语音示例报告

数字语音存储与回放系统摘要：系统以单片机为控制核心，实现了语音存储与回放系统。系统由前置放大与滤波模块、A/D采样、D/A转换与功放输出模块组成。以ADPCM（自适应差分编码）的方式提高了存储器的利用率，语音存储时间可达2分钟。同时，利用音频功放播放语音，并采用抗混叠滤波等措施，有效地提高了信噪比。语音回放质量良好，存储时间较长。关键字：语音存储与回放ADPCM单片机一、方案论证与选择总体方案方案一：单片机和fpga相结合方案。鉴于单片机复杂可编程性，且接口方便，单片机完成系统控制与界面管理。鉴于FPGA的高速特性，用FPGA实现数据的采集、编解码与存储，以及AD转换器的时序控制。方案二：单片机方案。即由单片机完成人机交互和声音的采集、编码、解码。单片机具有丰富的接口资源和运算单元，能进行复杂的控制和运算，电路结构清晰简洁。方案一系统结构紧凑，操作方便，可以实现复杂控制，但调试过程繁琐。方案二系统规模较小，控制能力强，且易于调试。故我们采用方案二。语音信号前级放大方案方案一：采用两个特性相同的ECM（驻极体电容话筒），接成三运放差分电路，抵消语音输入背景噪声。方案二：采用仪表放大器。三运放仪表放大器具有极高的共模抑制比和高输入阻抗，能够较好地抑制环境噪声，通过一个外接电阻即可实现增益控制。其精度高功耗低，适用于微弱信号的前级调理。实际调试中方案一对噪声的抑制效果并不明显，且电路规模复杂。方案二电路简单且效果较好，性价比高，故我们采用方案二。滤波器方案为防止混叠失真及提高信噪比，带通滤波器尤为重要。方案一：采用二阶切比雪夫低通滤波器。切比雪夫低通滤波器的幅度响应在通带内存在等波纹波动。理想的切比雪夫低通滤波器近似在靠近截止频率的部分有比巴特沃兹滤波器更接近矩形的频率响应。方案二：采用二阶巴特沃兹滤波器。巴特沃兹滤波器的幅度函数是单调下降的，但巴特沃兹滤波器能实现最大平坦幅度滤波。由于语音存储回放系统的输出波形频率覆盖范围较大，为使整个频率范围内都有较理想的滤波效果，以免语音信号产生失真，采用二阶巴特沃兹滤波器。功率放大方案方案一：采用音频功率放大器LM386，其外接元件少，电压增益可调。方案二：采用立体声D类音频功率放大器TPA2000D4。具有失真小、、稳定性高、频响范围宽、功率大等优点。方案一外围电路简单，功率较大。方案二具有立体声输出，功耗低，但电路复杂。故我们采用方案一。压缩编码方案方案一：PCM（脉冲编码调制）。将A/D采集数据直接存入存储器，该编码播放语音质量好，但存储器利用率极低。方案二：DPCM（插值编码）。它是一种比较成熟的压缩编码方法，实现原理

