1、 JI A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 毕 业 设 计 数字化语音存贮与回放集成系统设计 Design of Digit-Voice storage and Playback System 学院名称： 专业班级： 学生学号： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2016 年 6 月 摘要 江苏大学电气信息工程学院本科毕业设计 I 数字化语音存贮与回放集成系统设计 摘要： 本次课题 设计了比起传统的磁带语音录放系统更优化的数字化语音存贮与回放系统，此系统更加的方便实用。其基本原理即是实现对语音信号的录制与回放的数字化控制，从而摆脱了传统方式的一系列制约
2、。在此设计中 想要增加 存储器的利用率以及 增进语音信号的存储时间，系统采取了非失真压缩算法 来达到 语音信号 的 压缩 以及 实现语音的存储 的功能 ，而在信号的回放的时候再对此信号解压缩，从而实现了话音信号的录放功能。而且为了提高语音信号的录制与回放质量，在设计中加入了数字滤波电路来抑制杂音和干扰。本课题主要是基于单片机 AT89C51 完成设计，利用外接扩展为 32KB 的 RAM62256 存储芯片来满足对语音信号数据进行存储所必要的存储空间。在针对语音信号的存储，本文采 用了 AD574 来 实现对模拟信号的数字化处理，而在对信号回放时则采用 DAC0832 对数字语音信号进行数 模
3、转换以还原声音信号。而在语音编码部分采取了 自适应差分编码（ ADPCM）方式，此方式能 在一定压缩比下提高放音时间以及质量。 AGC 单元能够使放大器的增益随着信号的强弱而自动进行调整，从而使得输出相对稳定。另外，完美的带通滤波器设计能够有效的滤除了带外噪声，从而避免了一些不必要的混叠失真，而且，为了使信号能够完美输出，还要通过后级补偿电路对输出的语音信号采取了( / ) / s in ( / )ssf f f f校正。完成后的语音存储与回放系统具有录放方式灵活便利、磨损度微小、可靠性强等 优 点。 关键词 ： 数字化存储 ，录放，数字滤波，单片机，模 /数转换，校正 Abstract 江苏
4、大学电气信息工程学院本科毕业设计 II Design of Digit-Voice storage and Playback System Abstract: In this paper, the design of the digital voice storage and playback system can completely replace the traditional tape voice recording system,this system is more convenient and practical.Its basic principle is to control
5、 the recording and playback of the voice signal, and get rid of the traditional way of a series of constraints.In this design in order to improve memory utilization rate and increase the storage time of speech signal, the system uses the lossless compression algorithm to compress the speech signal t
6、o realize the storage, and the playback signal then decompress, so as to achieve the function of speech signal storage and playback.And in order to improve the quality of the recording and playback of the voice signal, the digital filter circuit is added to the design to suppress the noise and inter
7、ference.This system is mainly based on the MCU AT89C51 to complete the design,and the system uses external extension 32KB 62256 memory chip to meet the needs of the voice signal data storage space.The voice storage part uses AD574 chip to realize the digital processing of analog signal, and the digi
