数字语音系统实验.doc

数字语音系统实验 实验目的 了解数字语音系统整体原理。 学习和掌握单片机外围电路的应用。 学习C语言编程。 实验设备及仪器 创新平台主控屏（±5V、±12V） 2DCP-002单片机89S51电路。 DCP-003键盘及LED显示电路。 DCP-0010A/D转换电路。 DCP-0011D/A转换电路。 DCP-007TDA2030模拟功率放大电路。 DCP-0023AGC麦克风接收电路。 麦克风和无源音箱 实验内容 系统功能 该数字语音存储系统利用数字化的控制，采集一段时间长度的模拟语音信号，将其数字化处理后存入单片机，完成一定的处理后，再通过单片机输出到DAC转化为模拟信号通过扬声器输出，回放原始的语音。该系统采用Atmel公司的89S51作为控制器，配合录音与放音电路构成。对采集的语音信号分别采用了无压缩PCM编码和DPCM有损压缩编码两种处理，后者在保证音质效果的同时将语音存储的时候延长为前者的一倍。录音电路的模拟语音信号采集使用了双话筒差分方式输入，有效滤除背景噪声。ADC在8KHz的采样率下工作，根据Nyquist采样定理能还原原来的信号。除此系统拥有良好的人机交互，操作简单。 整体框图 系统整体框图如图1所示。 图1整体系统框图 语音采集电路 电路原理图如图2所示。其中U1为双话筒差分输入。因为语音信号很微弱，不能直接通入MCU中处理，所以需要增加U2A和U2B进行后级放大。场效应管2N7000与三极管9012构成反馈回路，与U2A放大环节构成闭环，为AGC（自动增益控制）电路。前向通道放大电路增益约为46dB，增益可调。 图2语音采集电路 AD模数转换电路 ADC电路适用ADC0804。电路原理图如图3所示。在该系统中将ADC0804连接成了连续转换的方式。即，将片选信号(CS)与读信号(RD)接地，写信号(WR)与中断查询信号(INTR)短接后接到MCU的P1.0，作为控制线。当P1.0输出一个下降沿后，ADC0804将进入自动转换的模式。前端用运放构成了增益和偏置电路，来满足ADC的电压输入范围，即0~5V。 图3AD模数转换电路 单片机最小系统 MCU选用芯片89S51。Atmel公司的89C52具有2个外部中断，2个定时器/计数器，4个8位的I/O口，12MHz晶振的频率下每条指令的执行时间平均为2us，64KB的程序与数据存储器的寻址空间，外部扩展RAM，ADC，DAC以及键盘接口都很方便，对于该系统的控制来说完全足够。在单片机最小系统中外扩了三态缓冲器74LS244（单向缓冲门），74LS245（双向缓冲门）作为数据输入输出的缓存及指示数据输出的LED驱动。扩展的锁存器74LS373用于锁存输出地址低8位以及与直通的DAC0808接口，便于锁存用于DAC转换的数据。单片机最小系统中的片选信号有GAL产生，各片选信号的逻辑关系见附录。 DA数模转化电路 DAC选择芯片DAC0808。电路原理图如图4所示。此DA转换芯片把8位数字量转换成电流值，在后级运放处理后转换成电压值，然后进行偏置和反相处理，以适合不同的场合使用。 图4DA模数转换电路 TDA2030功率放大电路。 图5功率放大电路 算法思想 PCM PCM即为无压缩存储模式。也就是直接把ADC转换的8位数据不做任何处理地存储到外部存储器中，放音时再将数据从外部存储器中读出，通过DAC转化后进入后向通道处理。在8KHz的采样率下， 这种模式需要很大的存储空间，约每8KB的数存可以存放1S的数据。所以在该系统中32KB的数存可以存储4s的语音。 2、DPCM DPCM（差值脉冲编码调制）是语音信号压缩编码的一种较为经典的算法。DPCM利用语音信号较强的相关性，具有算法简单，延迟短，便于软件实现等优点。DPCM算法的数学表达式如下所示： 其中：s(n)是当前采样值，A(n)为增量累加值，A(n-1)为预测值，e(n)为差分值。简单而言，DPCM即是将前后两次采样值的差值作为数据存放，回放录音时再按照差值进行恢复。由于采用了3bit表示 差值，在架上一位符号位，所以这样的算法是有损算法。当前后两次的采样值相差超过了-8--+7的范围就会带来失真。但是由于语音信号较强的相关性，这样的失真并不严重。而DPCM的好处是明显，在 这种存储方式下，数据可以有效地压缩一般，将原来的语音存储时间扩展1倍。 程序流程图 1、主程序流程图 录音子程序流程图 图6主程序流程图 图7录音子程序 实验步骤 把各模块的电源接好，主控屏提供+5V和+12V，-12V，GND。 接线（可参照接线示意图进行连线）： 麦克风上红接线柱连接DCP-0023上IN1口，黑的连GND；IN2连GND。IN2也可再连一个麦克风用来消除环境噪音。 DCP-0023