（计算机应用技术专业论文）多功能语音答录器的设计.pdf

中南大学硕 卜 学位论文多功能语音答录器的设i t abs tract v o i c e r e c o r d e r 信号变换用某种变换把这一信号转变成一种更加方便的 形式;最后一步是信号内容的提取与应用，可以由 人来编辑，或者交给 机器去实现，以便把代表信号的成分加以分析、归档、 保存和调用，即 语音库的建立和使用. 数字信号处理技术在最初是为模拟复杂的模拟系统而应用到语音处 中南大学硕士学位论文 多功能语音答录器的设计 理方面 上来的，当 时只 是在计算 机上进行模拟系 统的 探索， 进行一些参 数选择或者其它设计考虑的实 验.当 模拟系 统首次使用数字模拟时， 计 算机的计算还是要求大量的时间.因 此在数字处理的开始时期，所做的 只是实验数据的采集、分析等工作。 6 0 年代后期， 数字信号处理发生了重大变 化， 计算机得到了 飞速的 发展。当 语音处理技术在理论上取得了巨大成就以后，数字系统的精确 模拟出 现了可能.在专用数字集成电路的使用中，一个极其复杂的电路 系统可以在一小片单芯片集成块上得到实现。这样，即使在语音的抽样 速率下，信号处理工作所需求的计算，多 数都能够凭借逻辑电路的开关 工作速度，实时处理完毕. 1 . 3 .2 语音合成的各种方法 数字语音信号处理的特征是获得语音信号的离 散表示，以及在处理 这一离 散表示时所使用的较为特殊的方法.目 前， 语音合成主要有两种 方法，即波形存储法和参数合成法. 波形存储法是一种相对简 单的语音合成技术.它是最早的数码压缩 和编码方式，直接对音频波形进行量化.常见的有 p c m( 脉冲编码调 制法)、 a d p c m ( 自 适应差分 p c m法) 、a d m 自 适应增量调制法) 等. 这类算法具 有声音自 然 度和保真度高 的 优点， 缺点是数据存储量大. 以c c i t t i t u g .7 2 6 标准为例， 其算法采用了a d p c m， 数据压缩 后存 储 速率为3 2 k b p s ， 声 音 保真 度 和自 然 度都 相当 理想， 频率响 应范围 可达 i o k h z . 但是高 达3 2 k b p s 的 存取速率， 使得一片4 m位的 存储器 只能存 储1 2 5 秒的语音信息. 参数合成法又叫分析合成法， 是指对语音分析后将音调、 共振峰、 频谱、 发音域函数等语音特征参数记录下来，然 后根据这些特征将声音 再合成重现，其最大的优点在于可以以较小的数据存储量实 现长时间数 码录音.参数合成法主要包 括 l p c( 线性预测编码) 和 p a r c o r( 偏 自 相关系 数法) 等。 如表 卜 1 所示.近年来， 有出 现了m e l p 混合激 励线性预测编码)、c e l p 码本激励线性预测编码)、mb e( 多频段 激 励 编 码) 等. l p c方式 有 1 .6 k b p s 的 存 取速率 就能 完 成 语音 编 码， 但 是声音自 然 度和保真度很不理想.p a r c o r方式可以 得到还原度较高的 语音， 但是它与 l p c方式一样，在参数编码的采样、分析、计算等方 面 非 常复杂， 用单 一芯片 来实 现难 度较大 . m e l p 方 式 存 取速率为2 .4 k b p s 和 3 .2 k b p s ，声音自 然 度和保真度较 l p c有了 一定的改进， 但仍有明 显 的不自 然 感觉. c e l p 方式 具有了 较退真的 语音效果、 特别 是在1 3 .2 k b p s 中南大学硕士学位论文 多功能语音答录器的设计 曲. 或 9 .6 k b p s高 码率 情况 下， 基本上能 反映出 所录 语音的 特点. c e l p在 较低码率( 如4 .8 k b p s 或5 .2 k b p s ) 情况 下声 音自 然 度 也 还可以 接受。 m b e 是有美国 麻省理 工学 院 最 新 发 展的 编 码方 法， 其 码率 可以 在2 .4 -v 9 .6 k 饰s 范围内 有用户选择， 语音自 然度和保真度要比其它方式高 一个等级， 可 以 说是目 前最 好的 参数编码方式 3 0 1 目 前较多的参数编码芯片是采用 c e l p方式，如 l u c e n t公司的 l r - 3 0 . mx i c公司的9 3 5 2 1 . t i 公司的t s p 5 0 c - 3 4 等.采用mb e方式 的 有d v s 公司的a m b e - 1 0 0 0 芯片。 参 数编 码芯片 通常需 要和编解码芯 片( c o d e c) 一起使用。通常人的 语音最高为 3 8 0 0 h z .根据采样原理 可知，采样频率必须大于模拟量信号最高频率成分的两倍以上，因此一 般使用的c o d e c的 采 样频率是8 k h z ，实 现的 语音频率最高为3 .8 k h z . 1 .3 .3 语音信号中 使用的 存储器 数字语音处理的明显优点就是反映模拟电路所能实现的效果.这是 因为数字化的语音信号在很大程度上依赖于所使用的 信号 存储途径， 二 进制数0 和 1 凭借一些专用的器 件得以 保存.