数字化语音存储回放系统设计

1、湖北民族学院湖北民族学院数字化语音存储与回放系统设计数字化语音存储与回放系统设计一、题目一、题目数字化语音存储与回放系统数字化语音存储与回放系统二、任务二、任务设计并制作一个数字化语音存储与回放系统，其示意图如下：设计并制作一个数字化语音存储与回放系统，其示意图如下：拾音器拾音器话音放大器话音放大器带通滤波器带通滤波器ADC存储器存储器微处理器微处理器DAC扬声器扬声器功率放大器功率放大器带通滤波器带通滤波器图图1 数字化语音存储与回放系统的组成框图数字化语音存储与回放系统的组成框图湖北民族学院湖北民族学院三、要求三、要求1基本要求基本要求（1）放大器）放大器1的增益为的增益为46dB，放大器

2、，放大器2的增益为的增益为40dB，增益均可调；，增益均可调；（2）带通滤波器：通带为）带通滤波器：通带为300Hz3.4kHz ；（3）ADC：采样频率：采样频率f s8kHz，字长，字长8位；位；（4）语音存储时间）语音存储时间10秒；秒；（5）DAC：变换频率：变换频率f c8kHz，字长，字长8位；位；（6）回放语音质量良好。）回放语音质量良好。2发挥部分发挥部分在保证语音质量的前提下：在保证语音质量的前提下：（1）减少系统噪声电平，增加自动音量控制功能；）减少系统噪声电平，增加自动音量控制功能；（2）语音存储时间增加至）语音存储时间增加至20秒以上；秒以上；（3）提高存储器的利用率（

3、在原有存储容量不变的前提下，提高语音存储时间）；）提高存储器的利用率（在原有存储容量不变的前提下，提高语音存储时间）； （4）其它（例如：）其它（例如： 校正等）。校正等）。湖北民族学院湖北民族学院四、评分意见四、评分意见项目满分基本要求设计与总结报告：方案设计与论证，理论分析与计算，电路图，测试方法与数据，对测试结果的分析50实际制作完成情况50发挥部分完成第一项15完成第二项5完成第三项15完成第四项15五、说明五、说明不能使用单片语音专用芯片实现本系统。湖北民族学院湖北民族学院一、基本工作原理一、基本工作原理1. 基本组成原理基本组成原理 人耳所能听到的声音频率范围为人耳所能听到的声音频

4、率范围为20Hz20KHz,而一般语而一般语音频率位于音频率位于300Hz 3.4 KHz之间。语音的采集是指将语音声之间。语音的采集是指将语音声波信号经麦克风和音频放大器转换成由一定幅度的模拟量电波信号经麦克风和音频放大器转换成由一定幅度的模拟量电信号，任何再转换成数字量的全过程。语音数字量可在单片信号，任何再转换成数字量的全过程。语音数字量可在单片机控制下存入存储器。机控制下存入存储器。 单片机语音生成过程可以看成是语音采集过程的逆过程，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

5、控制、可重组的实时恢复。在放音时，只要依原先的采样值控制、可重组的实时恢复。在放音时，只要依原先的采样值经经DAC接口处理，便可使原音重现。接口处理，便可使原音重现。 典型的数字语音存储与回放系统的基本组成框图典型的数字语音存储与回放系统的基本组成框图1如图所如图所示。它主要包括采集的前向通道和回放的后向通道两大部分。示。它主要包括采集的前向通道和回放的后向通道两大部分。带一定存储量的单片机小系统负责整个系统的控制及数据的带一定存储量的单片机小系统负责整个系统的控制及数据的存储。存储。湖北民族学院湖北民族学院2. 主要技术指标主要技术指标（1） 话音放大器增益话音放大器增益话音放大器的电压放大

