。（二） A/D、D/A及存儲(chǔ)器芯片的選擇 1A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇根據(jù)題目要求采樣頻率fs=8 kHz，字長(zhǎng)=8位，可選擇轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過125 S的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片。當(dāng)前常用的A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法有多種：積分式、逐次逼近式、并行比較式和二進(jìn)制斜坡式（又稱計(jì)數(shù)式）、量化反饋式等。鑒于轉(zhuǎn)換速度的要求，最適合本題使用的是逐次逼近式轉(zhuǎn)換器，它具有轉(zhuǎn)換速度較快、轉(zhuǎn)換精度較高的特點(diǎn)，一次轉(zhuǎn)換時(shí)間在數(shù)微秒至百微秒范圍內(nèi)。其中ADC0809是目前使用較為廣泛的通用8位A/D轉(zhuǎn)換芯片。它的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于120 S，模擬輸入為0 5 V，基本上可以滿足題目的要求，但由于要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)錄音，需要數(shù)微秒級(jí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間才能達(dá)到良好的效果。因而我們采用了12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674。它的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于10 S，可編程為8位A/D轉(zhuǎn)換工作方式，而且其可輸入5V的模擬信號(hào)，故無需在前級(jí)增加電平抬高電路，可減少因通過一級(jí)電路后引起的信號(hào)失真以及系統(tǒng)噪聲。2D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將存儲(chǔ)的數(shù)字語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬語音信號(hào)，由于一般的D/A轉(zhuǎn)換器都能達(dá)到1S的轉(zhuǎn)換速率，足夠滿足題目的要求，故我們?cè)诖诉x用了通用D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832。AD1674、DAC0832與單片機(jī)的連接如圖5所示圖5 3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選擇當(dāng)采樣頻率fs =8kHz，字長(zhǎng)為8位時(shí)，按照1:1的存儲(chǔ)率，一秒鐘就能采樣8000個(gè)點(diǎn)，為了能夠存儲(chǔ)多于10秒鐘的語音，則存儲(chǔ)器至少需要有78.125K8的容量。在此我們選用了兩片IS61C1024將存儲(chǔ)容量擴(kuò)展為256K8，這樣就能以1:1的存儲(chǔ)率存儲(chǔ)32.768秒語音信號(hào)。電路圖如圖6所示圖6（三） 放大器的設(shè)計(jì)作為語音放大器的前端放大器，有以下幾點(diǎn)要求:1. 低噪聲，高增益。2. 有較大的動(dòng)態(tài)范圍。3. 失真度小。 前端放大器：系統(tǒng)要求放大器增益為64dB，由于駐極體生成的語音信號(hào) 較大，在此我們選用動(dòng)圈型拾音器。為了保證錄音質(zhì)量，語音信號(hào)應(yīng)保證滿量程模數(shù)轉(zhuǎn)換，所要錄制的聲音大小可能相差很大，因此AGC電路至關(guān)重要，所以我們將放大器做成低噪聲、自動(dòng)增益控制（AGC）兼手調(diào)增益型放大器。 在此選用低噪聲高壓擺率的運(yùn)放NE5532作為放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大：緩沖放大、放大、調(diào)整放大，其中放大環(huán)節(jié)包括AGC和手動(dòng)增益調(diào)節(jié)，且兩種方式可自由切換。