數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)設(shè)計

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1、6.數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)設(shè)計6.1基本原理6.1.1基本組成原理人耳所能聽到的聲音頻率范圍為20Hz~20kHz,而一般語音頻率位于300hz~3.4khz之間,語音的采集是指將語音聲波信號經(jīng)麥克風(fēng)和音頻放大器轉(zhuǎn)換成有一定幅度的模擬量電信號,然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的全過程。根據(jù)“奈奎斯特采樣準(zhǔn)則”,采樣頻率必須大于模擬信號頻率最高頻率的兩倍,由于語音信號最高頻率為3.4khz,所以語音采樣頻率最低不低于6.8khz,通??蛇x為8khz的采樣頻率,采集到的語音數(shù)據(jù)可在單片機(jī)的控制下存入存儲器。單片機(jī)語言生成過程,可以看成是語言采集過程的逆過程,但又不是原封不動地恢復(fù)原

2、來的語言,而是對原來語言的可控制、可重組的實時恢復(fù)。在放音時,只要依原先的采樣值經(jīng)PWM接口處理,便可使原音重現(xiàn)。典型的數(shù)字語言存儲與回放系統(tǒng)的基本組成框圖如圖6.2.1所示,它主要包括采集的前向通道和回放的后向通道兩大部分,帶一定存儲容量的單片機(jī)最小系統(tǒng)則負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)的存儲與回放。拾音器前置放大器帶通濾波器加偏置1.75VMSP430G2553AD采集復(fù)位錄音回放PWM輸出多級濾波功率放大揚聲器RAM1M*1片低電平復(fù)位高電平有效高電平有效圖6.2.1數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的基本組成框圖圖中cpu似應(yīng)加SPI總線的同內(nèi)容。2.主要技術(shù)指標(biāo)(1)語言放

3、大器增益此指標(biāo)是指語音放大器的電壓放大倍數(shù);語言放大器的主要作用是對拾音器輸出的毫伏級的語音電壓信號進(jìn)行放大,以符合430單片機(jī)所自帶A/D轉(zhuǎn)換器的輸入量程(0-2.5V)的要求。(2)輸出功率此指標(biāo)是指輸出失真度小于某一值時的功率放大器的最大功率。(3)帶通濾波器通頻帶通頻帶一般為300hz~3.4khz,用于語言濾波。前置通道中的帶通濾波主要用于抗混疊,后置通道中的帶通濾波則主要起平滑作用。(4)采樣頻率及精度采樣頻率及精度分別指A/D轉(zhuǎn)換的速率和分辨率。(5)存儲時間存儲時間指存放語言的最長時間;此指標(biāo)與系統(tǒng)的存儲容量、采樣頻率及精度、存儲編碼格式等因素密切相

4、關(guān)。6.1.2設(shè)計任務(wù)及方案分析依據(jù)圖6.2.1所示的框圖設(shè)計一個數(shù)字語言存儲與回放系統(tǒng)。1.設(shè)計要求(1)語言放大器的增益為40dB,(2)揚聲器負(fù)載為8歐姆,輸出功率不小于0.5W。(3)帶通濾波器:通帶為300Hz~3.4KHz。(4)ADC:采樣頻率fs=0khz,字長8位。(5)語言存儲時間≥5s。(6)DAC;變換頻率fc=8kHz,字長8位。(7)回放語言質(zhì)量好。2.主要功能指標(biāo)分析及方案選擇(1)人機(jī)交互控制方案設(shè)計人機(jī)交互可以采用單片機(jī)或可編程邏輯器件實現(xiàn)??删幊踢壿嬈骷哂兴俣瓤斓奶攸c,但實現(xiàn)較為復(fù)雜。單片機(jī)容易實現(xiàn),但對數(shù)據(jù)的處理能力有限,難以

5、在實時性的要求下完成較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能。在本系統(tǒng)中,對于語言信號(最高頻率約為3.4kHz,采樣頻率為8kHz)基本符合設(shè)計的要求,故采用單片機(jī)作為主控芯片來設(shè)計本系統(tǒng)。(2)語音編碼與存儲方案設(shè)計該系統(tǒng)要求實現(xiàn)數(shù)字語言存儲與回放,以8kHz采樣頻率對語言信號進(jìn)行采樣;如果不采用數(shù)據(jù)壓縮,則要求較大的存儲容量;本題并要求在存儲容量不變的前提下,提高語言的存儲時間,這是一個相對性的指標(biāo),與存儲空間的絕對大小沒有關(guān)系,故此指標(biāo)與功能的實現(xiàn)只能靠采取數(shù)據(jù)壓縮的方法才能實現(xiàn)。常用的數(shù)字壓擴(kuò)技術(shù)主要有13折線A律壓擴(kuò)(近似A=87.6的A律壓擴(kuò))和15折線μ律壓擴(kuò)(近似μ

6、=255的μ律壓擴(kuò)),我國的PCM30/32路基群采用A律13折線壓縮特性。CCITT建議G.711規(guī)定在國際間數(shù)字系統(tǒng)互連時,要以A律為標(biāo)準(zhǔn)。故本次我們采用的是13折線A律壓擴(kuò)技術(shù),其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下(6-2-1)式中,x為歸一化輸入,y為歸一化輸出,A為壓縮系數(shù)。13折線A律主要用于歐洲各國及中國、非洲地區(qū);采用的PCM30/32路基群中,如圖1所示,圖中x和y分別表示壓縮器歸一化輸入和歸一化輸出信號幅度。將x軸的區(qū)間(0,1)不均勻的分成8段,分段的規(guī)律是每次以1/2取段。然后,每段再均勻的16等分,每一等分作為一個量化分層,于是在0~1內(nèi)共有8*16=128個

7、量化區(qū)間,但每段上間隔是不均勻的,同樣在y軸上,將(0,1)區(qū)間均勻的分成8段,每段再分成16等分,所以y軸也被等分為128個量化區(qū)間,但他們是均勻的。圖1A律13折線的形成編碼過程中信號幅度對應(yīng)4096個量化單位(最小的量化間隔稱為一個量化單位),在4096單位的輸入幅度范圍內(nèi),被分成256個量化級,因此須用8位碼表示每一個量化級。用于13折線A律特性的8位非線性編碼的碼組結(jié)構(gòu)如下:表一碼組結(jié)構(gòu)極性碼段落碼段內(nèi)碼M1M2M3M4M5M6M7M8其中,第1位碼M1的數(shù)值“1”或“0”分別代表信號的正、負(fù)極性,稱為極性碼。從折疊二進(jìn)制碼的規(guī)律可知,對于兩個極性不同

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