logo资料库

数字语音录放系统的设计与实现.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.22M 资料格式：doc 举报 版权申诉
第1页 / 共50页
第2页 / 共50页
第3页 / 共50页
第4页 / 共50页
第5页 / 共50页
第6页 / 共50页
第7页 / 共50页
第8页 / 共50页
资料共50页，剩余部分请下载后查看
    《数字化语音存储与回放系统》 项目设计报告
    2008 电子系统设计 项目设计报告 数字化语音存储与回放系统 摘要………………………………………………………………………………2 目 录 一、方案设计与论证……………………………………………………………2 1、控制方式的选择……………………………………………………………………2 2、语音编码选择………………………………………………………………………2 二、重要电路设计及其理论分析与计算………………………………………3 1、放大器 1 设计………………………………………………………………………3 2、滤波器 1 设计………………………………………………………………………4 3、电平提升电路………………………………………………………………………8 4、电流转电压电路……………………………………………………………………9 5、滤波器 2 设计………………………………………………………………………10 6、校正电路……………………………………………………………………………11 7、放大器 2 设计………………………………………………………………………12 三、软件设计流程………………………………………………………………13 1、程序整体流程………………………………………………………………………13 2、程序设计体系结构…………………………………………………………………15 3、语音压缩算法………………………………………………………………………15 四、系统功能及使用方法………………………………………………………18 五、系统测试及结果分析………………………………………………………18 1、脱机检查……………………………………………………………………………18 2、单元功能电路调试…………………………………………………………………18 3、整机联调……………………………………………………………………………20 4、结果分析……………………………………………………………………………20 六、进一步讨论…………………………………………………………………21 1、噪声分析及抗噪措施………………………………………………………………21 2、系统设计中的指标权衡……………………………………………………………21 3、存在的问题及可能的改进…………………………………………………………21 七、结束语………………………………………………………………………21 八、附录…………………………………………………………………………22 a) 用户使用手册………………………………………………………………………23 b) 电路图、PCB 制板过程、PCB 版图以及实物图………………………………25 c) 元器件列表…………………………………………………………………………30 d) 程序源代码…………………………………………………………………………33 九、参考文献……………………………………………………………………22 1
    2008 电子系统设计 项目设计报告 数字化语音存储与回放系统 摘 要 本系统以 8031 单片机为核心器件，由一片 32K 的 RAM 作为外部存储器，采用 6 种语 音压缩算法（PCM、DPCM、ADPCM、△M、AD△M、△M-PCM），完成了基本的语音存 储及回放功能，最长存储时间达 32 秒。硬件电路采用模块化布局设计，前向通道由语音放 大电路、四阶带通滤波器、电平提升电路组成，经 A/D 采样把模拟信号转换为数字信号， 后向通道经 D/A 转换、电流转电压电路、平滑滤波器，由功率放大器驱动喇叭发声。通过 后级补偿电路对输出的语音信号进行了 f       f f s    sin 校正，回放语音清晰。附加开机自检、 自动检测录音、手动录音、录/放音时间显示及电平大小显示、手动播放、自动播放、循环 播放、暂停等功能，操作界面友好。 关键词：数字录放、语音压缩编码、PCM、DPCM、ADPCM、△M 一．方案设计与论证 1．控制方式的选择 控制器可采用单片机、DSP 器件、可编程逻辑器件实现。DSP 对数字信号的处理能力 强，通常 DSP 用于性能要求高的场合，但是同时 DSP 也使得系统的复杂性和成本提高。可 编程逻辑器件具有速度快的特点，但其实现较复杂，且做到友好的人机界面也不太容易。单 片机实现较容易，并且具有一定的可编程能力，对于语音信号的处理（最高频率约为 3.4KHZ， 8KHZ 采样频率），6MHZ 晶振频率的 8031 已足以胜任（每个采样周期 125us，相当于 125/2=62 个机器周期，平均执行 31 条指令）。 以微处理器为核心的数字录音回放系统的基本结构图如下：整个系统由前向通道、后向 通道、主机及人机通道构成： 放大器 1 滤波器 1 电平转换 A/D 键盘控制 数码管显示 微 处 理 器 ， RAM(32K) (语音压缩处理) 放大器 2 校正电路 滤波器 2 电 平 转 换 及 电流转电压 D/A 2．语音编码方案的选择 模型参数编码法：基于分析与模拟人的发音器官，以此寻求并建立描述方程。从人的语 音中提取与语音参数有关的特征参数，通过相应数学模型的计算去人工控制这些参数的合 成，回放时，再通过有关运算还原出数字语音。此法可逼真再现输入的语音信号，随时间平 稳变化。 波形编码法：首先将声音信号转化为数字信号，根据信号间的相关性，去除冗余度。此 法所需内存容量大，在声调和韵律上灵活性小，但算法相对简单，可以进行适时处理，声音 2