由于存取灵活方便，因此 从根本上决定了由数字表示的信号能够借助存储这个途径，实 现极其复 杂的系统设计。 静态r a m ( s r a m) 静态r a m存取存储器一般采用c o ms( 包括h c mo s )工艺制造， 具有高 速低功耗的 优点， 能够与常规的 双极型 t t l器 件接口 直 接相连。 另外，采用综合双极型与 c mo s两种不同技术新型 b i c mo s工艺制作 t t l 或e c l s r a m， 提高了 读写周期速度， 增强了系 统的杭千扰能力. 从容量方面来看，目 前生产的单片s r a m产品， 具有 4 m b的存储 能力.不过普遍使用的仍是 2 5 6 k位的器 件.容量达到 1 m 位的单片 s r a m， 基本上都是采用c m o s 工艺制造的t t l 器 件， 存取时间在3 5 n s 和2 5 n s 之间。 动态随 机存取存储器( d r a m) 动态随机存储器与静态 r a m相似， 其器 件内的 存储单元也是按行 列 组成矩阵，不过它 依靠 单管存储单元输入电 容的暂 存电 荷来保持所驻 留的数据。由于 p n结的漏电流会引 起存储单元放电，因此必须重复、 定时的对动态存储单元进行读出和恢复，即进行存储器再生的过程.一 般来说，温度对放电 速度有很大影响:温度越高， 放电 速度也越快. 要保证存储单元存储的数据不丢失或不受影响，再生时间间隔要求 在 卜1 0 0 1u s 之间.如器件工作在 7 0 c 温度下，典型的再生时间间隔是 中南大学硕士学 位论文 多功能语音答录器的设计 2 n s 。在这个过程中，将一个行地址发送给存储器器件，然后执行一次 读操作，便可完成对选中的行中 各个存储单元的 再生. 存储器再生与正常的存储器 读周期有以下三点区 别: 第一，二者使用的地址所依赖的硬件电路不一致.一般来说，存 储器再生地址有再生地址计数器提供，每经过一次存储器再生，该计数 器就自 动加 1 ，以便顺序提供所有的行地址.而对于读操作来说， 输入 至存储器的地址来自 地址总线. 第二， 存储器再生周期期间，其模块的各器件都处于启动状态，所 以每块器件的再生是同时进行的.这样可以减少再生周期数.而在正常 的读周期中，最多只会启动一行存储阵列. 第三， 除了芯片启用控制愉入外，动态 r a m通常还有一个数据输 出允许控制端.当 这两个控制端都有效时，数据输出才得到允许，否则 数据输出 端呈现高阻态.在存储器 再生过程中，不驱动个器 件的数据输 出允许控制端，因此数据输出端是处于高阻态的. 动态 r a m 的缺点是需要再生逻辑，并且在再生周期中， 存储器 模 块不能进行读操作，更不能进行写操作，因 此对于读或写来说， 读、写 的请求时间 会相应延长一倍.存储器再生需要栖牲动态存储器的有关响 应时间. d r a m的制造工艺也属c m o s 工艺( n m o s ) . 封装也有d i p , z i p 或 s o j 等.目 前d r a m器件的单片容量已 经达到 1 2 8 m位，更大容量 的d r a m器 件也即将推出. d r a m 器件存取时间典型的为 1 0 0 n s , 1 2 0 n s 和 1 5 0 n s ，高 速的达 6 0 - 7 0 n s ,因受到制造工艺的 影响， d r a m存取速度很难再得到提高. 动态 r a m 的最大好处是功耗低，一般每位动态 r a m 的耗敬功率 小于 0 .0 5 m w，与典型的静态 r a m 每位的功耗 ( 0 .2 m w) 相比 要小四 倍， 所以 动态r a m更 适宜于 构成非易 失 性存储器. 另外，动态 r a m 的结构比较简单:三个晶 体管，甚至一个 mo s 晶 体管便可构成一个存储单元， 因 此便于 提高 捉高集 成度， 以 增加容量. 紫 外线可擦除电 可编 程只读存储器( e p r o m) 紫外线可擦除电 可编程只读存储器， 是一种能有效保存数据的存储 器.e p r o m的 封装有d i p .陶瓷p l c c和s o p 等种类，另外还有超薄 性 t s o p封装. e p r o m具有不 挥发性和电不 可改写性， 用于 存放程序 执行代码能大大 提高 程序运行的可靠性， 但由于e p r o m的内 容不能带 电 在线修改，不利于内容的更新， 在使用上有许多不便之处。另外， e p r o m的读取速度较慢，约 1 5 0 n s 左右;容量也较小，最多为2 5 6 k b , 还不能满足目 前大容量存储的需要. 中南大学硕士学位 论文 多功能语音答录器的设计 电 擦除可编程只读存储器( e e p r o m ) e e p r o m 是一种电可擦除并能反复使用的可编程只读存储器。它 采用可靠的浮空门技术，具有 e p r o m 的片选控制与输出允许位。它的 擦除/ 写入循环可达1 0 0 0 0 0 次，并且读取时间快、功耗低。但是， 擦除 1 写入的技术条件大都是在 0 - 7 0 是才能得到保证，而且容量小， 价格 昂 贵。e e p r o m的封装形式多种多 样， 有d i p . s o p 和t s o p 等。 