語(yǔ)音示例報(bào)告

數(shù)字語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)摘要：系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)。系統(tǒng)由前置放大與濾波模塊、A/D采樣、D/A轉(zhuǎn)換與功放輸出模塊組成。以ADPCM（自適應(yīng)差分編碼）的方式提高了存儲(chǔ)器的利用率，語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間可達(dá)2分鐘。同時(shí)，利用音頻功放播放語(yǔ)音，并采用抗混疊濾波等措施，有效地提高了信噪比。語(yǔ)音回放質(zhì)量良好，存儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)。關(guān)鍵字：語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放ADPCM單片機(jī)一、方案論證與選擇總體方案方案一：?jiǎn)纹瑱C(jī)和fpga相結(jié)合方案。鑒于單片機(jī)復(fù)雜可編程性，且接口方便，單片機(jī)完成系統(tǒng)控制與界面管理。鑒于FPGA的高速特性，用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、編解碼與存儲(chǔ)，以及AD轉(zhuǎn)換器的時(shí)序控制。方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)方案。即由單片機(jī)完成人機(jī)交互和聲音的采集、編碼、解碼。單片機(jī)具有豐富的接口資源和運(yùn)算單元，能進(jìn)行復(fù)雜的控制和運(yùn)算，電路結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔。方案一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制，但調(diào)試過(guò)程繁瑣。方案二系統(tǒng)規(guī)模較小，控制能力強(qiáng)，且易于調(diào)試。故我們采用方案二。語(yǔ)音信號(hào)前級(jí)放大方案方案一：采用兩個(gè)特性相同的ECM（駐極體電容話(huà)筒），接成三運(yùn)放差分電路，抵消語(yǔ)音輸入背景噪聲。方案二：采用儀表放大器。三運(yùn)放儀表放大器具有極高的共模抑制比和高輸入阻抗，能夠較好地抑制環(huán)境噪聲，通過(guò)一個(gè)外接電阻即可實(shí)現(xiàn)增益控制。其精度高功耗低，適用于微弱信號(hào)的前級(jí)調(diào)理。實(shí)際調(diào)試中方案一對(duì)噪聲的抑制效果并不明顯，且電路規(guī)模復(fù)雜。方案二電路簡(jiǎn)單且效果較好，性?xún)r(jià)比高，故我們采用方案二。濾波器方案為防止混疊失真及提高信噪比，帶通濾波器尤為重要。方案一：采用二階切比雪夫低通濾波器。切比雪夫低通濾波器的幅度響應(yīng)在通帶內(nèi)存在等波紋波動(dòng)。理想的切比雪夫低通濾波器近似在靠近截止頻率的部分有比巴特沃茲濾波器更接近矩形的頻率響應(yīng)。方案二：采用二階巴特沃茲濾波器。巴特沃茲濾波器的幅度函數(shù)是單調(diào)下降的，但巴特沃茲濾波器能實(shí)現(xiàn)最大平坦幅度濾波。由于語(yǔ)音存儲(chǔ)回放系統(tǒng)的輸出波形頻率覆蓋范圍較大，為使整個(gè)頻率范圍內(nèi)都有較理想的濾波效果，以免語(yǔ)音信號(hào)產(chǎn)生失真，采用二階巴特沃茲濾波器。功率放大方案方案一：采用音頻功率放大器LM386，其外接元件少，電壓增益可調(diào)。方案二：采用立體聲D類(lèi)音頻功率放大器TPA2000D4。具有失真小、、穩(wěn)定性高、頻響范圍寬、功率大等優(yōu)點(diǎn)。方案一外圍電路簡(jiǎn)單，功率較大。方案二具有立體聲輸出，功耗低，但電路復(fù)雜。故我們采用方案一。壓縮編碼方案方案一：PCM（脈沖編碼調(diào)制）。將A/D采集數(shù)據(jù)直接存入存儲(chǔ)器，該編碼播放語(yǔ)音質(zhì)量好，但存儲(chǔ)器利用率極低。方案二：DPCM（插值編碼）。它是一種比較成熟的壓縮編碼方法，實(shí)現(xiàn)原理

是對(duì)信號(hào)抽樣值與信號(hào)預(yù)測(cè)值的差值進(jìn)行量化編碼，可以壓縮數(shù)碼率，提高存儲(chǔ)空間利用率，使語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間增加一倍。DPCM能壓縮比特率的實(shí)質(zhì)是由于信號(hào)相鄰值之間存在明顯的相關(guān)性，減少了信號(hào)的冗余信息。并且失真小。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：當(dāng)S(n)-A(n-1)<－8時(shí)e(n)=—8—8WS(n)-A(n-1)W7時(shí)e(n)=S(n)-S(n-1)S(n)-A(n-1)>8時(shí)e(n)=7A(n)=A(n-1)+e(n)其中，s(n)表示當(dāng)前的采樣值，A(n)表示增量累計(jì)加值，An-1作為預(yù)測(cè)值,en表示差分值，以四位存入RAM。與編碼相對(duì)應(yīng)的解碼方法為：先將A(n)預(yù)設(shè)為0，讀取RAM的值存入BUFFER中，在從BUFFER中讀出高4位或低四位，作為本次樣值的e(n)。