基于單片機(jī)控制的語(yǔ)音采集與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

崔浩斌，劉 偉

（中船重工縱橫科技有限公司，湖北宜昌443000）

1 引言

目前，基于51單片機(jī)的語(yǔ)音采集回放系統(tǒng)種類繁多，但是在語(yǔ)音采集及回放的效果方面有的不甚理想。為此，本系統(tǒng)利用AT89C51單片機(jī)[1]的精準(zhǔn)控制，在采集通道采用射極跟隨器隔離以及4階低通濾波器濾波，保證采集語(yǔ)音的質(zhì)量；在回放通道上，再次將存儲(chǔ)的信號(hào)進(jìn)行濾波放大和頻率校正，進(jìn)而保證回放語(yǔ)音的效果。同時(shí)，系統(tǒng)采用了三種編碼模式，并在三種編碼模式下對(duì)語(yǔ)音回放的效果做出對(duì)比。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主體由語(yǔ)音處理前向通道、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制兼數(shù)據(jù)處理模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤(pán)顯示模塊及后向處理通道組成。單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)的控制中心，控制功能選擇和結(jié)果顯示。通過(guò)前級(jí)放大和加法器進(jìn)行2.5V抬升，將微弱的電信號(hào)的峰-峰值放大至MAX118可讀取的0～5V，中間由射級(jí)跟隨器進(jìn)行隔離，再通過(guò)300Hz～3.4kHz的帶通濾波器濾除噪聲。信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，后極通過(guò)300Hz～3.4kHz的帶通濾波器使之平滑，并用音頻功放放大語(yǔ)音信號(hào)輸出。

系統(tǒng)分為采集通道、控制單元和回放通道三個(gè)部分。采集通道通過(guò)麥克風(fēng)將聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)射極跟隨器、兩級(jí)放大器、濾波器對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行隔離、放大和濾波后，再對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行A/D采樣并存儲(chǔ)到單片機(jī)的外部存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)?；胤磐ǖ劳ㄟ^(guò)D/A轉(zhuǎn)換將存儲(chǔ)區(qū)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音，經(jīng)濾波器、頻率校正及放大器后通過(guò)揚(yáng)聲器放出。系統(tǒng)的控制單元主要由單片機(jī)構(gòu)成，通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行操作。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[2]。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 采集通道設(shè)計(jì)

1)麥克風(fēng)電路

話筒在受到聲音振動(dòng)后，其電阻隨聲音信號(hào)的變化發(fā)生大小變化。根據(jù)話筒采集語(yǔ)音的原理，在話筒與標(biāo)準(zhǔn)電壓之間接一47kΩ的限流分壓電阻。通過(guò)10μF耦合電容將話筒分得的變化電壓信號(hào)傳遞給初級(jí)同相放大器，輸出信號(hào)作為下一模塊的輸入信號(hào)。麥克風(fēng)電路如圖2所示[3]。

圖2 麥克風(fēng)電路

2)射極跟隨器

麥克風(fēng)采集的信號(hào)極為微弱，且輸出阻抗不可忽略，故放大前必須進(jìn)行隔離，并盡量減小信號(hào)輸出阻抗。運(yùn)用電壓跟隨器的輸入阻抗很高、輸出阻抗很小這個(gè)特點(diǎn)，這里作為多級(jí)放大器的第一級(jí)，起隔離和緩沖的作用。射極跟隨器如圖3所示[4]。

3)前級(jí)放大器

放大器采用多級(jí)信號(hào)放大器級(jí)連，其中AV=-RF/R1?？傇鲆鍭V0=AV1×AV2=0.1～50×100，兩級(jí)放大均增益可調(diào)，其中第一級(jí)放大倍數(shù)較小以保證信號(hào)不會(huì)被失真放大。放大器具體電路如圖4所示。

圖3 射極跟隨器

圖4 放大電路

4)前級(jí)濾波器

選擇巴特沃斯濾波器，4階低通濾波器級(jí)聯(lián)4階高通濾波器，具體電路如圖5所示。由巴特沃思低、高通電路階數(shù)N與增益G之間的關(guān)系可知：二級(jí)四階時(shí)V1=1.152即Q1=0.541，V2=2.235即Q2=1.31，Q=0.541×1.31=0.70871≈0.707。

