数字化语音存储与回放系统本科

摘要
传统的磁带语音录放系统因其体积大、使用不便,在电子与信息处理的使用中受到许多限制。

本文提出的体积小巧，功耗低的数字化语音存储与回放系统将完全可以替代它。

数字化语音存储与回放系统的基本原理是对语音的录音与放音的数字化控制。

其中，关键技术在于，为了增加语音存储时间，提高存储器的利用率，采用了非失真压缩算法对语音信号进行压缩后再存储，而在回放时再进行解压缩，同时,对输入语音信号进行数字滤波以抑制杂音和干扰,从而确保了语音回放的可靠质量。

该系统对语音信号分别采用了数据采集直寸直取,欠抽样采样和自相似增量调制等三种方法,完成了对语音信号32.7s 、65.5s 、147.4s 的存储与回放。

前直AGC 将语音信号控制在A/D 转换器可控制的范围之内以保证话音信号采样不失真。

带通滤波器合理的通带范围有效的滤除了带外噪声，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()()s f f f f /sin //ππ的校正，回放语音清晰。

系统具有自动录音、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。

关键词：数字化存储，回放，数字滤波，采样，模/数转换，校正
Abstract
Traditional tape record system because of heavy using inconvenient volume their, receive a lot of restrictions in the use of the electron and information processing. The volume that this text puts forward is small and exquisite，the digitized pronunciation of the low power dissipation can substitute it with the playback system to store. Digitized pronunciation store systematic basic principle recording and to put sound in pronunciation digital control with playback. Among them, key technology lies in : For increase pronunciation store time , raise utilization ratio of memory , adopt non- distorted to compress algorithm go on after compressing storing to pronunciation signal, decompress in the playback ; Meanwhile, to input pronunciation signal carry on figure strain wave by suppressing noising and interfering, thus guaranteed the reliable quality of the playback of the pronunciation.
Introducing the direct store & access of data collection， and AGC on acoustic signal respectively ，this system implements the storage an playback of acoustic signal which lasts for 32.7 seconds ,65.5sends or 147.4 seconds ; To insure the undistorted sampling of speech signal, the pre-AGC limits the speech signal within the range that can be processed by A/D converter; the reasonable handwidth of hang-pass filter removes the out-hand noise efficiently and decrease the overlap distortion; With
the ()()
s
s
f
f
f
f/
sin
/
/π
π emendation by latter compensable circuit ， the
playback voice is very clear; Beside all above ， this system also realize the following funcitions: automatic recording manually recording manually recording ,record , record/play time display and the saving of speech signal when power-off .
Keywords: Digital store，Playback Digital Filter，Sample， A/D Convert，Correct
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教研室（或答辩小组）及教学系意见
目录
摘要 (1)
Abstract (2)
1 绪言............................................................. ２
1.1课题背景................................................... ３
1.2课题研究的目的和意义....................................... ３
1.3国内外概况................................................. ３2方案比较与论证................................................... ３
2.1方案一..................................................... ３
2.1.1语音编码方案：........................................ ３
2.1.2 A/D、D/A及存储芯片的选择............................. ４
2.2方案二..................................................... ５
2.2.1控制方式.............................................. ５
2.2.2放大器及A/D、D/A芯片的选择........................... ５
2.3方案三..................................................... ５3系统总体结构..................................................... ６4 电路设计......................................................... ７
4.1拾音器..................................................... ７
4.2放大器的设计............................................... ７
4.3有源带通滤波器设计......................................... ９
4.4可调稳压电源的设计....................................... １０
4.5 MCS—51系列单片机....................................... １１
4.6 D/A、A/D转换器.......................................... ２１
4.6.1 D/A转换器DAC0832的介绍............................ ２１
4.6.2 A/D转换器AD574介绍................................ ２２
4.6.3 单片机AT89C51和AD574 的接口原理................... ２３
4.6.4 存储器的选取........................................ ２４
5 软件设计....................................................... ２６
6 总结与展望..................................................... ２８
7 致谢.......................................................... ２９
8 参考文献....................................................... ３０附录............................................................. ３２
绪言
本文阐述了数字化语音存储与回放系统的研究背景、现状及发展方向，明确指出了传统的语音存储与回放系统的缺陷和面临的问题，以及数字化语音存储与回放系统的优点和发展前景。