根據(jù)e(n)的最高位判斷值的正負(fù)，A(n)相應(yīng)地加上或減去e(n)的大小，作為下次輸出值S(n+1)與下次的估計(jì)值A(chǔ)(n+1)。該方案的缺陷是當(dāng)差值超過(guò)7時(shí)當(dāng)做7處理，引入的量化噪聲較大。方案三：ADPCM。ADPCM是一種比DPCM更高效的編碼，它的核心思想是利用自適應(yīng)改變量化階的大小，即使用小的量化階編碼小的差值，使用大的量化階編碼大的差值。通過(guò)查表可以簡(jiǎn)化運(yùn)算，算法較簡(jiǎn)單。綜上所述，ADPCM存儲(chǔ)器利用率高，且能減小量化誤差，更好地恢復(fù)原始信號(hào)，故我們采用方案三。二、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與框圖系統(tǒng)主要由語(yǔ)音采集模塊、語(yǔ)音處理模塊和語(yǔ)音播放模塊組成。話(huà)筒輸入語(yǔ)音信號(hào)分別經(jīng)前級(jí)放大的幅度調(diào)理與抗混疊濾波器后，由AD采樣器進(jìn)行數(shù)字量化。采樣所得數(shù)據(jù)在單片機(jī)內(nèi)部通過(guò)ADPCM編碼后存入外部存儲(chǔ)器，這樣便完成了語(yǔ)音信號(hào)的采集與存儲(chǔ)。回放時(shí)對(duì)編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼后由DAC輸出，最后由功率放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器完成語(yǔ)音播放功能。FA/D控制FD/A控制單片機(jī)LCD專(zhuān)編碼與解碼: 鍵盤(pán)FA/D控制FD/A控制單片機(jī)LCD專(zhuān)編碼與解碼: 鍵盤(pán)/'、》存儲(chǔ)器圖2-1系統(tǒng)整體框圖三、理論分析與計(jì)算ADPCM編碼的理論分析ADPCM的原理是對(duì)相鄰兩采樣值的差值進(jìn)行編碼，利用自適應(yīng)的思想改變量化階的大小。ADPCM的編程框架如下圖所示。計(jì)算當(dāng)前采樣值Si和上一采樣值Sp之間的差值d，該差值經(jīng)量化編碼輸出4位ADPCM代碼I。在算法中，定義一個(gè)結(jié)構(gòu)變量存儲(chǔ)上一采樣值Sp和量化步長(zhǎng)q，并制定兩個(gè)表：一個(gè)表為索引調(diào)整表，其輸入為差值量化編碼I，用于更新步長(zhǎng)索引；另一個(gè)表為步長(zhǎng)調(diào)整表，其輸入為步長(zhǎng)索引，輸出為步長(zhǎng)q。編碼時(shí)，首先用上一個(gè)采樣點(diǎn)的步長(zhǎng)索引，查步長(zhǎng)調(diào)整表求出步長(zhǎng)q，再將編碼值I作為索引調(diào)整表的輸入，查表輸出索引調(diào)整，并和原步長(zhǎng)索引相加，產(chǎn)生新的步長(zhǎng)索引，在下一個(gè)采樣值的編碼中使用。輸入樣本值Si匕次樣本lisp輸入樣本值Si匕次樣本lispADPCMi'Zl量化階調(diào)整＜ADPC陽(yáng)世1, ―廠二|反單^廠〃長(zhǎng)q|—斗圧化G麗|匕欲輸出值圖3-1ADPCM編碼原理圖圖圖3-1ADPCM編碼原理圖我們將8bit的采樣數(shù)據(jù)壓縮成4bit的ADPCM數(shù)據(jù)，達(dá)到2：1的壓縮比，極大地提高了存儲(chǔ)器的利用率。當(dāng)采樣速率為8KHz時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率為32Kb/s由于外部存儲(chǔ)器bq4015為512*8Kb，故能夠存儲(chǔ)的最長(zhǎng)時(shí)間為128秒。采樣控制的理論分析由于人發(fā)出的聲音頻率范圍是300Hz?3.4KHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣速率應(yīng)大于信號(hào)最高頻率的2倍。故對(duì)于模擬語(yǔ)音輸入信號(hào)，我們選用截止頻率為3.4KHz的抗混疊低通濾波器，A/D采樣速率設(shè)定為8KHz。由于A/D米樣時(shí)存在量化噪聲，若用G2表示輸入語(yǔ)音信號(hào)序列的方差，G2xe表示噪聲序列的方差，x為信號(hào)的峰值，B為量化字長(zhǎng)，則可以證明量化信噪max比為SNR=101og(Q2/q2)二6.02B+4.77-201og(x/Q)(dB)xe maxx假設(shè)語(yǔ)音信號(hào)的幅度服從拉普拉斯分布，此時(shí)信號(hào)幅度超過(guò)4Q的概率很x小，只有0.35%，則可以取x二4q。此時(shí)上式變?yōu)閙axxSNR二6.02B-7.2(dB)表明量化器中每個(gè)比特字長(zhǎng)對(duì)信噪比的貢獻(xiàn)大約為6dB。我們選用8bitA/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，理論上可以達(dá)到41dB的信噪比。四、單元模塊電路設(shè)計(jì)前級(jí)放大電路由于輸入語(yǔ)音信號(hào)的幅值大約為幾百毫伏，為了將其幅度調(diào)理到適合A/D采樣的范圍內(nèi)，需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大。選用低功耗儀表放大器AD620和INA129,其性?xún)r(jià)比高，電路簡(jiǎn)單，通過(guò)1腳和8腳間的一個(gè)外接電阻R，即可G確定電路增益G。增益計(jì)算式為：G=49.4kQ/R+1，為實(shí)現(xiàn)增益約為2.5倍的G放大，R約為33kQ，實(shí)際電路中用50kQ電位器調(diào)試。G圖4-1圖4-1語(yǔ)音信號(hào)放大電路圖A/D采樣電路選用8位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬開(kāi)關(guān)，可對(duì)8路0?5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)具有多路開(kāi)關(guān)的