6、倍数。话音放大器的主要作用是完成拾话音放大器的电压放大倍数。话音放大器的主要作用是完成拾音器输出的毫伏级的话音电压放大，以适应音器输出的毫伏级的话音电压放大，以适应AD转换。转换。（2）输出功率）输出功率输出失真度小于某一数值时的功率放大器的最大功率。输出失真度小于某一数值时的功率放大器的最大功率。（3）带通滤波器通频带）带通滤波器通频带通频带一般为通频带一般为300Hz 3.4 KHz，用于语音滤波，前置通道中，用于语音滤波，前置通道中的带通滤波主要用于抗混叠，后置通道中的带通滤波则主要的带通滤波主要用于抗混叠，后置通道中的带通滤波则主要期平滑作用。期平滑作用。（4）采样频率及精度）采样频率

7、及精度采样频率及精度分别指采样频率及精度分别指A/D转换的速率和分辨率。转换的速率和分辨率。（5）存储时间）存储时间存储时间指存放语音的最长时间与系统的存储容量、采样频率存储时间指存放语音的最长时间与系统的存储容量、采样频率及精度、存储编码格式等因素密切相关。及精度、存储编码格式等因素密切相关。湖北民族学院湖北民族学院二、主要功能指标分析及方案选择二、主要功能指标分析及方案选择湖北民族学院湖北民族学院三、电路设计三、电路设计1. 语音输入及前置放大电路设计语音输入及前置放大电路设计C110uFM IC1M IC2IC1NE5534R41KR31KR120KR220KR6100KR5100KRP

8、120KVCCVCC-VEE至滤波电路图图3 语音输入及前置放大电路原理图语音输入及前置放大电路原理图声电转换通过驻极体话筒实现，它具有灵敏度高、噪声低、价格低廉等诸多优点。声电转换通过驻极体话筒实现，它具有灵敏度高、噪声低、价格低廉等诸多优点。由于驻极体麦克风获得的语音信号非常微弱，需要将语音信号进行放大，为了减少由于驻极体麦克风获得的语音信号非常微弱，需要将语音信号进行放大，为了减少噪声，这里采用低噪声宽频带的音频专用运放噪声，这里采用低噪声宽频带的音频专用运放NE5534。采用共模信号抑制能力较。采用共模信号抑制能力较强的差分放大电路，采用两只（配对）麦克风分别接入差分放大器的正负端，有

9、效强的差分放大电路，采用两只（配对）麦克风分别接入差分放大器的正负端，有效地抑制了背景噪声，差分比例放大器的电压放大倍数为地抑制了背景噪声，差分比例放大器的电压放大倍数为R5/R3=100,其电路原理图如其电路原理图如图图3所示所示湖北民族学院湖北民族学院2. AGC电路设计电路设计放大后的信号进入放大后的信号进入AGC（自动增益控制）电路，如图（自动增益控制）电路，如图4所示。经过放大电路输出的音所示。经过放大电路输出的音频交流电压经二极管频交流电压经二极管D1和和RC电路构成的包络检波器检波后，输出一个随音频平均电电路构成的包络检波器检波后，输出一个随音频平均电压变化而变化的电压，用此电压

10、控制工作于可变电阻区的场效应管的栅极，改变场压变化而变化的电压，用此电压控制工作于可变电阻区的场效应管的栅极，改变场效应管的导通电阻，是放大倍数受音频信号的控制。当音频信号强时，自动减小放效应管的导通电阻，是放大倍数受音频信号的控制。当音频信号强时，自动减小放大倍数，信号弱时自动增大放大倍数，从而实现增益的自动调节大倍数，信号弱时自动增大放大倍数，从而实现增益的自动调节IC2ANE5532IC2BNE5532R210KR51KR1100KR4100KR3100KR6100R710KD1C110uFQ1ViVo图图4 AGC电路原理图电路原理图湖北民族学院湖北民族学院IC1IC2R110KR21

11、0KR35KR410KC16.62nFC23.31nFC375.03nFC475.03nFViVo3. 带通滤波器电路设计带通滤波器电路设计图图5 带通滤波器计算机辅助设计电路原理带通滤波器计算机辅助设计电路原理前向通道中的带通滤波器用以消除混叠失真，所以称为抗混叠滤波器；后向通前向通道中的带通滤波器用以消除混叠失真，所以称为抗混叠滤波器；后向通道中的滤波器用于滤出道中的滤波器用于滤出300Hz3.4kHz的语音信号，同时有效地抑制噪声特别是的语音信号，同时有效地抑制噪声特别是D/A转换后的数字信号，所以称为平滑滤波器。两者均由两阶低通滤波器级联两转换后的数字信号，所以称为平滑滤波器。两者均由