    2008 电子系统设计 项目设计报告 数字化语音存储与回放系统 质量基本可以保证。 从声音的存储与压缩率来考虑，模型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，显然波形编码法相对简单易实现。基于波形编码的算法，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，提出了以下几种可实现的方案。 （1）PCM 线性编码方式。语音信号经过 AD 转换即可转换为线性编码，直接存入 RAM， 再由 DA 转化回语音信号回放。32KRAM 存储时间是 4 秒。这种方案简单易行，但每一个 模拟量的采样都需要一个字节的存储空间，存储器利用率低，且对小信号而言量化噪声干扰 大。 （2）DPCM 编码方式。对信号抽样值与信号预测值的差值进行量化、编码，可以压缩 数码率，提高存储空间利用率。32RAM 存储时间是 8 秒。DPCM 能压缩比特率的实质是由 于信号相邻样值之间存在明显的相关性，减少了信号的冗余信息，所以其抗噪能力不如 PCM，可能造成较大的积累噪声输出。 （3）ADPCM 编码方式。自适应差分脉冲编码调制。ADPCM 编码方法是对输入样值 进行自适应预测，然后对预测误差进行量化编码。ADPCM 能压缩的比特率与 DPCM 是一 样的，所以存储时间也与 DPCM 编码方式相同。但它通过自适应预测信号差值，避免了DPCM 由于误差积累造成的噪声输出。 （4）△M 编码方式。即增量编码，以位为单位进行编码，表示后一个值比前一个值升 高还是降低编码为 1，升高编码为 0。存储器利用率高，但是存在较大的累积误差。 （5）自适应△M 编码方式。自适应△M 是为了减小△M 的累积误差，而对△M 算法 的改进，基本思想是当存在多个 1 或 0 时，对预测系数进行一定的修正。 （6）PCM－AD△M－PCM－AD△M……级联编码方式。此法是基于△M 编码的改进 方法，由于△M 编码对前后两个信号的差值只能估计为单一的一个平均值，即使进行自适 应改进仍存在较大累积误差。因此考虑在△M 编码时循环使用非压缩的 PCM 编码，及时更 正△M 造成的存储信息对原信号的偏离。改变 PCM 插入的间隔即可改变存储时间。但由于 △M 编码信息呈现的趋势是，信号幅度降低，跟不上原信号的变化，只是反映原信号的变 化趋势。故若原始信号变化太快，△M 编码信息与原信号相差太多，那么此时插入非压缩 的 PCM 编码反而会降低放音质量。 二．重要电路设计及其理论分析与计算 1．放大器 1 设计（增益放大器/低噪声放大器） 电路原理图如下： 3
    2008 电子系统设计 项目设计报告 数字化语音存储与回放系统 R1 56k C1 0.47u V 0 in V2 0 R7 10k C4 1u 0 VOFF = 0 VAMPL = 1mv FREQ = 1k PARAMETERS: 0 R3 56k 3 2 6 5 R2 56k U1A 8 + V+ OUT 1 - 4 V- 0 R25 100k R9 100k R10 100k 0 4 V- - OUT 7 V+ + 8 U1B R4 56k Vcc C5 100u C6 100u 3 2 1k R12 1k R11 0 10k R14 U2A 8 + Vcc V+ OUT 1 out - 4 V- Vpp 10k R13 Vcc V1 0 12v Vpp V3 0 12v Vcc R5 12k a b R6 12k 设计思路：在设计放大器时，既要考虑放大器的性能指标（主要是放大倍数及不失真放 大），也要考虑放大器的稳定性，即单级放大倍数不能过大，否则易自激。因此在本系统放 大器设计时主要分为两级，前级采用平衡式同相放大，后级采用差分放大，在一定程度上可 以减小噪声的干扰，避免非线性失真。采用 NE5532 低噪声双运放，电压增益在 200 倍范围 内连续可调。 相关分析计算：集成运放 U1A、U1B 组成平衡式输出。其中 U1A 是同相输入接法，电 压放大倍数为 1＋R25 / R7，其输出作为平衡输出信号的一路，然后此信号被另一个运放 U1B 反相后作为平衡输出信号的另一路。两路信号的差值即为后级差分放大电路的输入。 因此信号经过 U1A、U1B 后的总的放大倍数是 A u 1 2    1   R 25 R 7 ;    此两路信号 v(a)、v(b)再作为后级差分放大电路的输入信号，差分放大电路的放大倍数为 A u 2  R 13 R 11 ; 整个放大电路的放大倍数为 A A u  1  A u 2; 2．滤波器 1 设计 总述：滤波器的带宽 BW=3400-300 = 3100hz，中心频率 of 3400  300  1010 HZ， 因此： Q  f 0 BW  1010 3100  .0 326 由 Q 值可以看出，该滤波器为宽带带通滤波器。宽带带通滤波器由低通高通级联构成。 各 种 滤 波 器 的 方 案 选 择 中 ， 基 于 Butterworth 滤 波 器 带 内 平 坦 的 响 应 较 好 ， 决 定 选 用 Butterworth 低通—高通滤波器级联组成带通滤波器。Butterworth 滤波器的响应曲线在整个 4