闪 烁存储器( f l a s h me m o r y ) f l a s h m e m o r y 是近2 0 年来出 现的 第 一 种最引 人注目 的 新型存 储器， 它 是e p r o m和e e p r o m技术 有 机结 合的 产物， f l a s h m e m o ry几 具 有 e p r o m一样的可编程能力，又带 有象e e p r o m一样的电可擦除性能， 对它的重新编程不需要将它从电路板上取下来就可以实现.同样的优 点，虽然e e p r o m和带 有后备电 池的s r a m也具有， 但相同 的容量， f la s h m e m o ry的 价 格 还不 到 它 们的 一 半。 f la s h m e m o ry还 具 有不 挥 发 性， 访问 速度快 约6 0 n s ) 和密 度高 等 特 点. f la s h m e m o r y 的 不 挥发性， 使它掉电后不需要后备电池供电就可以长期可靠地保存数据.f l a s h m e m o ry工 作于 + 1 2 v时， 可以 象e e p r o m一 样实 现带电 改 写， 这就 使 它有相当大的潜力 应用于过去采用 e p r o m. e e p r o m， 后备电池供电 的s r a m的场合.各种存储器的性能比较如表 1 - 1 所示: 表 1 - 1各种存储器性能比 校 不挥 发性 高 密度 低 功4 毛 1 个管子 海单元 在系 统 可改写 性 全部位可 改写性 高性能 读取 f la s h 一 i/ 一i/ :v 一 i/i/一 侧 s ram 一一 i/一 i/ 了 dram召j了 e e p r om 了了了斌了 otp / e p r om 了侧了侧丫 rom了了了了侧 ha r d d i s k v 一v 一一一 v一 v f l o p p y 侧了 i 1 . 4 语音合成技术的应用 语音合成技术产品的广泛使用，拉近了 人与机器之间的距离，也给 我们的生活带来了 许多乐趣. 中南大学硕士学位论文 多功能语音答录器的设计 i . 家 皮民用产品与装i 语音合成技术应用于日 常生活， 可以给我们提供会说话的玩具、游 戏机， 和能够进行语音提示的家用电器。比如， 钟表或记时器 报告时间: “ 现在是上午 a点整.”， 听起来 要比 “ 当、当、当 ， 的声音要悦耳得 多. z .商业与银行 大型商场的门口 或自 动扶梯旁， 语音播放系 统与自 动感应系 统相互 配合，给顾客一声轻轻的问 候或一句适当 的提示，都能给顾客带来些许 暖意. 银行方面， 报告兑汇率、 利息 等 信息， 或者给用户进行操作提示， 也是颇受欢迎的. 3 .通讯 语音合成技术在通讯方面的应用更加具体、 广泛.从电 话机到程控 交 换机， 从自 动天气 预报到各种信息查 询， 从自 动寻呼系 统到股票交易 系 统， 语音 合成技术的 作用都 得到了 充分的 体现。 4 .检浏与控制 在检测与 控制领域， 语音合成技术的应用也十分普遍.语音输出 提 供了一条更为直接的参数获取途径，可用来辅助捕获信息或提示与操作 者有关的 操作步 骤.在生产 设备的监 控系 统中 加入语音报警装置，则不 论操作者是否注意到， 都可以及时的得到警 报， 从而能 预防重大事故的 发生. 5 .运愉工具 可用于公共汽车、 地铁、出 租车和电 梯等运输工具.如车站自 动报 站器 可以减轻售票员的劳动强 度，也能够更为有效的 提醒乘客注意. 6 .其它 语音合成技术 在军事等其它 领域也有很重 要的 作用. 如雷达的方 位 情况报告等. 1 . 5 课题背景及意义 从上面的介绍可以看出，语音合成技术及其产品的应用，在我们的 日 常生活中 扮演着越来越重 要的角色 . 在这种前 提下， 我们充分研究了 当前国内外语音答录器产品的现状，提出了一种新的语音合成技术与单 片机综合应用系统. 语音答录器是语音合成技术在通信领域的应用.它可以作为小型程 控电话交换机的外围 设备，对用户的操作进行语音提示，达到与用户交 多功能语音答录器的设计 月口. 公目.川 .吸! 中南大学硕士学位论文 互的目 的.也可以用作信息查询系 统， 如天气预报自 动查询台。或者是 作为一部高 质量的留言电 话来使用. 当 前的 语音答录器主 要有两 种设计方式:一种是以 磁带 作为 存储介 质，它的主要部件是一个磁带录音机， 辅之以少量的外围电 路.这种答 录器结构简 单、 价格低廉， 技术上十分成熟，国内 外很早就有产品问 世. 但是它的缺点是十分突出的.这种答录器的录放音只能是顺序的进行 的，当利用莱单来跳转时，需要很长的定位时间.而且，由于磁带录音 机使用了大量的 机械装置， 使得机械故障率较高.此外， 磁带录音音质 较差，磁带、磁头磨损严重等问 题也是不容忽视的. 另外一种设计是用数字存储器作为存储介质，配合专用 d s p芯片 来实现的.d s p是从微处理器的基础上发展起来的一种完成密集的数字 信号处理算法的高速微处理器和微计算器。数字存储器使用较多的为 2 5 6 k的动态d r a m.在 8 k比特的抽样频率-f 8片4 1 2 5 6的d r a m 能 存储大约4分钟的 语音信息。