1.1课题背景
数字化语音存储与回放系统，以微处理芯片为核心，具有语音可控、回
放灵活、无磨损、可靠简单等特点。

因而在各类公共设施、智能仪表、家用电子产品等领域有着广泛的应用[1]。

该系统目前有多种方案可以实现，其中采集成语音芯片是一种较简单通用的方案，但该方案智能性较差，如音量不能放大、录音时间固定等。

本系统采用另外一种方案，以AT89C51单片机为核心，设计了一套可灵活实现录、放音，音量自动控制的新的语音存储与回放系统。

1.2课题研究的目的和意义
目前，广为流传的语音存储手段为磁带记录，其体积大、使用不便,在电子与信息处理的使用中受到许多限制。

所以数字化存储方式是未来发展的趋势。

我们在这里将语音信号的存储建立在数字化的基础上，同时为了降低噪声提高语音质量和音量的稳定性采用了带通滤波器和自动增益控制电路[2]。

1.3国内外概况
自从爱迪生1877年发明留声机以来，音响技术已有百余年的发展历史，这期间，记录存储各种声音的载体，传输与播放语音技术的发展可谓日新月异。

该系统采用单片机对录音、放音、快进、暂停等功能实现控制，用DSP技术对语音信息进行处理，用Flash ROM 技术进行存储，提高了语音的回放质量和延长了存储时间，与盒式磁带录音机相比避免了机械传动噪音，音质好，功耗低，具有时钟功能，而且人机界面友好，又用中断方式控制录音、放音的过程，实现了语音存储与回放的数字化[3]。

2方案比较与论证
2.1方案一
2.1.1语音编码方案：
人耳能听到的声音是一种频率范围为20 Hz～20000 Hz ,而一般语音频率最高为3400 Hz。

语音的采集是指语音声波信号经麦克风和高频放大器转换成有一定幅度的模拟量电信号,然后再转换成数字量的全过程。

根据“奈奎斯特采样定理”, 采样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍，由于语音信号频率为300～
3 400 Hz ,所以把语音采集的采样频率定为8 kHz。

从语音的存储与压缩率来考虑，模型参数表示法明显优于信号波形表示法[4]。

但要将之运用于单片机，显然信号波形表示法相对简单易实现。

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，目前的单片机速度底，难以实现。

结合实际情况，提出以下几种可实现的方案。

（1）短时平均跨零记数法该方案通过确定信号跨零数，将语音信号编码为数字信号，常用于语音识别中。

但对于单片机，由于处理数据能力底，该方法不易实现。

（2）实时副值采样法采样过程如图2.1所示。

图2.1 采样过程
具体实现包括直存取法、欠抽样采样法、自相似增量调制法等三种基本方法。

其中第三种实现方法最具特色，该方法可使数据压1：4.5，既有M
∆调制的优点，又同时兼有PCM编码误差较小的优点，编码误差不向后扩散。

2.1.2 A/D、D/A及存储芯片的选择
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控制、可重组的实时恢复。

在放音时,只要依原先的采样直经D/ A 接口处理,便可使原音重现。

（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125µs的八位A/D转换芯片。

目前常用的A/D转换实现的方法有多种，鉴于转换速度的要求，我们采用A/D转换芯片AD574。

该芯片是高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换[5]。

（2）D/A转换芯片的选择 D/A转换芯片的作用是将存储的数字语音信号转换为模拟语音信号，由于一般的模拟转换器都能达到1μs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。