    2008 电子系统设计 项目设计报告 数字化语音存储与回放系统 通带内是下降的。它的主要特点是因阻尼较大，通带内有最大平坦段，过渡带衰减较慢，因 此选择性较差，但是换来了通带内的相频特性接近线性。本次设计的带通滤波器 Q 值低， 对选择性的要求不是太高，而且需要保证在通频带无失真的传送，因此，Butterworth 滤波器 可以很好的满足要求。 阶数的确定 ： 滤波器的阶数是根据过渡带宽带度和止带衰减量要求来确定的。若规定 当 s  c 时的衰减为 A，则: 10 lg( 1  n 2 s )  A 即： lg n  A   1  1.0 10 lg2  s （1） （2） 其中：n 代表阶数， s 代表归一化频率。当 s 越小，表示只增加更小的频率，滤波器就应 该以达到规定的衰减，即过渡带越窄；A 越大代表更大的衰减量定义过渡带上边界频率 s ， 因此两者都要求更高的滤波器阶数。当 s lg20 n 1 A 时，（1）式可化为: 于是: n     A lg20  s    1 （3） 根据系统设计的要求，过渡带的衰减要求是 20dB/倍频程，因此，取 A=20， s =2，代入（3） 式得到： 4n 故决定选用四阶 Butterworth 低通—高通滤波器级联。 电路原理图： TL062/ON 4 v pp - V - 1 OUT 8 + V+ U1A v cc out TL062/ON v pp 4 - V - 7 OUT 8 + V+ v cc U2B 2 3 6 5 R6 8k R2 8k C4 0.033u C1 2200p R1 4k 0 R7 63k C5 C10 0.033u C6 0.033u 0.033u R8 4k 0 5 TL062/ON 4 v pp - V - 7 OUT 8 + V+ v cc U1B TL062/ON 4 v pp - V - 1 OUT 8 + V+ U2A v cc 6 5 2 3 R5 20k R4 20k C3 4700p in C2 2200p R3 10k 0 R9 26k C7 C9 0.033u C8 0.033u 0.033u R10 10k 0
    2008 电子系统设计 项目设计报告 数字化语音存储与回放系统 电路设计及参数确定 在该系统中，要求通带内增益为一，故采用两个多路负反馈滤波器容易实现增益为一的 目的。因为负反馈本身的直流增益是容易控制的。 （1）低通滤波器，电路框图如下： 根据电路得出电路的电压传输方程为： )( sH  2 s     1 CR 1 2  1  2 CCRR 1 1 1 CR 3  2 2 2 1 CR 2  s   1 CCRR 1 2 3 2  2 s     1 CR 4 4  1  5 CCRR 4 3 1 CR 6  4 4 4 1 CR 5 （4） 1 CCRR 5 5 4 6  s   查表得，四阶 Butterworth 滤波器的归一化函数： )( sH  2 ( s  .0 76537 s  1 )(1 2 s  .1 84776 s  )1 根据通式,令： （5） s  4 s 0 CCCCRRRR 1 3 2 1 5 4 2 4 又令： 故： c  4 1 CCCCRRRR 1 3 2 1 5 4 2 4 s c 0s 将此式带入（4）并且对比（5）的系数，得： 6
    2008 电子系统设计 项目设计报告 数字化语音存储与回放系统 RRsCRRCRR  2(    63 c RR 41 ) 11 2(  ) 4 03    5 2 1 1 2(1  2  c 2 )1 RR RR  2 s 5 4 2 1 0 CRR CCRRCCRRCRR 221 454 4354 2132  )( sH  4 s 0 2(1   c 2 RR RR  5 4 1 2 CRR CRR 221 454 3 ) s 0 2(1  c RR  1 2 CRR 221 2 RR   4 5 CRR 454 .2)  61323 2(1 2  c RR  1 2 CRR 221 1 2 RR   5 4 CCRRCCRRCRR 454 4354 2132 .3)1    41422  2( ) CRRCRR  4 2 3 c 2(    ) 11 带内增益： 5  61323 .2  K p  R 3 R 1  R R 6 4 要求带内增益为 1，即 1pK ，令 R1=R3=20k，R4=R6=8k 其中    2 c 4.3 kh  .21 532 k ，实际的工程计算时，可将四阶低通滤波器分别按照两 个二阶低通滤波器的参数计算，只要保证系数满足(5)式所列，且满足： 1   2 c c =21.532k c 计算可取，如取 c1 21.98k， R2=10K，C1=4700p，C2=2200p R5=4k，C3=2200p，C4=0.33u 2  c 09.21 k ，根据二阶结计算，最终可以取： （2）四阶高通滤波器也采用相类似的结构，即采用多路负反馈的结构，结构式见下图： 则可以写出四阶高通滤波器的电压传输函数： 7
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料