8、tal voice signal is converted to the voice signal by using ADC0832 in order to restore the sound signal.The encoding part adopts adaptive differential encoding (ADPCM), in a certain compression ratio to improve playback time and quality.AGC unit can make the gain of the amplifier with the signal str
9、ength and automatic adjustment, make the output is relatively stable.The band pass filter is effective to filter out the band noise and reduce the aliasing distortion. The output speech signal is corrected by the back stage compensation circuit. The voice storage and playback system of the final des
10、ign has the characteristics of convenient recording, flexible playback, no wear, strong reliability and so on. Keywords: Digital store, Playback, Digitalfilter, Singlechip, A/D Convert, Correct ing 目录 江苏大学电气信息工程学院本科毕业设计 IV 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1.本课题研究的目的与意义 . 1 1.1.1 研究目的 . 1 1.1.2 研究意义 . 1 1.2.语音 存储的发
11、展 . 1 1.3 课题研究背景 . 1 1.4 国内外语音研究现状 . 2 1.5 设计的要求及指标 . 2 1.6 系统论证方案 . 3 1.6.1 语音编码方案 . 3 1.6.2 A/D、 D/A 及存储芯片的选择 . 3 1.7 论文研究内容 . 4 第 2 章 语音信号与编码 . 5 2.1 语音信号 . 5 2.2 语音编码 . 5 2.2.1 抽样 . 5 2.2.2 量化 . 6 2.2.3 编码 . 7 2.3 编码方式选择 . 7 第 3 章 系统硬件设计 . 9 3.1 硬件系统框架概述 . 9 3.2 拾音器 . 10 3.3 放大器的设计 . 10 3.3.1 增益
12、放大器 . 10 3.3.2 输出放大器 . 11 3.4 滤波器的设计 . 12 3.5 AT89C51 单片机简介 . 15 3.5.1 单片机具体引脚介绍 . 15 3.5.2 单片机主要性能指标 . 17 3.5.3 时钟电路 . 17 3.6 A/D、 D/A 转换器 . 17 3.6.1 AD 转换器 . 18 3.6.2 DA 转换器 . 19 3.7 存储器的选择 . 20 3.8 键盘电路 . 20 第 4 章 各模块接口原理 . 22 4.1 AT89C51 与 AD574 的接口原理 . 22 目录 江苏大学电气信息工程学院本科毕业设计 V 4.2 DAC0832 与单片
13、机的接口原理 . 23 4.3 存储芯片与单片机的接口原理 . 24 4.4 系统接口总图 . 24 第 5 章 软件设计 . 26 5.1 编程软件 Keil uVision4 . 26 5.2 绘制电路软件 Proteus . 26 5.3 软件程序设计 . 26 5.3.1 程序流程图 . 26 5.3.2 子程序设计 . 27 第 6 章 系统误差分析与结论 . 30 6.1 误差分析 . 30 6.2 结论 . 30 总结 . 31 致谢 . 32 参考文献 . 33 数字化语音存贮与回放集成系统设计 江苏大学电气信息工程学院本科毕业设计 1 第 1 章 绪论 1.1.本课题研究的目
