數(shù)字語音系統(tǒng)目的1了解數(shù)字語音系統(tǒng)整體原理

1、數(shù)字語音系統(tǒng)實驗一、實驗?zāi)康?、了解數(shù)字語音系統(tǒng)整體原理。2、學(xué)習(xí)和掌握單片機(jī)外圍電路的應(yīng)用。3、學(xué)習(xí)C語言編程。二、實驗設(shè)備及儀器1、創(chuàng)新平臺主控屏（土5V、±12V）2、2DCP-002單片機(jī)89S51電路。3、DCP-003鍵盤及LED顯示電路。4、DCP-0010A/D轉(zhuǎn)換電路。5、DCP-0011D/A轉(zhuǎn)換電路。6、DCP-007TDA2030模擬功率放大電路。7、DCP-0023AGC麥克風(fēng)接收電路。8、麥克風(fēng)和無源首箱三、實驗內(nèi)容11系統(tǒng)功能該數(shù)字語音存儲系統(tǒng)利用數(shù)字化的控制，采集一段時間長度的模擬語音信號，將其數(shù)字化處理后存入單片機(jī)，完成一定的處理后，再通過單片機(jī)輸出

2、到DAC轉(zhuǎn)化為模擬信號通過揚(yáng)聲器輸出，回放原始的語音。該系統(tǒng)采用Atmel公司的89S51作為控制器，配合錄音與放音電路構(gòu)成。對采集的語音信號分別采用了無壓縮PCM編碼和DPCM有損壓縮編碼兩種處理，后者在保證音質(zhì)效果的同時將語音存儲的時候延長為前者的一倍。錄音電路的模擬語音信號采集使用了雙話筒差分方式輸入，有效濾除背景噪聲。ADC在8KHz的采樣率下工作，根據(jù)Nyquist采樣定理能還原原來的信號。除此系統(tǒng)擁有良好的人機(jī)交互，操作簡單。2整體框匿系統(tǒng)整體框圖如圖1所示圖1整體系統(tǒng)框圖【3】語音采集電路電路原理圖如圖2所示。其中U1為雙話筒差分輸入。因為語音信號很微弱，不能直接通入MCU中處理

3、，所以需要增加U2A和U2B進(jìn)行后級放大。場效應(yīng)管2N7000與三極管9012構(gòu)成反饋回路，與U2A放大環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)，為AGC（自動增益控制）電路。前向通道放大電路增益約為46dB,增益可調(diào)。-FOII MU圖2語音采集電路4 AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC電路適用ADC0804。電路原理圖如圖3所示。在該系統(tǒng)中將ADC0804連接成了連續(xù)轉(zhuǎn)換的方式。即，將片選信號（CS）與讀信號（RD）接地，寫信號（WR）與中斷查詢信號（INTR）短接后接到MCU的P1.0,作為控制線。當(dāng)P1.0輸出一個下降沿后，ADC0804將進(jìn)入自動轉(zhuǎn)換的模式。前端用運(yùn)放構(gòu)成了增益和偏置電路，來滿足ADC的電壓輸入范圍，即05

4、Vc R D I 2 34<1- 6 7罌KM雷圖3AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路nKCI.卡_1±圭l±【5】單片機(jī)最小系統(tǒng)MCU選用芯片89S51。Atmel公司的89C52具有2個外部中斷，2個定時器/計數(shù)器，4個8位的I/O口，12MHz晶振的頻率下每條指令的執(zhí)行時間平均為2us,64KB的程序與數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間，外部擴(kuò)展RAM,ADC,DAC以及鍵盤接口都很方便，對于該系統(tǒng)的控制來說完全足夠。在單片機(jī)最小系統(tǒng)中外擴(kuò)了三態(tài)緩沖器74LS244（單向緩沖門），74LS245（雙向緩沖門）作為數(shù)據(jù)輸入輸出的緩存及指示數(shù)據(jù)輸出的LED驅(qū)動。擴(kuò)展的鎖存器74LS373用于鎖存輸

5、出地址低8位以及與直通的DAC0808接口，便于鎖存用于DAC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。單片機(jī)最小系統(tǒng)中的片選信號有GAL產(chǎn)生，各片選信號的邏輯關(guān)系見附錄。【6】DA數(shù)模轉(zhuǎn)化電路DAC選擇芯片DAC0808。電路原理圖如圖4所示。此DA轉(zhuǎn)換芯片把8位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電流值，在后級運(yùn)放處理后轉(zhuǎn)換成電壓值，然后進(jìn)行偏置和反相處理，以適合不同的場合使用。UI圖4DA模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ATODA2A3IOUT-A5VEEF，A6TREFi-A?A3COMPNCGND YEE【7】TDA2030功率放大電路DATAin81算法思想1、PCMPCM即為無壓縮存儲模式。也就是直接把ADC轉(zhuǎn)換的8位數(shù)據(jù)不做任何處理地存儲到外部存儲器

6、中，放音時再將數(shù)據(jù)從外部存儲器中讀出，通過DAC轉(zhuǎn)化后進(jìn)入后向通道處理。在8KHz的采樣率下，這種模式需要很大的存儲空間，約每8KB的數(shù)存可以存放1S的數(shù)據(jù)。所以在該系統(tǒng)中32KB的數(shù)存可以存儲4s的語音。2、DPCMDPCM(差值脈沖編碼調(diào)制)是語音信號壓縮編碼的一種較為經(jīng)典的算法。DPCM利用語音信號較強(qiáng)的相關(guān)性，具有算法簡單，延遲短，便于軟件實現(xiàn)等優(yōu)點。DPCM算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：-8(S(n)A(n1)<-8)e(n)«5(n)-A(n-1)(-8<(S(n)-A(n-1)<7i7(S(n)-A(n-1)>7)其中：s(n)是當(dāng)前采樣值，A(n)

