数据传输- 全国大学 生电子设计大赛

数据传输

摘要

本系统对语音信号采用时域处理方法：数据采集直存直

取、欠抽样采样、自相似增量调制法等三种方法，分别完成

了对语音信号32.7秒、65.5秒、147.4秒的存储与回放;

前置自动增益控制（AGC）将语音信号控制在A/D转换器

可处理的范围内以保证话音采样不失真带通滤波器合理的

通带范围有效地滤除了带外噪声，减小了混叠失真；通过后

级补偿电路对输出的语音信号进行了高哥务万校正,

回放语音清晰；并具有自动录音、手动录音、录/放音时间

显示以及掉电后保护语音信号等功能。

-方案设计与论证

本题目是设计制作一个数字化语音存储与回放系统。要求前置

放大器的增益为46dB,增益可调；带通滤波器，带宽为300Hz~

采样频率字长位;语音存储时间之

3.4kHz;ADCfs=8kHz,=810

秒；变换频率字长位;且要求回放语音质量好

DACfc=8kHz,=8

(话音清晰、失真小、杂音少I方案考虑如下。

(-)语音编码方案论证

语音是一维时间信号，由于是表示语言声音的信号，所以不

是恒定的，信号的性质随时间变化很大。为了充分利用有限的存储

空间，并不失真地传送语音信号必须对采集后的语音信号进行进一

步压缩，即语音压缩。所谓语音压缩，是为了声音信号更大信息量

的传送与记忆而压缩数据，并有效地回放声音的过程。语音压缩可

由将语音信号采集，并利用适当的量子化形式的压缩符号化或预测

符号化等进行。

现代常用的语音信号表示方法如用生成模的参数表示声音时，

参数的数据率为5K比特/秒左右，与波形符号化相比，参数表现的

数据率显著变低，若使用声音生成模，则以利用声音信号分析而得

的模的参数为基础，可进行声音的再合成。在听觉上得到的与原声

音没有多少不同的合成声音。参数的数据率为信号波形数据率的《

以下，所以可进行高效的声音数据压缩。

单从声音的存储与压缩率来考虑，生成模参数表示法明显优于

信号波形表示法。但要将之应用于单片机，显然信号波形表示法相

对简单易实现，具有很强的可行性。故方案的设计均从声音信号以

波形存储来考虑。基于这种思路的算法，除了传统的一些脉冲编码

调制外，目前已使用的有VQ技术及一些变换编码和神经网络技术,

但是算法复杂，目前的单片机速度低，难以实现。结合实际情况,

提出了以下几种可实现的方案。

1、短时平均跨零计数法

该方案通过确定信号跨零数，语音信号编码为数字信号。该方

案主要应用于语音识别中，具有较小的回放失真，音质较好。但对

于现用单片机，处理数据能力低，故该方法不易实现。

2、实时幅值采样法

采样过程如下图所示：

(1)直存直取法

该方案将话音信号的抽样值直接存取，以保证在回放时能真实

的重现抽样值。由于这种方法重现的是采样的真实值，所以只存在

一般量化噪声，与A/D转换精度有关。故此方法回放质量最好，

但占用存储空间也最大，编码速率为62.5kBit/s,每采集1秒钟的

话音信号需占用7.8125K字节。由于我们扩展了256K字节的RAM,

故采用这种方法作为不压缩的存储，音质好，录音可达32.768秒。

该方法示意图如图1:

注：该方法中的量化台阶为10H，图中注H、80H、70H、60H、50H、40H、

50H、70H、90H、COH、DOH、DOH为所要存储的值，解码后所输出

的值为：70H、80H、70H、60H、50H、40H、50H、70H90H、COH、

DOH、DOH

(2)欠抽样采样法

虽然语音信号频谱在高频处迅速下降，但语音信号并非固有的

频带受限。对于浊音来说，超过4kHz频率的频谱比其峰值要低

40dB以上。另一方面，对于清音，即使超过8kHz,频谱也没有显

著下降。因此为了精确的表示所有语声，常常需要大于20kHz的

抽样率。然而，在大多数应用中不需要这样高的抽样率。通常我们

只要有3.5kHz以下的频谱足以清晰地传输话音信号,即8kHz的

采样速率足矣，通常的“电话语音"就是用4kHz的奈奎斯特频率

实现的。因此可以8K的采样速率对话音信号采样，而存储时采用

奇存法，即只存奇数点而抛弃偶数点，回放时在两相邻奇数点之间

的偶数点只需用两数的平均值代替即可。这样既保留语音信号的主

要部分，使回放的音质较为理想，又提高了存储器的利用率，理论

计算录音时间可达65.536秒，数据压缩率为1:2。但是，由于这

种方法的采样速率实际上只有4kHz,故在回放时会产生一定的失

真。该方法示意图如图2所示

注：图中70H、70H、50H、50H、90H、DOH、为所要存储的值，解码后所

输出的值为：70H、70H、70H、60H、50H、50H、50H、70H90H、BOH、

DOH

(3)自相似增量调制法

从典型的语音信号可以看到，语音信号的特征是随时间而变化

的，在大多数语音处理方案中，基本的假定为语音信号特性随时间

的变化是缓慢的。这个假定导出各种"短时”处理方法，在这里语

音信号被分隔为一些短段再加以处理。这些短段就好像是来自一个

具有固定特性的持续音片断一样。这些短段一般都按要求重复（常

是周期性的）o这些有时称为分析帧的短段彼此经常有一些叠接，对

每一帧的处理结果或是一个数或是一组数。所以，经过处理以后产

生一个新的依赖于时间的序列而用于描述语音信号。

这种短时处理技术，可以表示成数学形式

OO

Qn=

对语音信号（或者是经线性滤波后滤出所要求的频段）做变换

T口，该变换可以是线性的，也可以是非线性的，它可以依赖于某个

可调参数或一组参数。然后把所得到的序列乘以窗序列，这个窗序

列位于与抽样标志n相一致的时间上，最后对乘积的所有非零值求

和。通常窗序列宽度是有限的，当然不总是这样。所以Qn值就是序

列T[x（m）]的部分加权平均值的序列。短时分析原理的一般表示如图

3所示。

图3

利用语音信号的短时平稳性及波形自相似的特点，本系统提出

自相似增量调制法，该方法是以8K的采样速率，在采样过程中，

以每九个相邻采样点为一组，每组中对第一个采样值保存其真实值,

而其余的采样值采用增量调制的方法生成一个字节保存，这样，每

一组共占用2个字节。数据压缩率为1:4.5。该方法既有

△M调制的优点，又同时兼有PCM编码误差较小的优点，编码误

图4

注：图中所示增量为。=10H，所存数据为70H,87H(10000111B),C0H

其中，70H和87H组成上述的一组，70H为一组中的第一点，是真实的采样

值，87H是增量调制后的编码，它的每一位都表示了曲线的变化趋势，增量

调制用一位码表示相邻抽样值的相对大小，而相邻抽样值的相对变化同样能

反映模拟信号的变化规律。只要时间间隔At和台阶。都很小则m(t师m'⑴

将会相应的接近。解码后所输出的值为：70H、80H、70H、60H、50H、40H、

50H、60H、70H、COH、DOH...

