2023年12月2日发(作者：)
数字化语音存储与回放系统报告
摘要：
本系统对语音信号采用时域处理方法中的数据采集直存直取的方法，完成了对语音信号3.75秒的存储与回放；前置手动增益控制将语音信号控制在A/D转换器可处理的范围内以保证话音采样不失真；带通滤波器合理的通带范围有效地滤除了带外噪声，减小了混叠失真；通过后级滤波电路以及功放电路对输出的语音信号进行了后续处理，回放语音清晰；并有两个按键控制语音存储与回放功能，第二次录音将自动删除前一次录音。
关键词：直取直存 存储 回放 带通滤波
1方案设计与论证
本题目是设计制作一个数字化语音存储与回放系统。要求前置放大器的增益为46dB，增益可调；带通滤波器，带宽为300Hz～3.4kHz；ADCkHz，采样频率fs=8字长=8位；语音存储时间≥10秒；DAC变换频率fc=8kHz，字长=8位；且要求回放语音质量好（话音清晰、失真小、杂音少）。方案考虑如下。
1.1语音编码方案论证
语音是一维时间信号，由于是表示语言声音的信号，所以不是恒定的，信号的性质随时间变化很大。为了充分利用有限的存储空间，并不失真地传送语音信号必须对采集后的语音信号进行进一步压缩，即语音压缩。所谓语音压缩，是为了声音信号更大信息量的传送与记忆而压缩数据，并有效地回放声音的过程。语音压缩可由将语音信号采集，并利用适当的量子化形式的压缩符号化或预测符号化等进行。
现代常用的语音信号表示方法如用生成模的参数表示声音时，参数的数据率为5K比特/秒左右，与波形符号化相比，参数表现的数据率显著变低，若使用声音生成模，则以利用声音信号分析而得的模的参数为基础，可进行声音的再合成。在听觉上得到的与原声音没有多少不同的合成声音。参数的数据率为信号波形数1据率的以下， 所以可进行高效的声音数据压缩。
10 单从声音的存储与压缩率来考虑，生成模参数表示法明显优于信号波形表示法。但要将之应用于单片机，显然信号波形表示法相对简单易实现，具有很强的可行性。故方案的设计均从声音信号以波形存储来考虑。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，目前的单片机速度低，难以实现。结合实际情况，提出了实时幅值采样的方案。1
采样过程如下图所示：
抽样(2)量化(3)存储
直存直取法
该方案将话音信号的抽样值直接存取，以保证在回放时能真实的重现抽样值。由于这种方法重现的是采样的真实值，所以只存在一般量化噪声，与A/D转换精度有关。故此方法回放质量最好，但占用存储空间也最大，编码速率为62.5kBit/s，每采集1秒钟的话音信号需占用7.8125K字节。由于我们扩展了32K字节的RAM，故采用这种方法作为不压缩的存储，音质好，录音可达4.096秒。
1.2A/D、D/A及存储器芯片的选择
1.2.1A/D转换芯片的选择
根据题目要求采样频率fs=8 kHz，字长=8位，可选择转换时间不超过125 μS的8位A/D转换芯片。当前常用的A/D转换的实现方法有多种：积分式、逐次逼近式、并行比较式和二进制斜坡式（又称计数式）、量化反馈式等。鉴于转换速度的要求，最适合本题使用的是逐次逼近式转换器，它具有转换速度较快、转换精度较高的特点，一次转换时间在数微秒至百微秒范时间小于120 μS，模拟输入为0 ~ 5 V，基本上可以满足题目的要求，但其可输入0-5V的模拟信号，故需在前级增加电围内。其中ADC0809是目前使用较为广泛的通用8位A/D转换芯片。它的转换平抬高电路。
1.2.2D/A转换芯片的选择
D/A转换器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D/A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。DAC0832,ADC0809、单片机的连接如图示
2
图5
1.2.3数据存储器的选择
当采样频率fs =8kHz，字长为8位时，按照1:1的存储率，一秒钟就能采样8000个点，为了能够存储多于10秒钟的语音，则存储器至少需要有78.125K×8的容量。在此我们选用了62256将存储容量为32K×8，这样能以1:1的存储率
3 存储4.096秒语音信号。电路图如图6所示
图6
1.3放大器的设计
作为语音放大器的前端放大器，有以下几点要求:
1低噪声，高增益。
2有较大的动态范围。
3失真度小。
前端放大器：
系统要求放大器增益为46dB，由于驻极体生成的语音信号 较大，在此我们选用动圈型拾音器。为了保证录音质量，语音信号应保证满量程模数转换，所要录制的声音大小可能相差很大，所以我们将放大器做成低噪声、手调增益型放大器。
在此选用低噪声高压摆率的运放NE5532作为放大器，对信号进行多级放大：缓冲放大、放大、调整放大。
后端放大器：
为了保证耳机和外放都能正常工作，语音信号的输出应有一定的输出功率，在此选用两级放大，第一级为信号放大，第二级为功率放大，由于功率放大器有较大的噪声，在使用耳机工作时需输出的功率较小，可只对语音信号进行信号放大，因此我们选用两种工作方式：信号放大、功率放大，这样既保证了使用外放的使用，又不增加耳机工作的系统噪声。
在该系统中，有两处用到放大器，增益分别为46dB和40dB，且增益均可调，