近年来， 许多电 话厂家纷纷推出了带语 音存储功能的电话机，他们所采用的设计就是这种结构。这种设计具有 以下一些优点:使用软件完成语音压缩与解压缩，电 路较简 单;数字存 储器d r a m为非顺序存储介质， 无须长时间的定位，寻址速度非常快; 存储芯片的使用寿命很长，而且也不 会因长时间 使用后， 存储的 语音音 质降 低.这种设计也有明 显的 局限性。 首先， d s p芯片虽 然具 有一些控 制功能， 但其控制功能 较为简单，不能满 足复杂的 设计结构的需要。其 次， 使用 d r a m存储芯片只适 合于 较短时间的 信息 存储.当录音时间 达几十分钟甚至更长时，单靠 d r a m 芯片的扩展就很难满足需要。另 外，d r a m芯片需要电源持续的供电。当 发生断电时，所记录的数据将 全部丢失，因 此， 其可靠性较差. 塞于此，我们的设想和目的是:利用单片机技术，采用带有f l a s h me mo r y存储介质的语音合成芯片，研制出一种与公用电话交换网 ( p s t n) 完 全兼容的语音答录器.这种答录器 有以下特点: 价格便宜、 使用方便、功能强大，存储容量大并且易于扩展， 使用范围广，具有较 高的兼容性和可靠性等. 目 前。在国内外基于上述思想的设计思路，还很少见之与报道.因 此， 我们认为: 这一产品的 研制和开 发将具 有非常重 要的 现实意义. 中南大 学硕士学 位论文 多功能语音答录器的设计 1 . 6 课题的研究内容与方法 这一课题的主要研究内容有:探索和研究实现多功能语音答录器所 必须解决的一些理论上的问题和具体实现上的关键技术问题;提出一种 实 用的多功能 语音答录器的 设计方案， 并 在次基础上研制一种具有较高 性价比、高可靠性、功能完善、可与公用交换电话网 ( p s t n)实现无 缝连接的稳定的语音答录器，然后继续探索这种产品在其他各种领域的 应用. 本课题的研究分为理论分析和实 验研究两个方面进行. 在理论上将探索一种适用于多种用途的语音产品开发模型，并选择 出 最优模型结构;在此基拙上，制作出 使用产品. 拟采用的技术路线为: 电路逻辑设计令电路结构定型令软件设计方案令软、 硬件联机调试 今各项性能指标测试令样机产品. 本课题的实验方案分硬件和软件两个方面. 硬件上: 采用a t m e l公司的a t 8 9 c 5 1 单片 机为中 心， 控制外围 电路来实现铃流信号检测、忙音检测、 d t m f双音多频信号检测以及录 放音等功能. 语音合成芯片选用i s d公司的i s d系列产品，它内置大容 量、可读写、稳定性强的 f l a s h me mo r y存储介质.然后根据不同 的用途进行不同 容量扩展. 软件上: 主要是用单片 机汇 编语言 和 f r l n k l n c来 具体实 现各种功 台 1 . 中南大学 硕士学 位论文 多功能 语音答录器的设计 j口， 瓜目.钟 砚。 2 . 1 电话工作原理简介 语音答录器的工作是建立在对电话机各种功能的模仿基拙上的，因 此我们有必要对电 话机的结构及工作过程加以简单的介绍。 2 . 1 . 1 通话电 路的组成及原理2 4 1 电话机的主要功能是实现用户之间的通话，因此它的核心足由通话 电路组成，通话电路一般由三部分组成:送话电路、受话电路和消侧音 电路.通话电路的原理框图如图2 - 1 所示: r2 绘 tc1 v 擎 c 犯c 2 图2 - 1通话电 路原理图 b : 为送 话器，当 有声波时， 通过 b . 的 声 / 点 转换， 形成话流进入 j ! 放大， 再经 过v t第 二 级 放大 ， 从其集电 极向 外 线 输出 . b : 为 受 话器， 当 对方能来 话音电 流时， 一方 面 经r , - c , i / r , 4 r , - r , 再流 回 对方 话 机， 形成回 路， 另 一 方面 通过c : 进 入j , 进 行受 话 放大， 由c , 藕 合直 接驱动 b , 发声， 完成通话功能. 中南大学硕士学 位论文 多功能语音答录器的设计 山. 侧音是指送话器 送出 的 话流进入自 己 的受 话器，经它的电 / 声转换， a旦 图2 - 2消 侧音原理 在受话器中所听到自己的话音。这种情形一般是不受欢迎的，因为它不 但引 起通话者的听觉疲劳，而且混淆双方话音.所以消侧音电 路也是通 话电 路的 重 要 组 成 部 分 . 在图2 - 1 中 ， r , , c , . r 2 . 凡 、 凡以 及 线 路阻 杭一起构成消侧音电路，一般的消侧音电 路实际为电 桥电 路，如图 2 - 2 所示， 其中z , 为线路阻 杭，当电 桥达到平 街时， b . 传出 的 信号电 压达 到受 话放大器j z 的a . b 端时， 几 乎为 零， 从而 达 到消 侧音的 效果. 2 . 1 . 2 拨号电 路 电 话机与对方建立通话连接之前，必须通过拨号电路向交换机发出 对方的电话号码.常用的拨号电 路有脉冲拨号电路和双音多频拨号电 路. 在脉冲拨号电 路中电 话号码是以脉冲的形式 发出。从键盘上按下的 一串电 话号码， 送到线路上的就是一个脉冲串 .如图2 - 3 所示. 