后端放大器：為了保證耳機(jī)和外放都能正常工作，語音信號(hào)的輸出應(yīng)有一定的輸出功率，在此選用兩級(jí)放大，第一級(jí)為信號(hào)放大，第二級(jí)為功率放大，由于功率放大器有較大的噪聲，在使用耳機(jī)工作時(shí)需輸出的功率較小，可只對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大，因此我們選用兩種工作方式：信號(hào)放大、功率放大，這樣既保證了使用外放的使用，又不增加耳機(jī)工作的系統(tǒng)噪聲。在該系統(tǒng)中，有兩處用到放大器，增益分別為46dB和40dB，且增益均可調(diào)，既可用專用放大器實(shí)現(xiàn)，也可用分離元件實(shí)現(xiàn)，綜合考慮實(shí)際應(yīng)用與性價(jià)比，我們采用分立元件實(shí)現(xiàn)。注意到發(fā)揮部分要求減少系統(tǒng)噪聲電平，增加自動(dòng)音量控制，所以我們將放大器做成低噪聲、自動(dòng)增益控制（AGC）兼手調(diào)增益型放大器。（四）濾波器的設(shè)計(jì)為了濾除音頻信號(hào)中不必要的雜波，必須在數(shù)據(jù)采集前端放置濾波器，以盡可能濾除噪聲干擾與混疊失真。這里將通頻帶設(shè)為300Hz3400Hz，選用分立元件構(gòu)成的有源濾帶通Butterworth濾波器，其性能優(yōu)于集成濾波器。 整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖7所示。 圖7二、 理論分析與計(jì)算（1） 放大器設(shè)計(jì)這里由NE5532構(gòu)成的增益放大器，增益可達(dá)64dB， 可手動(dòng)調(diào)節(jié)與自動(dòng)調(diào)節(jié)，手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)KEY與端點(diǎn)2連接，通過調(diào)節(jié)電位器R9改變2N7000柵極電壓來調(diào)整增益，增益的達(dá)64dB且連續(xù)可調(diào)，當(dāng)KEY與端點(diǎn)1連接時(shí)，增益可自動(dòng)調(diào)節(jié)，輸入信號(hào)小可到幾毫伏，線性動(dòng)態(tài)范圍為40dB，輸出OUT一直穩(wěn)定在10Vp-p，電路如圖8所示： 圖8該增益放大電路由三級(jí)運(yùn)放組成：第一級(jí)為緩沖放大，對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行緩沖，增益為：第二級(jí)包括AGC和手動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路，增益為：RDS 為2N7000的導(dǎo)通電阻，由2N7000柵極的電壓決定,三極管9012構(gòu)成的檢波電路對(duì)第二級(jí)放大器構(gòu)成了負(fù)反饋，使輸出電壓穩(wěn)定。 第三級(jí)為調(diào)節(jié)放大，調(diào)節(jié)輸出信號(hào)Vp-p=10V，即保證A/D滿量程轉(zhuǎn)換，增益為：采樣輸出放大器：經(jīng)帶通濾波器輸出的聲音回放信號(hào)，其幅度為0，足以用耳機(jī)來收聽，故不用接任何放大器。而考慮到實(shí)際中經(jīng)常會(huì)用到喇叭外放，故在本系統(tǒng)中增加外放功能，前端放大器采用通用型音頻功率放大器來完成。電路如圖9圖9該電路為增益50200連續(xù)可調(diào)，最大不失真輸出功率為325mW。輸出端接C2，R2串聯(lián)電路，以校正喇叭的頻率特性，防止高頻自激。腳接220F去耦電容，以消除低頻自激。為便于該功放在高增益情況下工作，這里將不使用的輸入端腳對(duì)地短路。（2）有源帶通濾波器設(shè)計(jì) 聲音信號(hào)經(jīng)動(dòng)圈拾音器轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，通過前級(jí)放大，在對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，有必要經(jīng)過帶通濾波器濾除帶外雜波。