1、湖北民族學院湖北民族學院數字化語音存儲與回放系統設計數字化語音存儲與回放系統設計一、題目一、題目數字化語音存儲與回放系統數字化語音存儲與回放系統二、任務二、任務設計并制作一個數字化語音存儲與回放系統，其示意圖如下：設計并制作一個數字化語音存儲與回放系統，其示意圖如下：拾音器拾音器話音放大器話音放大器帶通濾波器帶通濾波器ADC存儲器存儲器微處理器微處理器DAC揚聲器揚聲器功率放大器功率放大器帶通濾波器帶通濾波器圖圖1 數字化語音存儲與回放系統的組成框圖數字化語音存儲與回放系統的組成框圖湖北民族學院湖北民族學院三、要求三、要求1基本要求基本要求（1）放大器）放大器1的增益為的增益為46dB，放大器

2、，放大器2的增益為的增益為40dB，增益均可調；，增益均可調；（2）帶通濾波器：通帶為）帶通濾波器：通帶為300Hz3.4kHz ；（3）ADC：采樣頻率：采樣頻率f s8kHz，字長，字長8位；位；（4）語音存儲時間）語音存儲時間10秒；秒；（5）DAC：變換頻率：變換頻率f c8kHz，字長，字長8位；位；（6）回放語音質量良好。）回放語音質量良好。2發揮部分發揮部分在保證語音質量的前提下：在保證語音質量的前提下：（1）減少系統噪聲電平，增加自動音量控制功能；）減少系統噪聲電平，增加自動音量控制功能；（2）語音存儲時間增加至）語音存儲時間增加至20秒以上；秒以上；（3）提高存儲器的利用率（

3、在原有存儲容量不變的前提下，提高語音存儲時間）；）提高存儲器的利用率（在原有存儲容量不變的前提下，提高語音存儲時間）； （4）其它（例如：）其它（例如： 校正等）。校正等）。湖北民族學院湖北民族學院四、評分意見四、評分意見項目滿分基本要求設計與總結報告：方案設計與論證，理論分析與計算，電路圖，測試方法與數據，對測試結果的分析50實際制作完成情況50發揮部分完成第一項15完成第二項5完成第三項15完成第四項15五、說明五、說明不能使用單片語音專用芯片實現本系統。湖北民族學院湖北民族學院一、基本工作原理一、基本工作原理1. 基本組成原理基本組成原理 人耳所能聽到的聲音頻率范圍為人耳所能聽到的聲音頻

4、率范圍為20Hz20KHz,而一般語而一般語音頻率位于音頻率位于300Hz 3.4 KHz之間。語音的采集是指將語音聲之間。語音的采集是指將語音聲波信號經麥克風和音頻放大器轉換成由一定幅度的模擬量電波信號經麥克風和音頻放大器轉換成由一定幅度的模擬量電信號，任何再轉換成數字量的全過程。語音數字量可在單片信號，任何再轉換成數字量的全過程。語音數字量可在單片機控制下存入存儲器。機控制下存入存儲器。 單片機語音生成過程可以看成是語音采集過程的逆過程，單片機語音生成過程可以看成是語音采集過程的逆過程，但又不是原封不動地恢復原來的語音，而是對原來語音的可但又不是原封不動地恢復原來的語音，而是對原來語音的可

5、控制、可重組的實時恢復。在放音時，只要依原先的采樣值控制、可重組的實時恢復。在放音時，只要依原先的采樣值經經DAC接口處理，便可使原音重現。接口處理，便可使原音重現。 典型的數字語音存儲與回放系統的基本組成框圖典型的數字語音存儲與回放系統的基本組成框圖1如圖所如圖所示。它主要包括采集的前向通道和回放的后向通道兩大部分。示。它主要包括采集的前向通道和回放的后向通道兩大部分。帶一定存儲量的單片機小系統負責整個系統的控制及數據的帶一定存儲量的單片機小系統負責整個系統的控制及數據的存儲。存儲。湖北民族學院湖北民族學院2. 主要技術指標主要技術指標（1） 話音放大器增益話音放大器增益話音放大器的電壓放大