14、的 与 意义 1.1.1 研究目的 数字化语音系统是现在使用率较高的语音系统，对于此系统的设计与研究，能够 培养学生的理论和动手实践能力。该设计包含语音采集电路，放大滤波电路，单片机外围接口电路，数模、模数转换电路等，当然除了硬件设计，还应用到了软件设计部分，从而也会用到一些相关处理程序， C 语言的相关应用等，这样我们就可以重新温习那些重要的相关知识。 1.1.2 研究意义 由于 经济实力的不断发展，人 民 生活与消费水平 同样 在不 停 地提高，对听觉要求越来越高了。为了满足人们的物质文化需求，提供便利的语音录放功能，数字化语音存储与回放系统的发展不容忽视。 由于 传统的磁带语音录放系统
15、有许多缺点， 其体积大、用起来不方便 ,已经不能 满足人们的需求，所以体积较小 ,功耗较低的数字化语音存储与回放系统 一定会 逐渐取代传统的语音系统。 1.2.语音存储的发展 对于语音的存储与回放一直以来都是人们一直研究的内容，而且也在不断的发展和进步中。自从 1877 年爱迪生发明留声机以来，语音技术的发展已经有一百多年的历史了，之后语音技术不断的发展和革新中。从留声机到唱片到磁带到 CD， VCD，再到现在的 MP3播放器及其他高级播放设备，期间一直不断探索创新。语音技术也渐渐的从传统磁带语音录放发展到如今的数字化语音录制与回放系统。 1.3 课题研究背景 随 着物质发展及消费水平是不断提
16、高，现在的人已经离不开音乐，并且对听觉的要求也越来越高，语音信号作为最常用的信息载体之一 ,它的处理与存储 ,也变得越来越重要。随着科技水平的不断发展，如今的语音系统可以说是有了重大的飞跃，由之前的体积较大的留声机、复读机，逐步发展到了音质较好、体积小巧、容量较大的音乐播放器 MP3、 MP4数字化语音存贮与回放集成系统设计 江苏大学电气信息工程学院本科毕业设计 2 等，再有就是如今的手机，可以说语音技术如今已经相当成熟了。并且 传统的磁带语音录放系统因为其体积较大、使用起来不方便，而且录音的效果不理想，容易消磁失真，而数字化语音录放系统以其体积小，使用便利，携带 方便，存储速度快，检索方便等
17、优点，将会逐渐成为主流语音录放系统，并且会应用到许多的领域和场合。所以，数字化语音存储与回放系统是当前的主要研究趋势。 人们生活水平的不断提高，就要求语音录放系统的不断发展升级，而且在生活中方方面面都应用到语音录制回放系统，例如，录音笔，音乐播放器等。而且，数字化语音录放系统的发展也对生活的需求提供便利。比如，生活中各个行业的智能语音系统，像银行的语音播报系统，移动联通电信行业的智能语音客服系统，以及轨道交通智能语音通报系统以及一些景点博物馆等的智能语音解说系统等等的一些应用。这 些方面应用了数字化语音录放系统就 能够节约许多 的人力物力资源，为各个行业提供了便利。 1.4 国内外语音研究现状
18、 自从 1877 年爱迪生发明留声机以来，语音技术的发展已经有一百多年的历史了，从80 年代以来，日本，美国等国家就对数字化语音信号进行了相关的研究，并且也逐渐开发出一系列的数字化语音集成芯片，并不断研发出新型产品。在我们的日常生活中，数字化语音存储与回放技术得到了广泛的应用，例如公交车报站器，采访笔，音乐播放器，手机等，为我们的生活提供了便利。 最近几年来基于单片机式的语音集成电路发展 十分迅速， ISD 公司也推出了语音容量越来越大的芯片。之前，西南交通大学曾应用 ISD4004 语音芯片设计了定时自动录音播放系统，实现了最长可达一个多小时的节目录放功能。随着单片机芯片技术的不断发展，使得
19、数字化语音信号集成电路也不断地发展与技术革新，这就表示我们可以将很多复杂的电路集成到小型的单片式芯片上，使得大规模语音系统小型化得以实现。目前，较长时间的语音电路设计是一个未能解决的难题，如景区，展览馆的自动语音讲解、广告播放、列车指挥、 119 电话录音系统、会议录音系统等。 1.5 设计的要求及指标 1 放大 器 1 的增益是 46dB，放大器 2 的增益是 40dB，增益都是可以调节的； 2 带通滤波器：通带频率为 300Hz-3.4kHz； 3 ADC：采样频率 fs=8kHz，字长 8位 ; 数字化语音存贮与回放集成系统设计 江苏大学电气信息工程学院本科毕业设计 3 4 语音存储时间
20、 10 s; 5 DAC：变换频率 fc=8kHz，字长 8位 ; 6 回放语音质量良好。 1.6 系统论证方案 1.6.1 语音编码方案 一般来说，人耳能听到的声音频率范围基本上为 20Hz 20kHz ，而且 语音信号的频率最高可以达到 3400Hz。语音编码首先要经过语音采集的过程， 然而 语音信号的采集指的是语音声波信号经过麦 克风以及高频放大器的收录进而转换成具有一定幅度的模拟量形式的电信号 ,然后再将之转换成数字量信号的全过程。根据“奈奎斯特采样定理”的内容表示 ,欲使采样信号无失真 ,采样的频率 一定要 大于模拟信号最 大 频率的两倍。由于输入的语音信号频率通常为 300Hz 3