7、為增量累加值，A(n-1)為預(yù)測值，e(n)為差分值。簡單而言，DPCM即是將前后兩次采樣值的差值作為數(shù)據(jù)存放，回放錄音時再按照差值進(jìn)行恢復(fù)。由于采用了3bit表示差值，在架上一位符號位，所以這樣的算法是有損算法。當(dāng)前后兩次的采樣值相差超過了開始開H判定慢式Z時刻錄音就按工RAM溢出四、實驗步驟2、接線（可參照接線示意圖進(jìn)行連線）a）麥克風(fēng)上紅接線柱連接 DCP-0023上IN1 口，黑的連 GND ; IN2連GND。IN2也可再-8-+7的范圍就會帶來失真。但是由于語音信號較強(qiáng)的相關(guān)性，這樣的失真并不嚴(yán)重。而DPCM的好處是明顯，在這種存儲方式下，數(shù)據(jù)可以有效地壓縮一般，將原來的語音存儲時

8、間擴(kuò)展1倍1、主程序流程圖圖6主程序流程圖圖7錄音子程序1、把各模塊的電源接好，主控屏提供+5V 和+12V, -12V, GND。程序流程圖2、錄音子程序流程圖啟助gKHz定時讀ADC軌據(jù)葉岸增爻 抒兩次計算的拮果組 成一個手吊存入RAM在 R.AM錄音連一個麥克風(fēng)用來消除環(huán)境噪音。b） DCP-0023上的輸出口Vout和GND接DCP-0010上的Vin和AGND;DCP-0010上的CS,RD連接GND,WR,INTR接DCP-002上的P1.0;D0-D7口分別與DCP-002上的X00-X07連接。c） DCP-002上的Y00-Y07分別與DCP-0011上的D1-D8連接，DC

9、P-002上的P1.1,ALE分別于DCP-003上的INT,CLK。d） DCP-003上的CS與RST相連再連接到GND,P1與DCP-002上的P2口用扁平帶相連。e） DCP-007上的Vin和GND與DCP-0011上的Vout和GND相連接。3、編程：運(yùn)行KeilC51軟件，新建一個工程（如IO）,新建一個文件（IO.asm）。將文件添加到工程中，編寫程序并編譯，如有錯，請更改直到編譯成功。如果有生成好的hex文件可以直接進(jìn)入下一步。4、下載：用編程器將生成的HEX文件燒寫到單片機(jī)中；或用仿真器來執(zhí)行程序，將程序下載到仿真器中；或用ISP在線燒寫技術(shù)將生成的HEX文件燒寫到S系列單

10、片機(jī)中；或用用口燒寫技術(shù)將生成的HEX文件燒寫到有此功能的單片機(jī)中。5、使用門邏輯器件：GAL16V8中燒寫yyhf.jed文件。6、實驗操作過程：運(yùn)行實驗程序，顯示HELLO,按ENTER鍵進(jìn)入選擇錄音編碼方式界面，顯示CHOOSE;按PCM鍵，則進(jìn)入此錄音模式，顯示FUN1_4S（或按DPCM鍵，顯示FUN2_8S）;按RECORD鍵后再按ENTER進(jìn)入錄音狀態(tài)，此時顯示，對著話筒說話；當(dāng)RAM存滿，即錄音結(jié)束，顯示OVER;按PLAY鍵后再按ENTER,則進(jìn)入放音狀態(tài)，放音完畢顯示OVER;此時按PLAY鍵后再按ENTER則會回放錄音內(nèi)容，按按ENTER鍵則回到歡迎界面，顯示HELLO0

11、循環(huán)進(jìn)入上述操作。7、鍵盤安排示意圖PLAYPCMRECORDDPCMPAGEENTER8、實驗過程調(diào)試注意：a）DCP-0023上電位器為自動增益控制環(huán)節(jié)輸出幅值調(diào)節(jié)；b）由于ADC0804的輸入為0+5V,所以調(diào)節(jié)RW1增益，和RW2偏置，偏置到這個范圍進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，偏置后送入單片機(jī);c)DA輸出為偏置后的直流電，可調(diào)節(jié)RW2再偏置回來，沿X軸對稱9、接線示意圖如下:浙江求是科教五、實驗總結(jié)及改進(jìn)方案1、在PCM模式下，語音時間為4s。在DPCM模式下，語音時間為8s。噪聲與失真度較大。2、經(jīng)過調(diào)試系統(tǒng)可以實現(xiàn)預(yù)期的功能。系統(tǒng)目前缺陷在于噪聲較大，失真度較大和語音存儲時間較短?？梢酝ㄟ^下面的措施改進(jìn)系統(tǒng)。(1) 去噪保真將系統(tǒng)的噪聲減小可以考慮一下幾種措施：圖8帶通濾波器* 在ADC信號輸入之前與DAC信號輸出之后加入帶通濾波器，濾除低頻和高頻的噪聲?？梢钥紤]帶寬為