6、倍數。話音放大器的主要作用是完成拾話音放大器的電壓放大倍數。話音放大器的主要作用是完成拾音器輸出的毫伏級的話音電壓放大，以適應音器輸出的毫伏級的話音電壓放大，以適應AD轉換。轉換。（2）輸出功率）輸出功率輸出失真度小于某一數值時的功率放大器的最大功率。輸出失真度小于某一數值時的功率放大器的最大功率。（3）帶通濾波器通頻帶）帶通濾波器通頻帶通頻帶一般為通頻帶一般為300Hz 3.4 KHz，用于語音濾波，前置通道中，用于語音濾波，前置通道中的帶通濾波主要用于抗混疊，后置通道中的帶通濾波則主要的帶通濾波主要用于抗混疊，后置通道中的帶通濾波則主要期平滑作用。期平滑作用。（4）采樣頻率及精度）采樣頻率

7、及精度采樣頻率及精度分別指采樣頻率及精度分別指A/D轉換的速率和分辨率。轉換的速率和分辨率。（5）存儲時間）存儲時間存儲時間指存放語音的最長時間與系統的存儲容量、采樣頻率存儲時間指存放語音的最長時間與系統的存儲容量、采樣頻率及精度、存儲編碼格式等因素密切相關。及精度、存儲編碼格式等因素密切相關。湖北民族學院湖北民族學院二、主要功能指標分析及方案選擇二、主要功能指標分析及方案選擇湖北民族學院湖北民族學院三、電路設計三、電路設計1. 語音輸入及前置放大電路設計語音輸入及前置放大電路設計C110uFM IC1M IC2IC1NE5534R41KR31KR120KR220KR6100KR5100KRP

8、120KVCCVCC-VEE至濾波電路圖圖3 語音輸入及前置放大電路原理圖語音輸入及前置放大電路原理圖聲電轉換通過駐極體話筒實現，它具有靈敏度高、噪聲低、價格低廉等諸多優點。聲電轉換通過駐極體話筒實現，它具有靈敏度高、噪聲低、價格低廉等諸多優點。由于駐極體麥克風獲得的語音信號非常微弱，需要將語音信號進行放大，為了減少由于駐極體麥克風獲得的語音信號非常微弱，需要將語音信號進行放大，為了減少噪聲，這里采用低噪聲寬頻帶的音頻專用運放噪聲，這里采用低噪聲寬頻帶的音頻專用運放NE5534。采用共模信號抑制能力較。采用共模信號抑制能力較強的差分放大電路，采用兩只（配對）麥克風分別接入差分放大器的正負端，有

9、效強的差分放大電路，采用兩只（配對）麥克風分別接入差分放大器的正負端，有效地抑制了背景噪聲，差分比例放大器的電壓放大倍數為地抑制了背景噪聲，差分比例放大器的電壓放大倍數為R5/R3=100,其電路原理圖如其電路原理圖如圖圖3所示所示湖北民族學院湖北民族學院2. AGC電路設計電路設計放大后的信號進入放大后的信號進入AGC（自動增益控制）電路，如圖（自動增益控制）電路，如圖4所示。經過放大電路輸出的音所示。經過放大電路輸出的音頻交流電壓經二極管頻交流電壓經二極管D1和和RC電路構成的包絡檢波器檢波后，輸出一個隨音頻平均電電路構成的包絡檢波器檢波后，輸出一個隨音頻平均電壓變化而變化的電壓，用此電壓

10、控制工作于可變電阻區的場效應管的柵極，改變場壓變化而變化的電壓，用此電壓控制工作于可變電阻區的場效應管的柵極，改變場效應管的導通電阻，是放大倍數受音頻信號的控制。當音頻信號強時，自動減小放效應管的導通電阻，是放大倍數受音頻信號的控制。當音頻信號強時，自動減小放大倍數，信號弱時自動增大放大倍數，從而實現增益的自動調節大倍數，信號弱時自動增大放大倍數，從而實現增益的自動調節IC2ANE5532IC2BNE5532R210KR51KR1100KR4100KR3100KR6100R710KD1C110uFQ1ViVo圖圖4 AGC電路原理圖電路原理圖湖北民族學院湖北民族學院IC1IC2R110KR21