由于使用了AM调制使系统产生了过载量化噪声，过载量化噪声

(有时简称过载噪声)发生在模拟信号斜率陡变时，由于台阶。是

固定的，而且每秒内台阶数也是确定的，因此，阶梯电压波形就跟

不上信号的变化，形成了很大失真的阶梯电压波形，这样的失真称

为过载现象，也称为过载噪声。

(-)A/D、D/A及存储器芯片的选择

1.A/D转换芯片的选择

根据题目要求采样频率fs=8kHz,字长=8位,可选择转换时

间不超过125g的8位A/D转换芯片。当前常用的A/D转换的

实现方法有多种：积分式、逐次逼近式、并行比较式和二进制斜坡

式（又称计数式）、量化反馈式等。鉴于转换速度的要求，最适合本

题使用的是逐次逼近式转换器，它具有转换速度较快、转换精度较

高的特点，一次转换时间在数微秒至百微秒范围内。其中ADC0809

是目前使用较为广泛的通用8位A/D转换芯片。它的转换时间小于

120pS，模拟输入为0~5V,基本上可以满足题目的要求，但由

于要实现自动录音，需要数微秒级的转换时间才能达到良好的效果。

因而我们采用了12位逐次逼近式A/D转换芯片AD1674。它的转

换时间小于10pS,可编程为8位A/D转换工作方式，而且其可输

入±5V的模拟信号，故无需在前级增加电平抬高电路，可减少因通

过一级电路后引起的信号失真以及系统噪声。

2.D/A转换芯片的选择

D/A转换器的作用是将存储的数字语音信号转换为模拟语音信

号，由于一般的D/A转换器都能达到的转换速率，足够满足题

目的要求故我们在此选用了通用D/A转换器DAC0832.AD1674、

DAC0832与单片机的连接如图5所示

图5

3.数据存储器的选择

当采样频率fs=8kHz,字长为8位时，按照1:1的存储率，一

秒钟就能采样8000个点，为了能够存储多于10秒钟的语音，则存

储器至少需要有78.125Kx8的容量。在此我们选用了两片

IS61C1024将存储容量扩展为256Kx8,这样就能以1:1的存储率

存储32.768秒语音信号。电路图如图6所示

图6

(=)放大器的设计

作为语音放大器的前端放大器，有以下几点要求：

L低噪声，高增益。

2.有较大的动态范围。

3.失真度小。

前端放大器：

系统要求放大器增益为64dB,由于驻极体生成的语音信号

较大，在此我们选用动圈型拾音器。为了保证录音质量，语音信号

应保证满量程模数转换，所要录制的声音大小可能相差很大，因此

AGC电路至关重要，所以我们将放大器做成低噪声、自动增益控制

(AGC)兼手调增益型放大器。

在此选用低噪声高压摆率的运放NE5532作为放大器，对信

号进行多级放大：缓冲放大、放大、调整放大，其中放大环节包括

AGC和手动增益调节，且两种方式可自由切换。

后端放大器：

为了保证耳机和外放都能正常工作，语音信号的输出应有一定

的输出功率，在此选用两级放大，第一级为信号放大，第二级为功

率放大，由于功率放大器有较大的噪声，在使用耳机工作时需输出

的功率较小，可只对语音信号进行信号放大，因此我们选用两种工

作方式：信号放大、功率放大，这样既保证了使用外放的使用，又

不增加耳机工作的系统噪声。

在该系统中，有两处用到放大器增益分别为46dB和40dB,

且增益均可调，既可用专用放大器实现，也可用分离元件实现，综

合考虑实际应用与性价比，我们采用分立元件实现。注意到发挥部

分要求减少系统噪声电平，增加自动音量控制，所以我们将放大器

做成低噪声、自动增益控制（AGC）兼手调增益型放大器。

（四）滤波器的设计

为了滤除音频信号中不必要的杂波，必须在数据采集前端放置

滤波器，以尽可能滤除噪声干扰与混叠失真。这里将通频带设为

300Hz-3400Hz,选用分立元件构成的有源滤带通Butterworth

滤波器，其性能优于集成滤波器。

整个系统框图如图7所示。

图7

二理论分析与计算

(1)放大器设计

这里由NE5532构成的增益放大器，增益可达64dB,可手动

调节与自动调节，手动调节时KEY与端点2连接，通过调节电位器

R9改变2N7000栅极电压来调整增益，增益的达64dB且连续可

调，当KEY与端点1连接时，增益可自动调节，输入信号小可到几

毫伏,线性动态范围为40dB,输出OUT一直稳定在10Vp-p,电

路如图8所示：

+12

该增益放大电路由三级运放组成:

第一级为缓冲放大，对语音信号进行缓冲，增益为：G=-鲁

第二级包括AGC和手动增益调节电路，增益为:

_RDS%勺4+.15

j—R，”DS04

RDS为2N7000的导通电阻，由2N7000栅极的电压决定,三极管

9012构成的检波电路对第二级放大器构成了负反馈，使输出电压稳

定。

第三级为调节放大，调节输出信号Vp-p=10V,即保证A/D满量程

转换,增益为：G=一就

采样输出放大器：经带通滤波器输出的声音回放信号，其幅度

为0~5V，足以用耳机来收听，故不用接任何放大器。而考虑到实

际中经常会用到喇叭外放，故在本系统中增加外放功能，前端放大

器采用通用型音频功率放大器LM386来完成。电路如图9

图9

该电路为增益50~200连续可调，最大不失真输出功率为325mWo

输出端接C2,R2串联电路，以校正喇叭的频率特性，防止高频自

激。脚7接220"去耦电容，以消除低频自激。为便于该功放在高

增益情况下工作，这里将不使用的输入端脚2对地短路。

(2)有源带通滤波器设计

声音信号经动圈拾音器转化成电压信号，通过前级放大，在对其

进行数据采集之前，有必要经过带通滤波器滤除带外杂波。选定该

滤波器的通带范围从300Hz到3.4kHz。其作用：

(1)保证300〜3400Hz的语音信号不失真的通过滤波器；

(2)滤除带外的低频信号，以减少带外工频等分量的干扰，大大

减小噪声影响，该下限频率可下沿到270Hz左右;

(3)便于滤除带外的高次谐波，以减小因8K采样率而引起的混

叠失真，根据实际情况，该上限频率可在2700Hz左右;带

通滤波器按品质因数Q的大小分为窄带滤波器(Q>10)和

宽带滤波器(Q<10)两种，本题中，上限频率fh=3400Hz,

下限频率fi=300Hz,通带滤波器中心频率:

f0=7Z7=73400x300=1010Hz

品质因数Q:

C=f。.wo=0.326

BWfh-fl3400-300

显然，Q<10,故该带通滤波器为宽带带通滤波器。

宽带带通滤波器由高通和低通滤波器级连构成，鉴于

Butterworth滤波器带内平坦的响应特性，该题中，我们选用二阶

Butterworth带通滤波器，电路如图10所示：

图10

图种阻容值的确定按下述步骤进行：

(1)设放大倍数为4,则选Ri1=Ri2=Rf1=Rf2=10K；

（2）带通滤波器的前半部分（高通滤波器）阻容值的确定：

由于自由振荡角频率：

21

CD„----------------------

R、R2cle2

阻尼系数：

当下限频率fi=280Hz时,取下1.414,Ci=C2=0.01pF,Am=2

带入上两式得RLR2理论值：R1=82K,R2=41K;

选标定值,则Rl=120K,R2=60K;

（3）带通滤波器后半部分（低通滤波器）阻容值的确定：

与（2）中阻容值的求法相似，不同处仅上限频率fh=3.4K,

C3=C4=0.001pF,求得R3、R4理论值:R3=33K,R4=66K;

结合实际情况,取标定值，则：R3=32K,R4=83K;

仿真结果如图11、12所示:

-3dB下限频率fi=298Hz

图11

・3dB上限频率fh=3.2KHZ

图12

实验证明该滤波器能有效地滤除低频分量，大大减少噪声干扰，

与之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。

用'/£

(3)校正

sin(7z/'/fsy

系统中的数模转换采用DAC0832,该芯片完成数字信号到模拟

信号的转换。从D/A转换的过程来看，其作用是首先通过解码将数

字信号转换成时域离散信号，再经过零解保持器和平滑滤波，最后

得到模拟信号（话音信号），恢复过程如图13所示：

零阶保持器的作用是将前一个取样值保持到下一个取样时刻，因此

相当于常数内插。零阶保持器的单位冲击函数h⑴以及输出波形如

图14所示。

(a)

图14

对h(t)进行傅里叶变换，得到零阶保持器的传输函数H(jQ)

00

H(jd)=jh^e^dt=

—co

丁sinQT/2jor/i

=1-------------eJ

QT/2

其幅频特性如图15所示:

五骨母恃节晌忸双收攻

图15

由图看到，零阶保持器是一个低通滤波器，能够起到将采样信号恢

复成模拟信号的作用。由于零阶保持器的幅度特性与理想低通滤波

器的幅度特性有明显差别，主要是在|Q|>TI/T区域有较多的高频泄

漏，表现在时域图上如图14的（b）所示，波形有阶梯不够平滑。

因此需要在D/A变换后，加模拟低通滤波器，滤除不必要的高频分

量，对波形起平滑作用，该模拟滤波器也称平滑滤波器。

经过上述处理的话音信号，具体实现后与原声对比可知:处理后

的信号失真较小。从另一个方面考虑上述处理过程，零阶保持器在

将采样信号恢复成模拟信号的同时，由于低通的作用，对信号加了

一个小的相移，由于人耳对相位的失真是不敏感的，故不考虑相位

的滞后；除此以外，还对高频少部分信号进行了不应有的衰减，增

大了信号的失真，若能将这部分衰减进行补偿，则可使话音信号的

失真进一步减小。鉴于此，我们对零阶保持器传输函数H（jQ）中因

Sa函数而引起的衰减进行补偿，即校正，具体方法

sin（方/£）

如下：

首先对频域中的可（上八函数进行分析，.

sin（7zf/./；）sm（7zf/./；）

在频域30-4030HZ范围内的曲线如图16所示：

图16

由图可见，它近似于阻带内增益变化极为缓慢的阻带内近恒定增益

的高通滤波器；进一步分析可知，该曲线在频率很高处有大幅度的

下降，故可用带通滤波起来拟和该曲线，由于受单片机数据运算处

理能力（0.5MPS）的限制，数字滤波不易实现，故这里采用硬件滤

波，滤波电路如图17所示:

C1

R2

0.1uF

1kQOUT

AAA/----9

-----T"""RI1I~~T

10kQ

5V/60HzAn泡八人1~,—1—C2

001pF

68kQ

图17

该滤波网络采用简单的无源滤波网络即可实现，图中Cl、R1构成

初始放大倍数近乎恒定的网络，观察到可；:f、在频率

sin(7z//fs)

较高处有大幅度的衰减，故该网络还应满足在频率较高处的衰减

特性，考虑到对于声音信号，过多的高频分量只能增加噪声，所以

后接R2、C2构成低通滤波器，截止频率合理的设在3.4k±100HZo

仿真结果如图18、19所示:

图18

图19

由仿真结果可知，该网络在频域由30Hz起，增益缓慢增大,

从3.4kHz处幅频响应大幅度降底，曲线拟和较好补偿了Sa函数。

三软件设计流程

系统软件总体流图见图20、21所示。

开机

图20

键盘中断服务程序流程图

键盘中断入口

图21

四、其它功能的实现:

2.良好的人机界面:

系统工作状态由数码管显示，系统状态的转换有键盘控制包括

三种处理方式的切换：直存直取法、欠抽样采样法、自相似增量调

制法；录音开始时间的选择：即时式、自检测式。

2.录放音时间可由数码管显示。

3、存储的语音信号掉电不丢失，掉电后RAM由电池供电，掉

电保护电路如图22:

4.系统录音的自检测功能：

录音的开始时间有两种方式：即时录音方式即可在按键后开始

录音，自检测方式是在按键后并不开始录音，而是在当有声音发出

时才开始录音。当键按下后，A/D进行高速采样，对采样值进行积

分并进新判断，积分能消除噪声干扰，高速采样保证了响应的及时

性。

5；系统开机自检及监控电路

系统开机自检包括了对RAM的数据校验。为了防止程序跑飞,

在此选用X25045作为看门狗电路，它具有低电源电压检测以

及直至Vcc=lV复位信号有效;复位时间可由软件设置等特点

测试结果分析

1、使用的仪器仪表

PC机HH1713双路直流稳压电源

ICE-51仿真器HP54645D示波器

20MHz双踪示波器WD-4微机稳压电源

HG1643功率函数信号发生器TD-9202数字万用表

秒表

2、误差分析

对于任何系统，误差的出现是不可避免的。要减小系统误差，

误差分析是必需的。下面就系统误差作如下分析：

(1)量化误差在进行语音信号采集存储时，由于是8位的

A/D转换，量化误差为上;

256

(2)失真度语音信号的回