图2 - 3 号码2 8 3 1 脉冲波形 t。 为 一 个 脉 冲 周 期 ， 包 括t p 断 脉 冲 时 间 和tt 通 脉 冲 时 间 . 在国 标中 规 定 ， 中南大学硕士学位论文 多功能语音答录器的设计 拨号 速 率 有i o p p s ( 每 秒1 0 个 脉 冲) 和2 0 p p s ( 每 秒2 0 个 脉 冲) . 脉 冲 断 通比 为( 1 .6 土 0 .2 ) : 1 和 ( 2 .0 士 0 .2 ) : 1 . 如果 按 i o p p s 计算， 每个 脉冲 中 ， t 。 约 为6 1 .5 m s ,tt 约 为3 8 .5 m s , 则t 。 则 共 为l o o m s ， 当 两 个 脉 冲 间 隔 为mo m s 时，由此计算出一串电 话号码所占 用的时间，如2 8 3 1 ( 2 + 8 + 3 + 1 )、1 0 0 + 8 0 0 x 3 = 3 . 8 s 双音多频拨号电 路使用双音多频信号发送电 话号码. 每个电 话号码 均由两个单音频信号来表示。表 2 - 1是国际电报电话咨询委员会 ( c c i t t) 在 1 9 6 8年提出，我国和西方一些国家沿用至今的双音多频 信号频率组合表。 从表 2 - 1中 看出，高 低频群各有个频率组合， 且任意两个频率或其 和、差不互成谐波关系. 每个高 低两单音频唯一表征一个数码. 双音多频信号每个单音频持续时间 1 2 0 m s ，两号码间隔时间为 1 0 8 m s ，如果用双音多频信号来代替脉冲式发号电 路发出的6 3 0 1 9 3电 话 号码，所用时间为: 6 x 1 2 0 + 1 0 8 x 5 = 1 . 2 6 s 因此， 发送双音多频信号不 但比 发送脉冲信号准确，而 且速度快，尤其 对长的电话号码，更省时，这就大大增大了交换机的利用率，在程控通 讯中，一般均使用双音多频拨号方式. 表2 - 1 d t m f 信号绷率组合 按健号码 高频群 1 2 0 9 hz1 3 3 6 h z1 4 7 7 h z1 6 3 3 h z 低 频 群 6 9 7 hz123a 7 7 0 h z456b 8 5 2 hz789c 9 4 1 hz 0i # d 2 .2 磁带录音 技术 2 .2 . 1 磁带的结构及特性 1 a带的结 构 不同的磁带记录技术应用于不同 性能的磁带， 但就磁带的结构来说 基 本 上 是 相同 的 . 都 是涂 布 型， 成 层 结 构. 即 把单 一的y - f e 2 0 a 磁 粉涂 敷到聚醋薄膜带 巷上， 再经过加工制成.就一般的 磁带结构来说， 主要 中.幻 大学硕士学位论文 多功能语音答录器的设计 由两层构成.下 层为带 基， 上层为 磁性涂层.为突出 或改 善某 一特性。 有的分别涂成两 种不同 磁粉的 磁层，即下 层为带 基，中 间层为y - f e 2 0 , , 上 层为c t 0 2 或 枯改 性氧 化 铁 涂 层. 还 有的 为 降 低 摩 擦， 提高 耐 磨 性， 延长使用寿命， 再在磁性涂层上面涂上很薄的一层保护层或润滑层.也 有的在带基另一面涂一碳黑层，以降低铮电或涂一背层以改善磁带的卷 绕特性。 2 .滋带的 磁特性 磁带的磁特性是由所采用的磁粉决定的。它的好坏决定了 磁带的电 声特性。好的磁带必须采用好的磁粉.但是在磁带的制造过程中由于受 到许多条件和多 种因 素的影响和限制，不能充分发挥磁粉的性能而 做不 出好的磁带来. 为了改善磁带的电 声性能，出 现了 许多新型的 磁粉， 如二氧化铬、 枯改 性氧 化 铁、 金属或 合 金 磁粉等. 但是目 前 用量 最大的 还是y - f e 2 0 , . 由于所选用的磁粉品种不同， 磁带的磁性能也不同. 评价磁带磁特性的主要指标有: 娇顽力( c o e r c i v i t y ) ， 它 是指饱 和剩 磁降 低到 零时 所需 要的 磁 化力 。 矫顽力越高， 可记录的 频率越高， 分辫率也越高.因 此， 在记录 设备允 许的情况下， 尽可能的是矫顽力提高。而 矫顽力高的磁带所需要的偏磁 电 流和 抹音电流都应相当高些.当 矫顽力太高时， 会给消 磁带来困 难， 造成消 磁不净， 增大 噪声;太 低了 容易 褪磁， 记录高 频会受到限制. 刹余 磁化强 度( r e t e n ti v i ty ) ， 是 指在 磁带 达 到 饱和 磁 化状态时， 使磁场沿 饱和磁滞回线单调的 减小 到零时的 磁感应强 度.它决定着 磁带 能量的大小，灵 敏度的高 低和输出大小.它 们之间 一 般成正比关系 . 要 求剩余磁化强度越大越好.对普通的盒式录音磁带来说有 1 0 0 0高斯即 可基本满足要求。 矩形系 数 或拒形比( s q u a r n e s s f e c t o r o r s q u a r n e s s r a t i o ) ， 它 表示 的是最大剩磁与最大磁感应强度两者的比 值.这个比 值越大越好， 但最 大不超过 i .磁滞回线越接近于拒形，拒形比就越大.在这种情况下所 记录的频率就高，失真小. 这是因 为 起始 磁化曲 线料率比 较大， 直线 段 比 较长， 有可能是录音工作点在更大的直线范围内的 缘故. 3 .