（3）数据存储器的选择当采样频率ƒs=8KHZ，字长为8位时，一秒钟的语音需要8K字节的存储空间，则存储器至少需要有80k8
⨯容量。

在这里我们
选用闪速存储器AT29C040作为存储器，一片该芯片可存储60秒钟的语言。

2.2方案二
系统采用MCS-51系列单片机，扩展256kB 的外部RAM 数据存储区（采用分页存储技术），采用DPCM 方式压缩数据，另外采用了两只立体声话筒作输入，经差分放大，用性能良好的五阶契比雪夫带通滤波器，及()()s s f f f f /sin //ππ校正电路的使用[6]。

2.2.1控制方式
控制器采用单片机实现，单片机人机界面好，并且具有一定的可编程能力 对于语音信号（最高频率约为3.4kHz ，8kHz 采样频率），6MHz 晶振频率的8031以足以胜任（每个采样周期125s μ，相当于125/2=62个机器周期，平均执行31条指令）。

2.2.2放大器及A/D 、D/A 芯片的选择
为减少系统噪音电平，增加系统动态范围，防止阻塞失真等，本放大器中设置自动增益控制电路。

其有模拟和数字两种实现方式。

数字式精度高，控制范围大但比模拟试复杂，因此本方案采用传统的模拟试AGC 来实现。

采用TDA2030A 作为功率放大可驱动喇叭发声，并具有一定的功率余量[7]。

A/D,D/A 及存储芯片的选择：由于题目要求语音信号的最高频率为4kHz ，根据Nyquist 定理，采样频率取s f =8kHz （周期S T =125s μ）,即可无失真的恢复原语音。

在无特殊要求下，字长选取八位即可，但考虑到系统的可扩展性所以采用了转换时间为此35s μ的AD574。

根据同样的分析，变换频率选取8kHz ，采用DAC0832。

存储器采用256Kb RAM 可用628256实现。

2.3方案三
该方案以单片机8031为核心器件，以128kBRAM 阵列为数据存储器。

8031的典型时钟为6MHz 指令周期为8~2s μ可以在要求的125s μ采样间隔执行系统工作还可同时对A/D 转换器输出的数字语音信号进行增量调制()M ∆或差分脉码调制()DPCM [8]。

M ∆和DPCM 是两种语音压缩编码技术，可分别将语音速率由
64kb/s压缩到8kb/s和32kb/s。

另外，为加长录音与回放时间，我们利用四片622526组成RAM阵列，借助8031的P1口参与地址选择，采用分页存储模式，可将系统的数据存储空间扩展至128kB，以128kB空间存储PCM码、M
和DPCM 码，语音回放时间可达16s、32s和128s，达到题目要求。

以上三种方案均有其可取和不足之处，考虑到其易行性、简便性等多种因素决定采取第一种方案。

3系统总体结构
数字化语音存储与回放系统的基本思想是通过拾音器将声音信号转化成电信号，再经过放大器放大，然后通过带通滤波器滤波，模拟语音信号通过模数转换（A/D）转换成数字信号，再通过单片机控制将数据从存储器中读出，然后通过数模转换（D/A）转换成模拟信号，经放大再扬声器或耳机上输出。

整个系统框架图如图3.1所示：
图3.1 整体框图
系统组成如图所示,由输入通道、AT89C51单片机和输出通道三部分组成。

输入通道部分由拾音器、前置放大电路和带通滤波器组成；输出通道由带通滤波器、后级放大电路组成[9]。

拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为20~25mV，此电信号太小不能够进行采样，后级A/D转换输入信号的动态范围为0~5V，语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右，此处将信号通过一增益为46dB的放大器，将其放大到伏特量级，输出级放大电路亦采用这种电路，两级放大电路都采用增益可调的典型电路。

考虑到语音信号的固有特点，将低于300Hz和高于3.4kHz的分量滤掉后语音质量仍然良好。

此处将其通过一增益为46dB的放大器，因此，将带通滤波器设计为典型的300Hz~3.4kHz,输出
级带通滤波器亦为300Hz~3.4kHz,这样既可滤掉低频分量又可滤掉D/A转换带来
的高频分量，很好的滤除掉噪声。