是对信号抽样值与信号预测值的差值进行量化编码，可以压缩数码率，提高存储空间利用率，使语音存储时间增加一倍。DPCM能压缩比特率的实质是由于信号相邻值之间存在明显的相关性，减少了信号的冗余信息。并且失真小。其数学表达式如下：当S(n)-A(n-1)<－8时e(n)=—8—8WS(n)-A(n-1)W7时e(n)=S(n)-S(n-1)S(n)-A(n-1)>8时e(n)=7A(n)=A(n-1)+e(n)其中，s(n)表示当前的采样值，A(n)表示增量累计加值，An-1作为预测值,en表示差分值，以四位存入RAM。与编码相对应的解码方法为：先将A(n)预设为0，读取RAM的值存入BUFFER中，在从BUFFER中读出高4位或低四位，作为本次样值的e(n)。根据e(n)的最高位判断值的正负，A(n)相应地加上或减去e(n)的大小，作为下次输出值S(n+1)与下次的估计值A(n+1)。该方案的缺陷是当差值超过7时当做7处理，引入的量化噪声较大。方案三：ADPCM。ADPCM是一种比DPCM更高效的编码，它的核心思想是利用自适应改变量化阶的大小，即使用小的量化阶编码小的差值，使用大的量化阶编码大的差值。通过查表可以简化运算，算法较简单。综上所述，ADPCM存储器利用率高，且能减小量化误差，更好地恢复原始信号，故我们采用方案三。二、系统整体设计与框图系统主要由语音采集模块、语音处理模块和语音播放模块组成。话筒输入语音信号分别经前级放大的幅度调理与抗混叠滤波器后，由AD采样器进行数字量化。采样所得数据在单片机内部通过ADPCM编码后存入外部存储器，这样便完成了语音信号的采集与存储。回放时对编码数据进行解码后由DAC输出，最后由功率放大器驱动扬声器完成语音播放功能。FA/D控制FD/A控制单片机LCD专编码与解码: 键盘FA/D控制FD/A控制单片机LCD专编码与解码: 键盘/'、》存储器图2-1系统整体框图三、理论分析与计算ADPCM编码的理论分析ADPCM的原理是对相邻两采样值的差值进行编码，利用自适应的思想改变量化阶的大小。ADPCM的编程框架如下图所示。计算当前采样值Si和上一采样值Sp之间的差值d，该差值经量化编码输出4位ADPCM代码I。在算法中，定义一个结构变量存储上一采样值Sp和量化步长q，并制定两个表：一个表为索引调整表，其输入为差值量化编码I，用于更新步长索引；另一个表为步长调整表，其输入为步长索引，输出为步长q。编码时，首先用上一个采样点的步长索引，查步长调整表求出步长q，再将编码值I作为索引调整表的输入，查表输出索引调整，并和原步长索引相加，产生新的步长索引，在下一个采样值的编码中使用。输入样本值Si匕次样本lisp输入样本值Si匕次样本lispADPCMi'Zl量化阶调整＜ADPC阳世1, ―厂二|反单^厂〃长q|—斗圧化G丽|匕欲输出值图3-1ADPCM编码原理图图图3-1ADPCM编码原理图我们将8bit的采样数据压缩成4bit的ADPCM数据，达到2：1的压缩比，极大地提高了存储器的利用率。当采样速率为8KHz时，数据传输速率为32Kb/s由于外部存储器bq4015为512*8Kb，故能够存储的最长时间为128秒。采样控制的理论分析由于人发出的声音频率范围是300Hz〜3.4KHz，根据奈奎斯特采样定理，采样速率应大于信号最高频率的2倍。故对于模拟语音输入信号，我们选用截止频率为3.4KHz的抗混叠低通滤波器，A/D采样速率设定为8KHz。由于A/D米样时存在量化噪声，若用G2表示输入语音信号序列的方差，G2xe表示噪声序列的方差，x为信号的峰值，B为量化字长，则可以证明量化信噪max比为SNR=101og(Q2/q2)二6.02B+4.77-201og(x/Q)(dB)xe maxx假设语音信号的幅度服从拉普拉斯分布，此时信号幅度超过4Q的概率很x小，只有0.35%，则可以取x二4q。此时上式变为maxxSNR二6.02B-7.2(dB)表明量化器中每个比特字长对信噪比的贡献大约为6dB。我们选用8bitA/D转换器ADC0809，理论上可以达到41dB的信噪比。四、单元模块电路设计前级放大电路由于输入语音信号的幅值大约为几百毫伏，为了将其幅度调理到适合A/D采样的范围内，需要对输入信号进行放大。选用低功耗仪表放大器AD620和INA129,其性价比高，电路简单，通过1脚和8脚间的一个外接电阻R，即可G确定电路增益G。增益计算式为：G=49.4kQ/R+1，为实现增益约为2.5倍的G放大，R约为33kQ，实际电路中用50kQ电位器调试。G图4-1图4-1语音信号放大电路图A/D采样电路选用8位逐次逼近型模数转换器ADC0809。片内带有锁存功能的8路模拟开关，可对8路0〜5V的输入模拟电压信号分时进行转换，片内具有多路开关的

地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。图4-2A/D采样电路图D/A转换电路选用数模转换器DAC0800，它是8位并行高速数模转换器，建立时间为100ns。由于是电流输出型D/A转换器，故需增加I/V转换电路，采用双极性输出方式。图4-3D/A转换电路图功率放大电路经过低通滤波器的音频信号需要通过喇叭外放，故本系统增加了播放功能。前端放大器采用通用型的音频功率放大器LM386来完成。该电路输出端接R2,

C5串联电路，以校正喇叭的频率特性，防止高频自激。脚7接220uF旁路电容,以消除低频自激。为了便于该功放在高增益的情况下工作，将不使用的输入端脚2对地短路。■I□1■I□1图4-4图4-4功率放大电路图五、程序设计系统软件部分由单片机的C51语言和FPGA的VerilogHDL语言组成。其中，单片机主要完成用户输入输出处理和系统的控制，FPGA主要完成需要严格时序控制的模块（如数据采集、频谱显示）以及大规模数据计算（如FFT、ADPCM编码）等。整个系统的设计中模块化思想贯穿始终，采用菜单键选择所用功能，系统流程图如图5-1所示。图5-1程序流程图六、测试方案与测量结果测试仪器直流稳压稳流电源：型号SG1733SB3A60M数字存储示波器：型号TektronixTDS1002秒表测试方案与测试结果（1）语音存储与回放效果测试一名组员面对麦克风以不同大小的声音说话，录下一段语音，记录回放语音的效果。表6-1麦克风输入语音回放效果测试序列曰量语音质量序列曰量语音质量1小较好3大很好2中很好4静噪无声音2）语音存储时间测试一名组员面对麦克风不间断地说话，启用录音模式，待系统显示存储器存满后，回放语音，用秒表记录语音回放最长时间。序列1234语音存储时间（S）120.2119.7120.5120.1测试结果分析及总结实现了语音存储及回放系统，最长存储时间达2分钟，回放语音效果清晰良好，并能在示波器上实时显示语音频谱。采用ADPCM编码在保证回放音质的情况下，极大地提高了存储器的利用率，并通过对语音信号采用分帧加窗的方法实现了短时频谱分析。另外，系统采取了一系列抗干扰措施以减小噪声，如数字地与模拟地分开走线，在一点汇合；电源处采用一个10uF和0.1uF的电容并联去耦；