磁带的电 声性能 电声性能是把磁带的本征性能一磁性能，转换成电 信号，通过人耳 能直接感受的声音来体现的一种性能.它主要是指偏磁特性、灵敏度、 频率特性、失 真率、 信号噪声比、 最大 输出电 平、复印 效应和消 磁程度 中南大学硕士学位论文 多功能语音答录器的设计 等.磁带的电声性能完全取决于磁性能，一般来说，两者是一致的， 但 也有不一致甚至适得其反的情况. 磁偏特性 它是指最佳磁偏或推荐磁偏的选定与其它电 声性能的关系。根据磁 带的种类不同，磁带的磁偏值也不同。选择最佳磁偏是决定正确和充分 发挥磁带工作性能的关键.适当的磁偏值可获得大小适中的磁偏电流， 使记录工作点在整个曲线直线段中心工作，频率范围宽，失真小，灵敏 度高. 灵教度 它 表明 磁带 对磁带 记录 信号的 敏感程度。 在同 样输入条件下， 放音 输出电平高的， 就说明 磁带的灵敏度高。灵敏度主要取决于 磁带剩磁的 大小.一般来说，磁层越厚，剩磁越大，灵敏度也就越高。 2 . 2 .2磁带录放音原理 磁带录音是通过磁头对磁带的磁化来实现的.磁头是一个用坡莫合 金叠 成的环形铁芯，中 间 有一个开口 叫 做工 作隙 缝， 铁芯外面绕有线圈 . 当线圈通过电流时，铁芯就产生磁场。由于工作陈缝非常小，只有 1 - 5 微米， 这样就很容易 把磁场集中 起来.当 磁带经过这一缝陈时， 磁带的 磁阻要比工作隙缝空气的磁阻小得多，所以磁头铁芯中的绝大部分磁力 线就能通过磁带而构成磁路， 这样在磁带均匀 通过词头隙缝时， 便会依 次受到磁化。当 录音磁头的线圈内， 通以代表声音的电 流时， 磁带 便被 磁化而产生与声频电流响应变 化的剩磁.因 为声音每振动一次，流经磁 头线圈中的电流， 也按不同的方向流动两次， 这样在运动着的磁带上所 形成相应的剩磁便是两个极性相反的小磁体.它的大小强弱是由所记录 信号电流的大小和频率的高低或信号波长的大小来决定的。 放音过程也就是录音过程中 声变电、电变 磁的 还原过程.已录制好 的 磁带，上面带有磁化后用来记录声音信息的剩磁.当 磁带以与录音时 同样的速度紧贴磁头通过时，由于磁头磁铁对磁力线的磁胆，要比磁头 陈缝空气的阻力小得多，这样磁带所记录信号的剩磁磁力线就容易通过 铁芯而构成回路，这个随剩磁大小而变化的磁力线便切割磁头线圈而产 生电流，该电流与录音时的电流是一致的，并且很微弱，必须经过放大 器放大后，原来的声音才能得到还原. 州.曰口. 中南大学硕士学 位论文 多功能语音答录器的设计 2 .2 .3 滋带答录器的结构 磁带答录器的核心是一部盒式 磁带录音机，外围 是一些简单电 路来 实现铃流检测、语音控制及摘挂机控制等功能.下面以 c r - 6 5 0型留言 电话机为例，来说明磁带答录器的主要结构。 1 . 铃流检浏电路 铃流 检测电 路是由v d ,- v d , . l e d , . v t . 等 组 成组 成， 其 作用 是外 线呼叫本 机电 话号 码时， 启动 语言 控制电 路开始工 作， p : 为5 v电 源 输 入端， p : 接电 话外线， x . 为 正端， x , 为负 端. s ， 为留 言 控制开关，留 言 时闭 合， 若 用电 话 机与 对方 通 话时闭 合s , ， 便可 将双方 谈 话录 制 在 磁 带 上. x . x : 端 输 入的 铃流 信号 经s , . 隔 直电 容c : 和 限 流 电 阻r , 加至 v d ,- v d , 进 行 桥式 整 流， 使 光 藕 合器l e d : 内 部 发 光 管 正 偏 发光， 光 敏 管随 之导通.由 于r , 的 上 拉作用， 无 铃流 信号 输 入时， v t ， 截止， 集电 极输出 的 低电 平 信号 加至 i c . 的 m r 端， i c , 被强制复 位而 停止工 作. 铃 流 信号 到来 时， l e d . 内 光 敏管 导 通， 并 控制v t ， 也 导 通， 其 发射 机 和 集电 极 之间的 压降几 乎为o v ， 集电 极 输出 的高 电 平 加至i c ， 的 m r 端， 于 是i c . 开 始 工 作. v d ,- v d ; 和电 话 机中 的 极 性 保护电 路 作用 相同 ， 一 是为光藕合器的发光管提供正偏压;二是将通知对方进行留言的音频信 号馈送外线。 2 . 录音拉制电路 录音控制电 路由v t , . v 几等组成. p , 与录 音机音频偷入线 相连， 留 言音频信号经 c , 辐合送至录音机. v 毛、 v 几构成复 合管， 控制录音 机电 源的 通断 . 其集电 极电 压由 录 音 机电 源 经p ; 和v d 。 提供， r 9 . r io , r 串 联 后 对电 话外 线 馈入的电 压 进 行分 压， 并 和r ,: 一 起控制v t , 墓 极 电 位. 在没 有电 话 打 进 来时 ， 交 换 机经p , 馈 入4 8 v的 直 流电 压， 经 分 压电 路为v 毛墓 极 施 加 足够 的负 电 压， 抵消 由r ,2 提 供的 正 偏 压， 使v 几 、 v t , 处于 截止 状态， 录 音 机电 源 被断 开而 停止工 作.