根据奈奎斯特抽样定理知欲使采样信号无失真，抽样频率最低为 6.8kHZ ，考虑到留有一定的余地，这样就足够保证语音质量。

经量化后，微处理器将数据存到处理器，需要时再将其回放，存入与放出由开关通过微处理器来控制实现。

存储器的容量选择视所存语音信号的时间长短而定。

为了使A/D 的输入信号稳定在其动态范围内，在输入级加上了自动增益控制电路，同时也使音量稳定。

4 电路设计
4.1拾音器
拾音器是一种声传感器，声传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。

它在通讯、噪声控制、环境检测、音质评价、文化娱乐、超声检测、水下探测和生物医学工程及医学方面有广泛的应用[10]。

它的种类很多，按其特点和频率等，将它划分为超声传感器、声压传感器和声表面波传感器等。

单纯的磁性拾音器工作的电学原理为当声音在铜丝绕制的线圈内震动切割被该线圈所缠绕的磁芯产生的磁感线时，线圈内感应出电信号并流出。

感应电流的强弱取决于切割磁感线的多寡（振幅）、切割频率（震动频率）和磁感线自身的强弱。

拾音器包括拾音头（换能装置、唱针）和音臂等附件。

其换能装置主要有压电式、电磁式、电容式以及半导体等[11]。

电磁式拾音头，用电磁感应原理，将机械振动变换成电信号的幅度响应拾音头。

主要由线圈和磁钢等组成。

唱针耦合在线圈上的称动圈式，耦合在磁钢上的称动磁式。

此外，也有将唱针耦合在衔铁上的称为动铁式，也称可变磁阻式。

在本设计中决定采用动圈式拾音器
4.2放大器的设计
（１）增益放大器 拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为20~25Mv
此电信号太小不能够进行采样，后级A/D 转换输入信号的动态范围为0~5V ，语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右，此处将信号通过一增益为46dB 的放大器，将其放大到伏特量级，输出级放大电路亦采用这种电路，两级放大电路都采用增益可调的典型电路[12]。

为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大,采用两极高输入阻抗的同向放大器,电路图如图所示,每级放大器的放大倍数按下式计算:
311/1R R A P V +=
522/1R R A P V +=
3
26
18
5
74NE5534
3261
8574
NE5534POT1
POT2
R2
R1
R3R4
R5C?
1.0uF E1
C1C2E 2.2uF
M +15
+15
-15-15
OUT
图4.1 增益放大器（２）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 ，足以用耳机来接收听，可不接任何放大器。

但考虑到实际中经常回用到喇叭外放，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[13]。

电路如图4.1。

该电路增益为50～200，连续可调，最大不失真功率为325mW 。

输出端接C4、R9串联电路，以校正喇叭的频率特性，防止高频自激．脚7接220uF 去偶电容，以消除低频自激．为便于该功放在高增益情况下工作，这里将不使用输入端脚2对地短路．
图4.2 输出放大器
4.3有源带通滤波器设计
滤波器是一种能使有用频率信号通过同时抑制(或大为衰减)无用频率信号的电子装置。

工程上常用它来作信号处理、数据传输和抑制干扰等。

这里主要讨论模拟滤波器。

以往这种滤波电路主要采用无源元件R 、L 和C 组成，60年代以来，集成运放获得了迅速发展，由它和R 、C 组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点[14]。

此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗又底，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。

但是，集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波电路的工作频率难以作的很高，这是它的不足之处。

对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻和衰减的信号频率范围定义为阻带，理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线形的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减（()0=ωj A ）。