選定該濾波器的通帶范圍從300Hz到3.4kHz。其作用：（1）保證3003400Hz的語音信號(hào)不失真的通過濾波器；（2）濾除帶外的低頻信號(hào)，以減少帶外工頻等分量的干擾，大大 減小噪聲影響，該下限頻率可下沿到270Hz左右；（3）便于濾除帶外的高次諧波，以減小因8K采樣率而引起的混 疊失真，根據(jù)實(shí)際情況，該上限頻率可在2700Hz左右；帶 通濾波器按品質(zhì)因數(shù)Q的大小分為窄帶濾波器（Q10）和 寬帶濾波器(Q10)兩種，本題中，上限頻率fh=3400Hz， 下限頻率 fl=300Hz，通帶濾波器中心頻率： 品質(zhì)因數(shù)Q： 顯然，Q/T區(qū)域有較多的高頻泄漏，表現(xiàn)在時(shí)域圖上如圖14的（b）所示，波形有階梯不夠平滑。因此需要在D/A變換后，加模擬低通濾波器，濾除不必要的高頻分量，對(duì)波形起平滑作用，該模擬濾波器也稱平滑濾波器。經(jīng)過上述處理的話音信號(hào)，具體實(shí)現(xiàn)后與原聲對(duì)比可知:處理后的信號(hào)失真較小。從另一個(gè)方面考慮上述處理過程，零階保持器在將采樣信號(hào)恢復(fù)成模擬信號(hào)的同時(shí)，由于低通的作用，對(duì)信號(hào)加了一個(gè)小的相移， 由于人耳對(duì)相位的失真是不敏感的，故不考慮相位的滯后；除此以外，還對(duì)高頻少部分信號(hào)進(jìn)行了不應(yīng)有的衰減，增大了信號(hào)的失真，若能將這部分衰減進(jìn)行補(bǔ)償，則可使話音信號(hào)的失真進(jìn)一步減小。鑒于此，我們對(duì)零階保持器傳輸函數(shù)H(j)中因Sa函數(shù)而引起的衰減進(jìn)行補(bǔ)償，即校正，具體方法如下：首先對(duì)頻域中的函數(shù)進(jìn)行分析，在頻域304030HZ范圍內(nèi)的曲線如圖16所示： 圖16由圖可見，它近似于阻帶內(nèi)增益變化極為緩慢的阻帶內(nèi)近恒定增益的高通濾波器；進(jìn)一步分析可知，該曲線在頻率很高處有大幅度的下降，故可用帶通濾波起來擬和該曲線，由于受單片機(jī)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力（0.5MPS）的限制，數(shù)字濾波不易實(shí)現(xiàn)，故這里采用硬件濾波，濾波電路如圖17所示： 圖17該濾波網(wǎng)絡(luò)采用簡(jiǎn)單的無源濾波網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)，圖中C1、R1構(gòu)成初始放大倍數(shù)近乎恒定的網(wǎng)絡(luò)，觀察到在頻率 較高處有大幅度的衰減，故該網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)滿足在頻率較高處的衰減 特性，考慮到對(duì)于聲音信號(hào)，過多的高頻分量只能增加噪聲，所以后接R2、C2構(gòu)成低通濾波器，截止頻率合理的設(shè)在3.4k100HZ。仿真結(jié)果如圖18、19所示：圖18 圖19 由仿真結(jié)果可知，該網(wǎng)絡(luò)在頻域由30Hz起，增益緩慢增大，從3.4kHz處幅頻響應(yīng)大幅度降底，曲線擬和較好，補(bǔ)償了Sa函數(shù)。三、 軟件設(shè)計(jì)流程系統(tǒng)軟件總體流圖見圖20、21所示。圖20圖21四、 其它功能的實(shí)現(xiàn)：1、 良好的人機(jī)界面： 系統(tǒng)工作狀態(tài)由數(shù)碼管顯示，系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換有鍵盤控制包括三種處理方式的切換：直存直取法、欠抽樣采樣法、自相似增量調(diào)制法；錄音開始時(shí)間的選擇：即時(shí)式、自檢測(cè)式。2、 錄放音時(shí)間可由數(shù)碼管顯示。3、 存儲(chǔ)的語音信號(hào)掉電不丟失，掉電后RAM由電池供電，掉電保護(hù)電路如圖22：圖224、 系統(tǒng)錄音的自檢測(cè)功能：錄音的開始時(shí)間有兩種方式：即時(shí)錄音方式即可在按鍵后開始錄音，自檢測(cè)方式是在按鍵后并不開始錄音，而是在當(dāng)有聲音發(fā)出時(shí)才開始錄音。當(dāng)鍵按下后，A/D