21、400Hz ,采样信号最低应为 6.8kHz,由于要保 留一定的频率空间 以保证语音质量 ,所以在实际采样的过程中要采用 8kHz 的采样频率。现如今单片机的快速发展及更新换代，使得基于单片机来实现的语音编码多种多样，除了传统的一些脉冲编码调制外，目前已使用的有 VQ技术以及一 些变换编码和神经网络技术，但是这些算法可能相对来说有点复杂，而且目前的单片机运行速度低，比较不容易实现。所以从实际情况出发，可以得出以下几种可行的方案： 短时平均过零计数法：此种方案的主要方式是通过记录信号的跨零数目，从而把语音信号编码为与之相对应的数字信号，此方法通常用于语音识别中。但是对于单片机来说，因为其处理数据
22、能力较低，所以此种方案比较难以实现。 实时幅值采样法：采样过程可以描述为下图流程： 图 1.1 采样过程 具体的实现方式主要分为直存取法、欠抽样采样法、自 相似增量调制法等三种基本方法。 1.6.2 A/D、 D/A 及存储芯片的选择 （ 1） A/D 转换芯片的选择：由于目前常用的 A/D 转换芯片种类繁多，但是根据本课题中转换速度的要求，我们所选用的 A/D 转换芯片为 AD574。该芯片 本身有 很多 的 优点，抽样 量化 存储 数字化语音存贮与回放集成系统设计 江苏大学电气信息工程学院本科毕业设计 4 例如外接元件少，功耗低，精度高， 同时还 具有自动校零 与 自动极性转换 的 功能，
23、仅仅只要在外部接少量的阻容 元件就能行 成一个完整的 A/D 转换器。 （ 2） D/A 转换芯片的选择： D/A 转换芯片是把数字语音信号转换为模拟语音信号的器件，因为基本上普通的模拟换器件都能达到 1 s的转换速率，能 够满足本次的设计 目标 ，因此我们选用了通用 D/A 转换器 DAC0832。 （ 3） 数据存储器的选择：根据本题目的设计要求，在信号采样频率 fs=8kHZ，字长为8 位时，录入 1s 时长 的语音 就占用了 8k 字节的存储空间，则存储器至少需要有 80k 8容量。因此本次选用 RAM62256 作为数据存储器，通常情况下，一块 62256 芯片可以存储60秒钟左右的
24、语言。 1.7 论文研究内容 本课题设计主要是通过利用 AT89C51 单片机、语音前置放大器电路、滤波放大电路、模数转换（ A/D）电路、数模转换（ D/A）电路等来实现对语音信号的 存储与回放功能，采用低延时码激励线性预测（ LD-CELP）编解码方案，能够有效地增加语音存储时间。 具体设计过程就是：利用拾音器对语音信号进行采集，把语音信号转 变 成电信号。 接着 通过增益放大器 1对转换后的信号进行放大处理。之后经过带通滤波器滤波处理，处理后的信号利用 A/D 转换器 把 模拟信号转 变 为数字信号，接着要对此数字信号 通过 压缩编码后送入单片机中进行处理，处理后的数据存储到存储器中。然
25、而回放系统则刚好相反，把语音信号解码后经过 D/A 转换、带通滤波器滤波和输出放大器 2后，使用扬声器或耳机输出，还原成声音信号。本 文的工作内容主要是硬件的设计。 而 软件 的 设计上，需要设计完成系统的软件流程图，以及相关程序的设计，从而实现模拟仿真。 主要设计流程如下所示： 图 1.2 语音存储与回放系统 设计流程 图 拾音器 放大器 1 带通滤波器 AD转换 单片机 AT89C51 存储器 DA转换 带通滤波器 放大器 2 耳机 数字化语音存贮与回放集成系统设计 江苏大学电气信息工程学院本科毕业设计 5 第 2 章 语音信号与编码 2.1 语音信号 语音信号就是指能携带语音波形信号的语
26、言信息。而对于语音信号来说，频率和幅度分别是其的两个基本参量。将语音信号频率分成几个范围， 0 20Hz 范围内为次声波信号，此种频率的语音信号人耳无法听见；大于 20KHz 频率的语音信号则称为超声波，同样人耳无法听见；频率在 20Hz 20KHz 范围内为音频信号，通常情况下人的正常说话频率在300Hz 3400Hz，此频率段信号为话音信号。 2.2 语音编码 这么多年来语音通信技术 不断 在发展，在这个发展过程中，想方设法减少语音信号的传输带宽，并且增加信道的传输速率， 始终 都是研究人员不断追求的目标。所以，语音编码技术 一直就是特别 重要 的一环 。对语音进行编码的目的是为了将语音数
27、字化并利用人的发声过程中存在的冗余度和人的听觉特性来降低编码率。语音编码 通俗来讲是对 模拟的语音信号进行编码，将模拟信号转化成数字信号，然而将模拟信号转化为数字信号要经过抽样 ，量化，和编码三个过程。 2.2.1 抽样 模拟信号通常来说指的是在时间上的连续信号，通过对这种信号在一定的离散时间点上抽取样值称为抽样，如图 2-1所示。图中 m（ t）是一个模拟信号。在等时间间隔 T上，对它抽取样值。理论上来说，抽样过程可以看做是用周期性的单位冲击脉冲（ impulse）和此待抽样的模拟信号做乘处理。最后，抽样所得到的结果 可以看出就是 一系列的周期性冲击脉冲，其在图中所代表的面积与该模拟信号的取值成正比。冲击脉冲在图 2-1中用一些箭头表示。实际情况下，通常是采用周期性窄脉冲来替代冲击脉冲与被抽样的 模拟信号相乘。