12、两阶低通滤波器级联两阶高通滤波器构成。采用专用滤波器设计软件阶高通滤波器构成。采用专用滤波器设计软件Filter Solution 8.1，选择巴特沃，选择巴特沃兹滤波器，频带设置为兹滤波器，频带设置为300Hz3.4kHz。得到的具体电路如图所示。得到的具体电路如图所示湖北民族学院湖北民族学院 带通滤波器根据品质因数带通滤波器根据品质因数Q的大小，分为窄带带通滤波器（的大小，分为窄带带通滤波器（Q10)和宽带滤和宽带滤波器（波器（Q10）两种，本系统中的上限频率）两种，本系统中的上限频率fH=3.4kHz,同频带中心频率同频带中心频率f0与品质因与品质因数数Q分别为分别为HzHzfffLH1

13、01030034000326. 03003400101000LHfffBWfQ显然，显然，Q10，故该带通滤波器为宽带带通滤波器，实验结果表明，该滤波器能，故该带通滤波器为宽带带通滤波器，实验结果表明，该滤波器能有效滤除低频分量和高频分量，大大减少了噪声干扰，同时也滤除了多余的高有效滤除低频分量和高频分量，大大减少了噪声干扰，同时也滤除了多余的高频分量，消除了混叠失真，性能足以满足要求。频分量，消除了混叠失真，性能足以满足要求。湖北民族学院湖北民族学院4. 单片机系统及存储器电路设计单片机系统及存储器电路设计 本系统的单片机采用本系统的单片机采用SST公司的公司的SST89E554RC芯片，可

14、直接与芯片，可直接与Keil软件通信，软件通信，能使用能使用Keil软件提供的单步、过程单步、设置断点等调试手段调试程序。该芯片具软件提供的单步、过程单步、设置断点等调试手段调试程序。该芯片具有片内有片内32K+8KFlashROM,1KBRAM,4级级8个中断源，双个中断源，双DPTR,内置内置PCA、WDT（看门狗）等功能。（看门狗）等功能。RST9RXD/P3.010INT0/P3.212INT1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515EA/VPP31XTAL119P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3AD336P0.4/AD435P0.5/AD5

15、34P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528ALE/PROG30TXD/P3.111WR/P3.616RD/P3.717PSEN29XTAL218U1SST89E554RCS1S2S3S412345678161514131211109RX21KVCCD1D2D3D4D5D6D7D8OC1C111D22D33D44D55D66D77D88D91Q192Q183Q1

16、74Q165Q156Q147Q138Q12U274HC573A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122A1326A1427CE20OE22VPP1D011D112D213D315D416D517D618D719U327256C133PC233PY12MR1MXTAL1XTAL2S0R1100KR28.2KC?ELECTRO1VCCRESETVCCALEVCC湖北民族学院湖北民族学院IN-026msb2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42EOC7IN-53

17、ADD-A25IN-64ADD-B24ADD-C23IN-75ALE22ref(-)16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10U1ADC0809IN3LOGIC8LOGICREF7OUT5OSADJ2HOLDCAP6U2LF398132U3A74ALS02CLK3D2SD4CD1Q5Q6U4A74ALS74RP11KR120KVCC1+5VC10.01uFINT1456U3B74LS028910U3C74LS02VCC1+5VVCC1+5VRDI/O0WRINT0ALEDB0-DB7VCC1+5V图图7 ADC0809语音采样电路原理图语音采样电路原理图由由LF398构成的采样构成的采样保持电路保持电路ADC0809构成的构成的A/D转换电路转换电路由由74ALS74构成的时钟二分构成的时钟二分频电路，产生频电路，产生1MHz时钟时钟湖北民族学院湖北民族学院U2OP07Vcc20Iout111lsbDI07Iout212DI16DI25Rfb9DI34DI416Vref8DI515DI614msbDI713ILE19WR218CS1WR12Xfer17