圖5 巴特沃斯濾波器

2.2 控制單元設(shè)計(jì)

中央處理模塊由A/D采樣、D/A轉(zhuǎn)換、單片機(jī)控制兼數(shù)據(jù)處理模塊組成。

AD轉(zhuǎn)換電路[5]使用ADC0809芯片，它將輸入的連續(xù)模擬量，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后再交由單片機(jī)處理和存儲(chǔ)。采用中斷的方式檢測(cè)電路是否轉(zhuǎn)換完成。其電路原理如圖6所示。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換電路

內(nèi)存擴(kuò)展電路[6]如圖7所示，采用62256 32K來(lái)存儲(chǔ)由AD轉(zhuǎn)換而來(lái)的數(shù)字量，用74373來(lái)鎖存低八位的地址。

圖7 內(nèi)存擴(kuò)展電路

DA轉(zhuǎn)換電路如圖8所示，使用DAC0832芯片，將由62256存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)輸出，轉(zhuǎn)換為模擬量，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓量輸出，這個(gè)輸出量就是經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)和處理之后的聲音的音量。

圖8 D/A轉(zhuǎn)換電路

2.3 回放通道設(shè)計(jì)

回放通道中的放大器和濾波器與采集通道中的設(shè)計(jì)相同。其揚(yáng)聲器電路設(shè)計(jì)為由集成功放LM386及外接元件構(gòu)成，調(diào)節(jié)10kΩ的滑阻可調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器的音量。調(diào)節(jié)36kΩ的滑阻可以使電壓放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)范圍在20～200范圍內(nèi)變化。5引腳處10Ω的電阻和0.047μF的電容串聯(lián)構(gòu)成矯正網(wǎng)絡(luò)用來(lái)進(jìn)行相位補(bǔ)償。7引腳處的10μF的電容為旁路電容。6引腳處的0.1μF的電容去耦電容，濾掉電源的高頻交流成分。揚(yáng)聲器電路如圖9所示。

圖9 揚(yáng)聲器電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件流程[7]如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)軟件流程

4 語(yǔ)音回放效果及分析

實(shí)驗(yàn)方式為在離麥克風(fēng)相同距離上用相同音量播放音樂(lè)，分別換用不同的編碼方式，對(duì)各編碼方式最終放音效果進(jìn)行記錄。結(jié)果如表1所示。

表1 不同編碼方式語(yǔ)音播放效果

依據(jù)表中數(shù)據(jù)，對(duì)各編碼方式[8]分析如下：

采用PCM編碼（脈沖編碼調(diào)制）：其原理由抽樣、量化和編碼三個(gè)步驟組成，具體實(shí)現(xiàn)是將信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為線性編碼，直接存入RAM，然后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換將音頻信號(hào)回放出來(lái)。該方法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且音質(zhì)效果較好，幾乎不存在失真，缺點(diǎn)是存儲(chǔ)器利用率低。

采用DPCM編碼（差值脈沖編碼調(diào)制）：該方法通過(guò)對(duì)抽樣信號(hào)和預(yù)測(cè)信號(hào)的差值進(jìn)行編碼，可以壓縮數(shù)碼率，提高存儲(chǔ)空間利用率。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，S(n)表示當(dāng)前采樣值，A(n)表示增量的累加值，A(n-1)作為預(yù)測(cè)e(n)表示A(n)與A(n-1)的差分值，以四位存入RAM。

采用插值壓縮算法：考慮到大多數(shù)情況下人聲頻率普遍在2kHz左右，可以相應(yīng)降低采樣頻率以提高存儲(chǔ)時(shí)間，將原來(lái)8kHz的采樣率降到4kHz。為了能較好地還原原來(lái)的語(yǔ)音，解碼時(shí)要進(jìn)行插值，可以采用線性內(nèi)插或拋物線擬合內(nèi)插。由于是半采樣，插入的虛擬值不可能完全與原始的真實(shí)值相等，所以輸出的語(yǔ)音信號(hào)會(huì)有一定的失真。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)各模塊能按預(yù)期穩(wěn)定工作，是一種實(shí)用的語(yǔ)音采集回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)通過(guò)三種編碼方式進(jìn)行編碼，以及實(shí)際運(yùn)行及理論分析可知，采用PCM編碼方式語(yǔ)音采集回放效果最好。