课件-数字化语音存储与回放系统实验报告
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数字化语音存储与回放系统
摘要:本系统基于语音信号的数字化存储与恢复原理,采用A/D、D/A转换技术与语音信号的插值压缩算法实现该原理,完成了对语音信号的数字化存储与回放功能。整个系统由前级信号处理、信号压缩及后级语音回放三部分组成,单片机及FPGA完成信号的压缩算法,模拟电路完成前级信号处理和后级语音回放。语音存储时间可以达到8秒,系统噪声电平较低,语音回放效果良好。
关键词:插值算法;FPGA;A/D;D/A
目录
一、方案论证与选择............................. 错误!未定义书签。
1.题目任务要求及相关指标的分析 (2)
2.方案的比较与选择 (2)
二、系统总体设计方案及实现方框图; (5)
三、理论分析与计算 (5)
四、主要功能电路的设计 (6)
五、系统软件的设计 (8)
1.基本内容................................. 错误!未定义书签。
2.流程图注意要点 (8)
六、测试数据与分析 (10)
1.测试原理与方法 (10)
2.使用仪器及型号 (10)
3.测试数据结果 (10)
4.数据分析 (11)
七、总结分析与结论。 (11)
八、参考文献 (11)
一、方案论证与比较
1.题目任务要求及相关指标的分析
(1)基本要求
①放大器1的增益为46dB,放大器2的增益为40dB,增益均可调。
②带通滤波器:通带为300Hz~3.4kHz 。
③ADC:采样频率f s=8kHz,字长=8。
④语音存储时间≥10秒。
⑤DAC:变换频率f c=8kHz,字长=8位。
⑥回放语音质量良好。
(2)发挥部分
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。
②语音存储时间增加至20秒以上。
③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
的存储时间)。
④其它(例如:校正等)。
2.方案的比较与选择
(1)前置放大电路的方案比较与选择:
方案①:差分放大电路。差分放大电路的具体实现有两种方法。
a.由三片运放构成差分放大电路。
图一:传统的差分放大电路图
b.由仪表放大器AD620构成差分放大电路。AD620是在原有的
传统三片运放的基础上改进而来的,其内部结构相当于差分放大器,
如下图:
图二:AD620内部结构
比较两种实现方法,法二中元件参数的一致性较强,电路实现较为简
单,且噪声、带宽、增益等特性均优于法一中的电路。
方案②:多级放大电路。一般由两级放大构成,第一级放大倍数较
后一级放大倍数较大。
比较以上两种方案,方案①可以大幅度的减小背景噪声电平,且
AD620的增益范围可以满足题目要求,而方案②会引入较大噪声,
故本系统采用方案①。
(2)带通滤波器的方案比较与选择:
题目中规定的上下截止频率之比为3400/300=11.2,可见需要设计一个宽带滤波器,显然无法采用一般的带通滤波器的设计方法来实现,
只能采用高通滤波器级联低通滤波器的方法来实现,实现方案有以下
两种:
方案①:采用专用滤波器芯片实现。如采用MAXIM公司生产的
MAX274,可通过该芯片的专用设计软件对带通滤波器的各项参数值
进行设定,得到在一定程度上满足要求的实现方案。
方案②:采用分立器件实现。具体又可以分为无源滤波器和有源滤波
器,由于无源滤波器对电容、电阻的参数要求较高,不易实现,故一
般不采用该方法。
有源滤波器采用集成运放与阻容元件构成,具有体积小、工作频率范
围宽、可对信号进行放大等优点,且输入阻抗高,输出阻抗低,便于
级联。其缺点是可能引起输出失调。
两个方案各有优点,实际测试时,发现专用滤波芯片的实际幅频特
性与软件中仿真的结果有较大差距,不能满足题目要求。且方案②的缺
点与本系统关系不大,故最终采用方案②。
(3)语音压缩算法的方案比较与选择:
语音压缩算法可大致分为有损压缩与无损压缩。由于无损压缩的压缩
效率较低,且要获得较好的实时性,算法较为复杂。故本系统只考虑有损压缩。
方案①:采用PCM 编码(脉冲编码调制)。其原理由抽样、量化和编
码三个步骤组成,具体实现是将信号通过A/D 转换为线性编码,直接
存入RAM ,然后通过D/A 转换将音频信号回放出来。该方法原理简
单,易于实现,且音质效果较好,几乎不存在失真,缺点是存储器利
用率低。
方案②:采用DPCM 编码(差值脉冲编码调制)。该方法通过对抽样
信号和预测信号的差值进行编码,可以压缩数码率,提高存储空间利
用率。其数学表达式如下:
8 (()(1)8) ()()(1) (-8()(1)7)
7 (()(1)7)S n A n e n S n A n S n A n S n A n ---<-⎧⎪=--<--≤⎨⎪-->⎩
其中,()S n 表示当前采样值,()A n 表示增量的累加值,(1)
A n -作为预测值,()e n 表示()A n 与(1)A n -的差分值,以四位存入RAM 。
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,再从BUFFER 中读出高4位或低4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)。
DPCM 系统是一个负反馈系统,采用这种结构可以避免量化误差
的积累。但由于它用一个地址存放两个采样差值,即每个差值只能占
用4位,除掉一位标志位,有效部分只有3位。所以,当差值超过7
时,就当7处理,因而引入的量化噪声较大。且算法相对复杂,对器
件要求也相对较高。
方案③:采用插值压缩算法。考虑到大多数人发声频率普遍在2KHz
左右,可以相应的降低采样频率以提高存储时间,将原来8KHz 的采
样率下降到4KHz 。为了能较好的还原原来的语音,解码时要进行插
值,可以采用线性内插或抛物线拟合内插。由于是半采样,插入的虚
拟值不可能完全与原始的真实值相等,所以输出的语音信号会有一定
的失真。