地址譯碼和鎖存電路、比較器、256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀電子開(kāi)關(guān)、逐次逼近寄存器SAR、控制與時(shí)序電路等。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。圖4-2A/D采樣電路圖D/A轉(zhuǎn)換電路選用數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0800，它是8位并行高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，建立時(shí)間為100ns。由于是電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，故需增加I/V轉(zhuǎn)換電路，采用雙極性輸出方式。圖4-3D/A轉(zhuǎn)換電路圖功率放大電路經(jīng)過(guò)低通濾波器的音頻信號(hào)需要通過(guò)喇叭外放，故本系統(tǒng)增加了播放功能。前端放大器采用通用型的音頻功率放大器LM386來(lái)完成。該電路輸出端接R2,

C5串聯(lián)電路，以校正喇叭的頻率特性，防止高頻自激。腳7接220uF旁路電容,以消除低頻自激。為了便于該功放在高增益的情況下工作，將不使用的輸入端腳2對(duì)地短路。■I□1■I□1圖4-4圖4-4功率放大電路圖五、程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件部分由單片機(jī)的C51語(yǔ)言和FPGA的VerilogHDL語(yǔ)言組成。其中，單片機(jī)主要完成用戶(hù)輸入輸出處理和系統(tǒng)的控制，F(xiàn)PGA主要完成需要嚴(yán)格時(shí)序控制的模塊（如數(shù)據(jù)采集、頻譜顯示）以及大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算（如FFT、ADPCM編碼）等。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中模塊化思想貫穿始終，采用菜單鍵選擇所用功能，系統(tǒng)流程圖如圖5-1所示。圖5-1程序流程圖六、測(cè)試方案與測(cè)量結(jié)果測(cè)試儀器直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源：型號(hào)SG1733SB3A60M數(shù)字存儲(chǔ)示波器：型號(hào)TektronixTDS1002秒表測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果（1）語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放效果測(cè)試一名組員面對(duì)麥克風(fēng)以不同大小的聲音說(shuō)話(huà)，錄下一段語(yǔ)音，記錄回放語(yǔ)音的效果。表6-1麥克風(fēng)輸入語(yǔ)音回放效果測(cè)試序列曰量語(yǔ)音質(zhì)量序列曰量語(yǔ)音質(zhì)量1小較好3大很好2中很好4靜噪無(wú)聲音2）語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間測(cè)試一名組員面對(duì)麥克風(fēng)不間斷地說(shuō)話(huà)，啟用錄音模式，待系統(tǒng)顯示存儲(chǔ)器存滿(mǎn)后，回放語(yǔ)音，用秒表記錄語(yǔ)音回放最長(zhǎng)時(shí)間。序列1234語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間（S）120.2119.7120.5120.1測(cè)試結(jié)果分析及總結(jié)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音存儲(chǔ)及回放系統(tǒng)，最長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)2分鐘，回放語(yǔ)音效果清晰良好，并能在示波器上實(shí)時(shí)顯示語(yǔ)音頻譜。采用ADPCM編碼在保證回放音質(zhì)的情況下，極大地提高了存儲(chǔ)器的利用率，并通過(guò)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)采用分幀加窗的方法實(shí)現(xiàn)了短時(shí)頻譜分析。另外，系統(tǒng)采取了一系列抗干擾措施以減小噪聲，如數(shù)字地與模擬地分開(kāi)走線(xiàn)，在一點(diǎn)匯合；電源處采用一個(gè)10uF和0.1uF的電容并聯(lián)去耦；