4 既可用专用放大器实现，也可用分离元件实现，综合考虑实际应用与性价比，我们采用分立元件实现。注意到发挥部分要求减少系统噪声电平，增加自动音量控制，所以我们将放大器做成低噪声,手调增益型放大器。
1.4滤波器的设计
为了滤除音频信号中不必要的杂波，必须在数据采集前端放置滤波器，以尽可能滤除噪声干扰与混叠失真。这里将通频带设为300Hz～3400Hz，选用分立元件构成的有源滤带通Butterworth滤波器，其性能优于集成滤波器。
整个系统框图如图7所示
图7
2理论分析与计算
2.1放大器设计
这里由NE5532构成的增益放大器，增益可达46dB， 可手动调节，通过调节电位器调整增益，增益的达46dB且连续可调，电路如图8所示：
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图8
采样输出放大器：经带通滤波器输出的声音回放信号，其幅度为0～５Ｖ，足以用耳机来收听，故不用接任何放大器。而考虑到实际中经常会用到喇叭外放，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。电路如图9
图9
该电路为增益50～200连续可调。
2.2电平抬升设计
电路如图：6
可通过调节V1输入电压大小来调节电平抬升的幅度
2.3有源带通滤波器设计
声音信号经动圈拾音器转化成电压信号，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滤除带外杂波。选定该滤波器的通带范围从300Hz到3.4kHz。其作用：
2.3.1保证300~3400Hz的语音信号不失真的通过滤波器；
2.3.2滤除带外的低频信号，以减少带外工频等分量的干扰，大大减小噪声影响，该下限频率可下沿到270Hz左右；
2.3.3便于滤除带外的高次谐波，以减小因8K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的大小分为窄带滤波器（Q>10）和
宽带滤波器(Q<10)两种，本题中，上限频率fh=3400Hz，下限频率 fl=300Hz，通带滤波器中心频率：
品质因数Q：
f0Qfhfl34003001010Hz
f0f010100.326
BWfhfl3400300
显然，Q<10，故该带通滤波器为宽带带通滤波器。
宽带带通滤波器由高通和低通滤波器级连构成，鉴于Butterworth滤波器带内7 平坦的响应特性，该题中，我们选用二阶Butterworth带通滤波器，电路如图10所示：
图10
仿真结果如图11、12所示：
· 3dB下限频率fl=298Hz
图11
·3dB上限频率fh=3.2KHZ
图12
实验证明，该滤波器能有效地滤除低频分量，大大减少噪声干扰，与之同时也滤8 除了多余的高频分量，消除了混叠失真，性能足以满足要求。
带通滤波器特性
频率（Hz）
215.4
275.7
398.1 1063 1965 3631
衰减（dB）
-6.789 -3.821 -1.123 -0.064 -0.444 -3.601
4642
-6.505
3软件设计流程
系统软件总体流图见图20，21所示。
图20
图21
9
4其它功能的实现：
4.1发光二级管显示录音状态
按下录音按键发光二级管全部亮，当录音存满后，二级管熄灭！
4.2系统录音及播放按键控制功能：
按下录音键进行录音，录音结束后，按下播放键播放录音，当再次按下录音键时，系统将自动删除前一次录音记录.
4.3系统音量可调：
可以通过调节功放模块的电位器，调节播放语音的音量
5测试结果分析
5.1使用的仪器仪表
PC机 QJ-3005S双路直流稳压电源
ICE-51 仿真器 HP54645D示波器
DS1052E双踪示波器 VC890C+数字万用表
EE1641B1函数信号发生器 秒表
5.2误差分析
对于任何系统，误差的出现是不可避免的。要减小系统误差，误差分析是必需的。下面就系统误差作如下分析：
5.2.1量化误差
在进行语音信号采集存储时，由于是8位的A/D转换，量化误差为5.2.2失真度
语音信号的回放与原话音信号相比，存在一定的失真，由于话音信号分别在采集与放音前分别经过了一个带通滤波器，而对带通滤波器，带内平缓，带外陡峭不易同时达到，所以使声音信号有一定的失真。1；
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5.3系统测试结果
语音信号清晰度测试
限于测试条件，这里只能以人为听觉为标准。
语音存储时间：3.75秒 （回放语音清晰）
6结论
按照设计的思路，本系统实现了对语音信号采用时域处理方法中的数据采集直存直取的方法，完成了对语音信号3.75秒的存储与回放；前置手动增益控制将语音信号控制在A/D转换器可处理的范围内以保证话音采样不失真；带通滤波器合理的通带范围有效地滤除了带外噪声，减小了混叠失真；通过后级滤波电路以及功放电路对输出的语音信号进行了后续处理，回放语音清晰；并有两个按键控制语音存储与回放功能，第二次录音将自动删除前一次录音。
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