当 有电 话打 进来时， 外线电 压跌落到5 v左右， v t , i,极失去使其截止的负 电 压， 并在r ig 提 供的 正偏压作用下， 是复合管v t , . v t , 饱和导通， 录音机电 源 被接通， 开始对留言进行录音.对方留言完毕挂机后，线路电 压上升，复合管恢 复截止状态，为下一次录音作好准备. 3 .语音拉制电路 语音控制电 路有i c , 、 i c ， 等 组成. i c ， 为 单时 墓电 路n e 5 5 5 ， 其引 网械似哄。山9、匕 含-d田 乙芝 汀 渭 中南大学硕士学位论文 多功能语音答录器的设计 脚作用及功能如拟- o h 示。 3, r , m r三个输入端输入电压范围均为 o - - v d ，由 于n e 5 5 5 是 数字 功能 和 模拟功能 兼 容 型电 路， 所以 输入 信号 可以是数字逻辑电 平， 也可以是模拟电 平.i c , , r , . r , , c : 组成无稳 态多 谐 振器， 振荡 周 期t = 0 .6 9 3 ( r , + 2 r 6 ) c i ， 因 此可 计算出 这 里t为6 s 左右。当电 话外线有呼叫 信号输入时， i c . 的 / m r被加正电 压而 起振工 作， 振荡 信号由q端 输出 ， 作为i c的时 钟脉冲. i c : 使用十 进 制计 数 器c d 4 0 1 7 ，其功能如表2 - 4所示.它由c p和 i n h两个时钟输入端， 用时 钟脉冲 上升沿触发时， 信号由c p 输入， 并使i n h为 低电 平;用脉 冲下降沿 触发时， 信号由i n h偷入， 并使c p为高电 平. q o ,- q 9 为十个 译 码输出 端， 无时 钟脉冲 输入时， q o i , q i- q 9 0 。 每输 入一个时 钟脉 冲， q i- q 9 便 依次 对应输出 一个 正脉冲 。当q 9 i 后， 若 在输 入一 个时 钟 脉冲， 输出 恢复 初始状态( q o 1 ) ， 在开始新一轮计数. c r为清除端， c r = 1 时 所 有 输出 状态 均 被清 零， 只 保留% = i , c r = 。时 才 允 许 进 行 计 数。 c 。 为 进位输出 端，当 输入时 钟脉冲m = 0 - 4 时， c , 1 ;当m = 5 - 9 时， c o = ,o . 即 每输 入 1 0个时 钟脉冲， c o 输出 高 低电 平 各 一次， 相当 于 输出 一个十进制进位脉冲，以 方便与下 一级c d 4 0 1 7 进行级 联. c , . r ， 为 加 电 复位电 路，由于 c ; 两端的电 压不能突变， 所以 每次 接通电源时， c r 端便出 现一个由0 到i 的复 位脉冲，清除输出 状态，然后再开始计数. 控制过程如下: 第 一 个时 钟脉冲由ic, 的c p 输入时， q ,= 1 , v d , 和v 几均 正偏 导 通， v t : 集电 极电 位由 高 变 低， 并 加 至 语音电 路的s t a 端， 触 发 语 音电 路放音， 通知对方留 言或改 拨其它电 话号 码。 放音时间为2 个时 钟周期， 即 1 2 s , 第 三个 脉冲 输入时， q , = 1 , v d , . v t : 导通， 触 发语音电 路重复 放 音一次， 再次通知对方留言或改拨其它电话号码，延续时间也是 1 2 s . 表2 - 2时 基电 路n e 5 5 5 引 脚说明 引 脚将号作用 1 v s s一 负 电 源 2考 触发器， 外加电 压低于1 / 3 v d d 时电 路兰 位， q = 1 3q 输出端 4m r 强制复 位端， 外加电 压低于。 .4 v时电 路强制复 位， q = 0 5vc 控制电 压端，外加电压可控制电 路的 反转门限 6r阀 值电 压端， 外 加电 压大于2 / 3 v d 。 时电 路复 位， q = 0 7di s 放电端，内 接收电管，为定时电 容提供放电 通路 8 v d d正电源 曲. 中南大学硕士学位论文 多功能语音答录器的设计 第 五个时 钟 脉冲 输入时， c o 0 , i c : 的v7 1变 为 低电 平， 使其 被强 制 复位而停止工作。同时，q s = l 制过程结束，准备下一次工作 ， 经v d ， 加至c r 端， 清除 输出 状态 。 拉 在外线 铃流 信号 输 入时 ， i c , 起振工 作， 铃流 过 后， 光 藕合器l e d , 和v t . 均 处于 截 止 状态 ， 这时i c , 的 m r 端 所 加高 电 平 是由ic,和c 。 端 提 供的， 所以i c ， 仍能 保 持振荡 状态 ， 直 到 第 五个时 钟 脉冲 到来， c o - 。 时 才停止振荡. 表2 - 3时 基电 路n e 5 5 5 功能 堵入恰出 / sr/ mr q di s 1 / 3 v d d 1 a v 1 截止 2 / 3 v , , 2 / 3 v d d 1 . 4 v0 导通 i / 3 v d di / 3 v d d 1 .4 v一保 持 保持 *今 p c m编解码f - 4 c p u ; 0 2 c p u - p c m 编码令 扬声器; 话 筒-p c m 解码- c p u .