按照通带和阻带的相互位置不同，滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。

通常用幅频响应来表征一个滤波器的特征，欲使信号通过滤波器的失真很小，则相位和延时响应亦须考虑。

当相位响应()ωϕ作线性变化，即时延响应()ωτ为常数时，输出信号才可能避免失真。

()()()s V s V s A 10=，()()e j A j A ωω=()ωϕj (s=ωj )
这里()ωj A 为传递函数的模，()ωϕ为其相位角。

延时向量()ωτ： ()()()s d d ω
ωϕωτ-= 声音信号经动圈拾音器转有源滤波器换成电压信号，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除带外杂波，选定该滤波器的通带范围为300Hz~3.4KHz.其作用是：
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，以减少带外功频等分量的干扰，大大减少噪声影
响，该下限频率可下延到270Hz 左右；
３．便于滤除带外的高次谐波，以减少因8kHz 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 的大小为窄带滤波器（Ｑ＞10）和带通滤波器（Ｑ＜10两种，本题中，上限频率fh=3400Hz,通带滤波器中心频率f0与品质因数Ｑ分别为 f0=1FhF =3003400⨯=1010Hz Q=326.01
00=-=f Fh F BW F 显然，Q ＜10，故该带通滤波器为宽带带通滤波器．带宽带通滤波器由高通和低通滤波器级联构成，鉴于Butterworth 滤波器带内平坦的响应特性，我们选用二阶Butterworth 带通滤波器，电路如图4.3所示．实验证明，该滤波器能有效的滤除低频分量，大大减少噪声干扰，与之同时也绿除了多余的高频分量，消除了高频失真，性能足以满足要求[15]。

图4.4 带通滤波器
4.4可调稳压电源的设计
这里介绍的稳压电源，采用三端可调稳压集成电路LM317，外围电路十简单，便于制作。

该稳压电源，电压可调范围1.5~25V,最大负载电流1.5A [16]。

电路如图4.4所示：220V 交流电经变压器T 降压,得到24V 交流电,再经VD1~VD4组成的全桥整流,由C1滤波后得到33V 左右的直流电压[17]。

该电压经集成电路LM317后得稳压输出,调节电位器RP,即可连续调节输出电压。

图中C2用以消除寄生振荡,C3的作用是抑制纹波,C4是用以改善稳压电源的的暂态响应,VD6、VD7在输出端电容漏电或调整端短路时起保护作用。

VD5为本电源的工作指示灯，电阻R1是限流电阻。

输出端接微型电压表PV ，可以直观的指示输出电压值。

各元件具体参数如图所标。

图4.5 可调直流稳压电源
4.5 MCS—51系列单片机
单片微型计算机（Sing-Chip Microcomputer）简称单片机。

它是在一块芯片上集成中央微处理器（Central Processing Unit, CPU）、随机存取存储器（Random Access Memory, RAM）、只读存储器（Read Only Memory, ROM）、定时/计数器及I/O（Input/Output）接口电路等部件，构成一个完整的微型计算机。

它的特点是：高性能，高速度，体积小，价格低廉，稳定可靠，应用广泛[18]。

正是由于单片机具有上述显著的特点，使单片机的应用范围日益扩大。

单片机的应用打破了人们传统设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路和逻辑部件来实现的功能，现在均可以使用单片机，使用软件来实现。

使用单片机具有体积小、可靠性高、性能价格比高和容易产品化的优点。

4.5.189C51简介
89C51是一种带4K字节片内程序存储器，且是高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机[19]。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图4.6 89C51引脚图
89C51有40个引脚，4个8位并行输入/输出（I/O）端口：P0、P1、P2、P3，其中，P1是完整的8位准双向I/O口，两个外中断，2个16位可编程定时/计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。

此外，89C51的时钟频率可为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入工作状态，省电模式中，片内RAM 将被冻结，时钟停止震荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件系统复位方可继续工作
2. 引脚介绍
Vcc：接+5V电源正端
GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作
为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为89C51的一些特殊功能口，如下表4.1所示：
表4.1 P3口管脚的特殊功能
RST：复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。