11、0KR35KR410KC16.62nFC23.31nFC375.03nFC475.03nFViVo3. 帶通濾波器電路設計帶通濾波器電路設計圖圖5 帶通濾波器計算機輔助設計電路原理帶通濾波器計算機輔助設計電路原理前向通道中的帶通濾波器用以消除混疊失真，所以稱為抗混疊濾波器；后向通前向通道中的帶通濾波器用以消除混疊失真，所以稱為抗混疊濾波器；后向通道中的濾波器用于濾出道中的濾波器用于濾出300Hz3.4kHz的語音信號，同時有效地抑制噪聲特別是的語音信號，同時有效地抑制噪聲特別是D/A轉換后的數字信號，所以稱為平滑濾波器。兩者均由兩階低通濾波器級聯兩轉換后的數字信號，所以稱為平滑濾波器。兩者均由

12、兩階低通濾波器級聯兩階高通濾波器構成。采用專用濾波器設計軟件階高通濾波器構成。采用專用濾波器設計軟件Filter Solution 8.1，選擇巴特沃，選擇巴特沃茲濾波器，頻帶設置為茲濾波器，頻帶設置為300Hz3.4kHz。得到的具體電路如圖所示。得到的具體電路如圖所示湖北民族學院湖北民族學院 帶通濾波器根據品質因數帶通濾波器根據品質因數Q的大小，分為窄帶帶通濾波器（的大小，分為窄帶帶通濾波器（Q10)和寬帶濾和寬帶濾波器（波器（Q10）兩種，本系統中的上限頻率）兩種，本系統中的上限頻率fH=3.4kHz,同頻帶中心頻率同頻帶中心頻率f0與品質因與品質因數數Q分別為分別為HzHzfffLH1

13、01030034000326. 03003400101000LHfffBWfQ顯然，顯然，Q10，故該帶通濾波器為寬帶帶通濾波器，實驗結果表明，該濾波器能，故該帶通濾波器為寬帶帶通濾波器，實驗結果表明，該濾波器能有效濾除低頻分量和高頻分量，大大減少了噪聲干擾，同時也濾除了多余的高有效濾除低頻分量和高頻分量，大大減少了噪聲干擾，同時也濾除了多余的高頻分量，消除了混疊失真，性能足以滿足要求。頻分量，消除了混疊失真，性能足以滿足要求。湖北民族學院湖北民族學院4. 單片機系統及存儲器電路設計單片機系統及存儲器電路設計 本系統的單片機采用本系統的單片機采用SST公司的公司的SST89E554RC芯片，可

14、直接與芯片，可直接與Keil軟件通信，軟件通信，能使用能使用Keil軟件提供的單步、過程單步、設置斷點等調試手段調試程序。該芯片具軟件提供的單步、過程單步、設置斷點等調試手段調試程序。該芯片具有片內有片內32K+8KFlashROM,1KBRAM,4級級8個中斷源，雙個中斷源，雙DPTR,內置內置PCA、WDT（看門狗）等功能。（看門狗）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湖北民族學院湖北民族學院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圖圖7 ADC0809語音采樣電路原理圖語音采樣電路原理圖由由LF398構成的采樣構成的采樣保持電路保持電路ADC0809構成的構成的A/D轉換電路轉換電路由由74ALS74構成的時鐘二分構成的時鐘二分頻電路，產生頻電路，產生1MHz時鐘時鐘湖北民族學院湖北民族學院U2OP07Vcc20Iout111lsbDI07Iout212DI16DI25Rfb9DI34DI416Vref8DI515DI614msbDI713ILE19WR218CS1WR12Xfer17