当 需要存储语音信号时，c p u启动压缩算法程 序， 并 存入语音r a m中 . 扬声器 电话线 图2 - 6 mx 9 3 0 3 1 a典型应用 m x 9 3 0 3 1 a关于 语音压缩与解压缩的 具 体算法 程序由 芯片 生产厂家 提供，开发人员只需要利用其指令系统开发控制方面的程序.软件功能 框图如图2 - 7 所示. 整个系统的软件分为两部分: ( 1 ) 答录机b i o s 和算法部分.这部 分是由 厂家 提供的，固 化在芯片内 部的 1 9 k字的r o m 中 .( 2 ) 系 统 控制部分.这部分程序是由用户根据需要 自己开发的.芯片内部提供了 中南大学硕士学位论文多功能语音答录器的设计 1 3 k字的r o m给用户， 用户可将写好的 程序烧录 在芯片中 。 也可外加 扩展程序存储器。 软件的具体流程可采用两种方法:查询方式和中断方式。若使用查 询方式，由于需要控制的 模块比 较多， 需要考虑的情况也较多， 所以流 程比较复杂。若采用中断方式，则需要中断管理器对中断进行管理.因 为芯片 m x 9 3 0 3 1 a只带有两个中断，并且有一个中断留给系 统时钟使 用，用户可使用的中断只有一个.用户必须外加中断优先管理器。程序 流程也可采用中 断和查询相结合的方式， 对于 优先级较高的事 件采用中 断方式， 对于优先级较低的事件采用查询方式， 在查询方式中 套用中断 方式. 系统拉制代码答录机的b i o s 和算法 图2 - 7软件功能 框图 应用中除上述内容外，还有一个需要完成的任务，就是必须将模拟 话音首先进行p c m编码，然后形成串 行数据送入m x 9 3 0 3 1 a中 进行压 缩编码. 2 . 4小结 磁带答录器的结构较为简 单，语音信息存储量大，并且技术上十分 成熟，塞于这种技术的答录器产品曾经得到了广泛的应用.但是由于其 使用磁记录作为语音存储介质，因此语音质量受到了 很大的限制，特别 中南大学 硕士学 位论文 多功能语音答录器的设计 日， 艘目.川 吸， 是这种记录方式对磁带的磨损非常严重，磁带使用一段时间后，音质会 更为下降。其次，这种答录器的体积十分庞大，不利于提高产品的集成 度，更不能 作为嵌入式的语音产品来使用。而 且，由于采用了 顺序录音 方式， 放音时信息 段的定位几乎不可能，因此它的应用范围十分单一， 只能作为留言机来使用，不能用于信息查询系统或其他需要与用户进行 交互的工作场合。从目 前的发展趋势来看，这种答录器必将被基于数字 录音方式的新一代产品所取代。 基于d s p 语音芯片的答录器性能比 磁带答录器有很大提高，由于采 用了 数字存储的方式，它的信息定位十分快捷，可以用于交互式语音应 答，而且语音音质也不会因使用次数的增加而明显下降. 但是，通过对 它的分析，我们也能明 显的感觉到一些不足.首先，对 d s p器件的编 程较为复杂;其次，这种专用 d s p器件的 控制能力不能满足功能要求 较高的条件下的需求;再者，由于使用了大量的数/ 4 4 、 模/ 数转换，不 可避免的引 起自 然度的 损失;第四，这种答录器的 语音存储介质为动态 r a m， 在系 统掉电的情况下， 会导致数据丢失，而且， 常用动态 r a m 的集成度不够高，以4 1 2 5 6为例，2 5 6 k b的存储空间只能存放约3 0 s 的 信息，多片扩展不 但增加了 产品的 体积，也引 起成本的上升。因此，我 们有必要开发一种具有更 优良的性能和更高的性能/ 价格比的新型答录 器 . 中南人学硕 卜 学位论 文 多 功能语音答录器的设ii 为了满足更为广泛的用途，并且具有较高的性能阶格比，我们对多 功能答录器电路作了 精心的选择和设计. 答录器硬件设计采用模决化的设计方法.根据所完成的功能来分为 以下几个部分，其中， a t 8 9 c 5 1 单片 机是整个电 路的 核心， 控制其他模 块来完成各种复杂的操作. 外围电 路包 括铃流 检测电 路、 忙音检测电 路、 摘挂机控制电路、d t mp 信号译码电路和电器控制电 路等。 语音存储器件包括两片 i s d语音芯片，一片是 i s d 2 5 6 0 ，它的存储 时间为 6 0 s ，用来存放语音菜单提示信.孰 另一片为 i s d 4 0 0 4 - 8 ，它的 存储时间为8分钟，并可以根据需要进行级连来扩大容量，这一片用来 存放留言信息或者信息查询系统中的语音信息.硬件结构图如图 3 - 1所 下 . 3 . 1 i s d4 0 0 4 图3 - 1 答录器 硬件结 构框图 a t 8 9 c 5 1 单片 机特性12 111 9 1 a t 8 9 c x系 列单片 机是美国a t m e l公司 推出 的高 性能 价格比的单 片 机.器件采用8 0 c 5 1 内 核，指令系统和引 脚与m c s - 5 1 t m 1 0 0 % 兼容. a t 8 9 c 5 1 片内集 成有4 k 字节的闪 烁存储器 ， 采用电 擦除 ， 可重复 编程， 编 程速度是一般e p r o m的数十倍。 i .主要特征 中 南大学 硕士学 位论文 多功能语音答录器的设计 与m c s -